生命逝去，但DNA 還在
DNA 是生物代代相傳的遺傳物質，藉由定序、比較 DNA 序列，遺傳學家能夠獲取大筆訊息。絕大多數 DNA 研究的樣本來自活跳跳的生物，可是古代 DNA（ancient DNA），卻是由死去多時的遺骸，甚至是幾萬、幾十萬年前的化石或沉積物中，取得研究材料。
古代 DNA 是近來發展最迅速，取得成果最豐富的學術領域之一。如帕波（Svante Pääbo）所言：「除了非常聰明的人之外，重大突破幾乎都伴隨重大的科技進展。」古代 DNA 的研究歷史，本身就是一部科技發展史。
帕波在 1980 年代初期，是瑞典一位鑽研免疫學的博士學生，在學習當年最先進的分子生物學之餘，仍保有對神秘古埃及的熱愛，於是異想天開的試圖結合兩者——取得埃及木乃伊的 DNA，沒想到還真的讓他成功了。他把成果正式發表後，成為史上最早研究人類古代 DNA 的論文，隨後帕波正式轉行，開創了古代 DNA 此一全新學門。[1]
從 1985 年到現在，30 多年來，生物學研究的方法不斷進步。帕波 1985 年發表論文時，PCR 仍尚未發明，要靠培養細菌大量複製 DNA；接下來有了 PCR，讓實驗方便、加速許多，帕波也靠著 PCR，率先取得尼安德塔人的粒線體 DNA。[2]
從 PCR 到次世代定序
PCR 的全名是聚合酶連鎖反應（polymerase chain reaction），無疑是劃時代的偉大發明，只要針對特定目標設計引子，就能抓到 DNA 片段，大量複製，接著加以定序，造福無數生物研究者。然而，即使證實可以用 PCR 取得古代 DNA，它一次只能定序幾百個核苷酸，要重現多達 30 億個核苷酸，如尼安德塔人基因組這般的龐然大物，PCR 實在力有未逮。
假如每次幾百、幾百的定序，30 億數量雖大，精衛填海也不是不可能。問題是，古代 DNA 的樣本來源有限，假如想定序古埃及法老圖坦卡門的基因組，只能從他的木乃伊取樣，可是 DNA 定序會摧毀樣本，難道為了得知圖坦卡門的基因組，要將如此珍貴的古文物毀滅嗎？
至於尼安德塔人的遺骸，儘管不能說少，卻也是幾萬年前的寶貴化石，限量是很殘酷的。何況生物去世後，DNA 就會開始分解、破壞，所以很多古代樣本中，其實早已沒有 DNA 留存。另一方面，古代樣本被現代 DNA 汙染的問題，PCR 也不太容易處理。
要是沒有次世代定序（next generation sequencing，簡稱 NGS），不可能發展基因體學，也不會有如此豐收的古代 DNA 研究成果。次世代定序大致上，會將樣本內的 DNA 斷成小段，然後將符合標準的一網打盡，通通定序，再拼湊回完整的基因組。對於古代 DNA 而言，由於其年久失修，本來就會斷成小片段，因此十分適合次世代定序。
帕波為了取得尼安德塔基因組，引進當時最先進的次世代定序技術，順利克服古代 DNA 樣本稀缺，以及容易汙染兩大問題，終於在 2010 年，發表了第一個尼安德塔人的基因組。[3]
沒有古代 DNA，你不可能會知道的人類大歷史
尼安德塔人於約 4 萬年前消失之前，大部份住在歐洲，至少延續 40 萬年之久。他們與智人的祖先有過混血嗎？尼安德塔基因組告訴我們，不但歐洲人有，而且非洲以外的人通通都有！
不只如此，2010 年除了尼安德塔人以外，帕波戰隊還發表另一個古代基因組：來自西伯利亞南方的丹尼索瓦洞穴，樣本是一位小蘿莉的一塊小指骨頭，根本看不出型態，可是其中卻蘊藏著她極為完整的基因組。令人大驚的是，她不是智人，也不是尼安德塔人，是一種沒見過的全新古人類，因此以其發現地點，被稱為丹尼索瓦人。
過往所有古人類，像是直立人、北京人、澎湖原人，都是先找到化石，再描述型態，最後定義是什麼人；丹尼索瓦人卻是史上第一個，以 DNA 得知、定義的全新型號（不過沒有正式命名新種）。這反映古代 DNA 這門領域已經成熟，果然之後幾年，新發現源源不絕。
- 延伸閱讀：丹尼索瓦人（上）：尼安德塔人的神秘近親
後來又有一位住在丹尼索瓦洞穴的尼安德塔人，其基因組被完整定序 [4]；而克羅埃西亞的文迪亞洞穴，此一提供過第一版尼安德塔基因組的遺址，也再度貢獻另一個高品質尼安德塔基因組 [5]。比較古人類的 DNA 序列，讓我們建構出大家的遺傳史：尼安德塔人與丹尼索瓦人比較親近，兩者於 40 多萬年前分家；而智人與他們的共同祖先，生活在 55 到 77 萬年前。
智人，重新定義
