第二章 分子人類學的研究方法2.1 線粒體

線粒體的功能與起源

線粒體（mitochondrion），是一種存在於大多數真核細胞中的由兩層膜包被的細胞器，直徑在0.5到10微米左右。除了溶組織內阿米巴、籃氏賈第鞭毛蟲以及幾種微孢子蟲外，大多數真核細胞或多或少都擁有線粒體，但它們各自擁有的線粒體在大小、數量及外觀等方面上都有所不同。 線粒體是細胞內氧化磷酸化和合成三磷酸腺苷（ATP）的主要場所，為細胞的活動提供了能量，所以有“細胞動力工廠”之稱。除了為細胞供能外，線粒體還參與諸如細胞分化、細胞資訊傳遞和細胞凋亡等過程，並擁有調控細胞生長和細胞週期的能力。 不同生物的不同組織中線粒體數量的差異是巨大的。有些細胞只擁有多達數千個的線粒體（如肝臟細胞中有1000-2000個線粒體），而一些細胞則只有一個線粒體（如酵母菌細胞的大型分支線粒體）。大多數哺乳動物的成熟紅細胞不具有線粒體。一般來說，細胞中線粒體數量取決於該細胞的代謝水平，代謝活動越旺盛的細胞線粒體越多。 主流觀點認為，線粒體本是一種遠古的單細胞生物（稱為原線粒體），被另一個細胞吞噬之後，並沒有被消化，而是與吞噬它的細胞形成了共生關係。在沒有線粒體的原始細胞中，1分子葡萄糖只能透過糖酵解生成2分子的ATP；線上粒體的有氧呼吸過程中，1分子葡萄糖則可以產生30-32分子的ATP，生產效率顯著地提高了。線粒體可以獲得來自宿主細胞的養料，而宿主細胞則可以使用線粒體合成的ATP，這樣的共生關係增加了細胞的生存能力，使其可以適應更多的生存環境。在長期對寄主和宿主都有利的互利共生中，原線粒體逐漸演變形成了線粒體，使宿主細胞中進行的糖酵解和原線粒體中進行的三羧酸迴圈和氧化磷酸化成功耦合。 有研究認為，這種共生關係大約發生在17億年以前，與進化趨異產生真核生物和古細菌的時期幾乎相同。但線粒體與真核生物細胞核出現的先後關係仍存在爭議。

線粒體DNA的遺傳與突變

對分子人類學來說，線粒體的重要意義在於它擁有自己的DNA（稱為mtDNA）。人類線粒體的DNA是環形的，長度比細胞核中的DNA要短得多，只包含了37個基因，這37個基因中有22個編碼轉移核糖核酸（tRNA）、2個編碼核糖體核糖核酸（12S和16S rRNA)，13個編碼多肽。 因為精子的細胞質極少，子代的mtDNA基本上都是來自卵細胞，所以mtDNA是母性遺傳，且不發生DNA重組，因此，具有相同mtDNA序列的個體必定是來自一位共同的雌性祖先。但是，近年來PCR技術證實，精子也會對受精卵提供一些mtDNA，造成子代的身上攜帶有兩種不同的mtDNA。這會對種系的研究造成一定困難，所幸這樣的個體屬於極少數。 mtDNA在複製的過程中，會有一定的機率發生突變；如果女兒繼承了在母親身上發生的mtDNA突變，則又會把這種突變遺傳給自己的子女，這樣的突變記號，就成了人群母系來源的理想手段。mtDNA的突變雖然是隨機的，但在較長的時間尺度內，突變的發生速率又有一定的規律性，這個現象被稱為“分子鐘”。 1962年，祖卡坎德爾(Zuckerkandl)和鮑林(Pauling)在對比了來源於不同生物系統的同一血紅蛋白分子的氨基酸排列順序之後，發現其中的氨基酸隨著時間的推移而以幾乎一定的比例相互量換著，即氨基酸在單位時間以同樣的速度進行置換。後來，許多學者對若干代表性蛋白質的分析，以及近年來又透過直接對比基因的鹼基排列順序，證實了分子進化速度的恆定性大致成立，並由中立說在理論上奠定了基礎。這便是“分子鐘”名稱的由來。 只要比較不同個體的mtDNA上的氨基酸排列順序，就可以繪製出mtDNA的系統樹。mtDNA系統樹不但可以反映不同個體在母系上的親疏關係，還可以用來推測各個突變的發生時間。 人類學家透過統計和對比全世界大量個體的mtDNA，發現這些mtDNA存在一個共同的原型，而這個原型的 形成時間透過分子鐘計算，約為距今20萬年前。也就是說，現代人類有一位共同的母系祖先，生活於距今約20萬年前。這個結論並不是說在20萬年前只有一位人類女性生活在地球上，而是說20萬年前的女性，只有這位人類共祖把她的mtDNA遺傳了下來。同時期的其他女性，要麼沒有生下女兒，要麼沒有外孫女，要麼沒有曾外孫女，總之就是沒有女性後代來繼承她們的mtDNA。

線粒體DNA的型別與分佈

根據對大量人類個體的線粒體DNA的研究，人類學家繪製了人類mtDNA的系統樹。mtDNA的研究開展得較早，命名也比較混亂，基本上只是按照相關突變點的發現順序給予了字母命名，所以字母的順序不反映mtDNA型別的親緣關係。 離母系共祖最近的線粒體型別是L0-L6，這6個型別在非洲都有分佈；而這6個型別中，只有L3離開了非洲，進入了歐亞大陸。 L3有兩個主要子型別，即M和N。M系率先走出了非洲，在6萬到7萬年前就到達了南亞和大洋洲，但沒有北上進入歐洲。M系在大洋洲衍生出了Q系，在東南亞衍生出了E系，東北亞衍生出了G系，又在白令海峽兩邊衍生出了C、D等型別。 N系可能較晚進入歐亞大陸，但是N系的分佈比M系更為廣泛。N系不但北上進入了歐洲，也進入了東亞的廣大地區，並在隨後進入了美洲。N系在現代人類中佔了絕大多數。 近代之前的人類，由於生產力水平所限，在地球各區域之前的遷移速度較慢，跨區域血統交流較少，不同的mtDNA型別得以在一個個近似隔離的區域中分別發展，從而演化出許多帶有地域和族群特色的mtDNA型別。反過來說，這些mtDNA的型別，也為我們研究人類族群的遷徙和混合提供了可靠的證據。 2.2 Y染色體雖然mtDNA在遺傳學研究中佔據了重要地位，但是mtDNA序列中的資訊只能反映所考察的群體中的雌性成員的演化程序，而不能代表整個種群。這一缺陷需要由對父系遺傳序列的測序彌補。只有既考慮了mtDNA又考慮了細胞核DNA（主要是Y染色體DNA，因為Y染色體只通過父系遺傳）的遺傳學研究才能為種群的進化史提供全面的線索。 如前所述，由線粒體DNA的演化推算，人類的母系共祖生活於距今約20萬年前。最近的研究表明，現代人類最古老的Y染色體型別（標記為A00）大約形成於20.9萬年前，這個型別發現於喀麥隆西北部山區的Mbo人身上。這樣的話，Y染色體與線粒體追溯到了同樣的年代。 由於男性對族群的主導性，父系的遺傳型別（Y染色體類群）容易變少。所以不同群體之間差異最大的遺傳物質是Y染色體類群，也叫做Y染色體單倍群。全世界的Y染色體單倍群構成了一個可靠的譜系。Y染色體的主要單倍群的形成需要長期的隔離演化，這與現代人種族的隔離演化機制是一致的。所以現代人發展早期，Y單倍群與人種應該有過很好的對應關係。不過由於近幾千年來人群的大規模融合，這種對應關係稍有打亂。 Y染色體的根部類群是A型，僅存在於非洲。其次是 B型，也在非洲。所以從Y染色體來看，現代人肯定起源於非洲，此結論與從mtDNA型別得出的結論一致。C以後的類群（CT）從B分化出來的年代大約是7萬年，所以現代人走出非洲的年代不會早於7萬年。A、B、C、D、E這五種類群，每一類內部的亞型都是大約6萬年前開始分化形成的。這一時段就是現代人最早的種族形成時期。 在距今7萬多年前，地球上發生了一次巨大的災難，蘇門答臘島上的多峇火山發生了超級大爆發，史稱多峇巨災。此後地球進入了冰期，許多動物種群滅亡，人類群體也大量滅亡。留下的少許小群體隔離 分佈在非洲中部到東北部，形成了數個種族。其後由於冰期的海平面下降，大陸之間出現了很多新的陸地連線，人類群體開始向各大洲遷徙，種族進一步演化。