除了分家的年代以外，多次上演的遺傳交流也讓人感到有趣。如今非洲族群以外，每個人的基因組都有約 2% 源自尼安德塔人（以及丹尼索瓦人），表示我們的祖先曾經與尼安德塔人發生關係，融入過他們的遺傳物質。然而這樣的狀況顯然不只發生過一兩次，目前看來不同的人類族群間，曾經多次發生類似的情慾流動；而我們已知的，仍然十分有限。
假如我們與尼安德塔人、丹尼索瓦人是不同物種，那麼彼此之間能夠混血，似乎動搖了傳統「生物種（biological species）」的定義：「同一種生物，能夠一起生育具備繼續生殖能力的後代，不同種之間不行」。值得重視的是，近年來基因體學普及後，發現所謂的「跨物種遺傳交流」並非特例，這些新的資訊有什麼意義，我們對生命世界的認知該如何改變，都需要新的想法，有關議題仍在發展。
另一方面，幾萬年前發生的遠古混血，對於智人各族群歷年來的演化，甚至時至幾萬年後的今日，仍在許多方面影響著現代人。最有名的例子，莫過於青藏高原的族群，配備源自丹尼索瓦人的基因 EPAS1，有助其適應高海拔。另外像是膚色、髮色、心理狀態、免疫反應等等特徵，已經滅亡幾萬年的古人類，遺留的遺傳訊息仍持續發揮實質影響力 [6]。相關研究方興未艾，而這些事情，假如沒有古代 DNA、古代基因組，都不可能得知。
古代 DNA，就像凍結在時空中的切片一般，讓我們能夠重回特定的歷史現場。除了滅絕多時的尼安德塔人、丹尼索瓦人，更多古代 DNA 的研究對象，其實是我們智人自己。
To Be Continued……
下集這裡走：啊~ 追著你的人、追著你從哪來、追著你的發展歷史——古代DNA追追追（下）
延伸閱讀：
- 古埃及與古代DNA（上） 一場美麗的錯誤
- 想重現侏儸紀公園？先征服古代 DNA 的種種難題！
- 我們都有尼安德塔人的血統，但你知道你有多尼安德塔嗎？
- 滅亡萬年的尼安德塔人，他們的DNA對現代人有哪些影響？
參考文獻：
- Pääbo, S. (1985). Molecular cloning of ancient Egyptian mummy DNA. nature, 314(6012), 644-645.
- Krings, M., Stone, A., Schmitz, R. W., Krainitzki, H., Stoneking, M., & Pääbo, S. (1997). Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans. Cell, 90(1), 19-30.
- Green, R. E., Krause, J., Briggs, A. W., Maricic, T., Stenzel, U., Kircher, M., … & Hansen, N. F. (2010). A draft sequence of the Neandertal genome. Science, 328(5979), 710-722.
- Prüfer, K., Racimo, F., Patterson, N., Jay, F., Sankararaman, S., Sawyer, S., … & Li, H. (2014). The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains. Nature, 505(7481), 43-49.
- Prüfer, K., de Filippo, C., Grote, S., Mafessoni, F., Korlević, P., Hajdinjak, M., … & Reher, D. (2017). A high-coverage Neandertal genome from Vindija Cave in Croatia. Science, eaao1887.
- Dannemann, M., & Kelso, J. (2017). The Contribution of Neanderthals to Phenotypic Variation in Modern Humans. The American Journal of Human Genetics, 101(4), 578-589.
本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。
