【冰天雪地】在凍層中尋找古生命基因

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科學家們深入極地,尋找古代人類基因


■ 在人類開始進行基因序列工作後
找尋古老人類基因的研究也有了突破這個因一位丹麥演化生物學家鍥而不捨努力而完成的工作將給人類的演化和遷徙帶來新的透視?

  威勒雷夫(Eske Willerslev)只想拿到人體的一小部分:幾根頭髮、一塊骨頭、一顆牙齒都好。

  為此,二○○六年這位丹麥演化生物學家前往格陵蘭最偏遠的北方凍原,然而抵達諾德軍事基地後才得知,原本要載運他的團隊前往考古遺址的那架直升機,已在風暴中墜毀,他並不退縮,決定搭乘另一架飛機前往當地,此後六個禮拜,他們不斷搜尋人類遺跡,可惜始終無所獲。

  但是兩年後,威勒雷夫在丹麥自然歷史博物館地下室裡,便找到他所需的毛髮,那不過離他哥本哈根的實驗室十分鐘自行車程。這撮二十年前取自永凍層的毛髮,讓他們發現第一組完整的古人類基因組,這這資料來自四千年前古愛斯基摩人,可溯源至北極圈附近的西伯利亞地區。

  不到十年前,人類才解開第一個活人基因組,而古DNA領域也還在努力去除樣本內的污染物,因此這項成就就更為顯著,讓威勒雷夫因取得史前基因組而聲名大噪,與他一同合作的演化生物學家吉伯特(Thomas Gilbert)表示,「在此計畫之前,我從未完全感受到威勒雷夫意志多麼堅強,現在若他想練習水上輕功,我也覺得他或許會成功」。

  自然歷史博物館館長梅嘉德(Morten Meldgaard)亦認為,「威勒雷夫總能帶來無比樂趣,他會把事物帶至另一層次」。

  對比古愛斯基摩人基因序列與現代北極圈人類基因組,研究團體發現這個樣本來自薩卡克文化(Saqqaq)的男性,這也是格陵蘭地區已知第一個文化。就基因特徵而言,薩卡克文化與西伯利亞的處克其族(Chukchi)最相近,大約五千五百年前,薩卡克文化的祖先自西伯利亞向東穿越阿拉斯加、加拿大至格陵蘭,大約於一千五百年後定居當地。這個基因組解開薩卡克文化起源爭議,顯示與現今格陵蘭伊努特族(Inuit)及北美原住民根源相異,這撮毛髮的基因組亦顯示,該名男性膚色深、棕眼、可能快要禿頭。

  全球只有少數實驗室試圖從骨頭、牙齒或排泄物化石中取得古代基因組,不過這五年來,威勒雷夫及他主持的研究中心已成為此一範疇的領袖。

  二○○三年,威勒雷夫於永凍層冰核內,發現當時已知最古老的DNA,包括四十萬前至一萬年前的猛瑪象、美洲野牛等動植物序列;二○○七年,研究團隊從冰核內取得的DNA中,重建據估計在四十五萬至八十萬年前的古代動植物,顯示當時格陵蘭是一片綠色森林;隔年,他和研究團隊在奧勒岡州的佩斯利洞穴(Paisley Caves)裡,從人類排泄物化石裡發現DNA,當地據信為北美人類最早居住的地點,大約於一萬二千三百年前便已出現人類活動跡象。

  目前為止最大困難,在於如何找出約30億對破碎的古代人類基因組,並證明並未受到現代人類DNA影響,關鍵在於威勒雷夫對技術嚴格要求,並願意前往極地追尋原始DNA,最佳保存地點通常都在冰雪低溫之中,才能夠避免受到污染,而威勒雷夫的個人背景也有助益。

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威勒雷夫(右)專注研究格陵蘭冰核

  威勒雷夫幼時便時常有機會四處遊歷,父親在哥本哈根大學擔任史學教授,會帶著他與雙胞胎兄弟拉尼(Rane Willerslev)出門研究十九世紀瑞典移民,兩兄弟夏季也會前往瑞典森林裡的度假小屋,現為民族誌學者的拉尼回憶道,「我們什麼事都一起做,總是在競爭」。

  一九九三年,兩兄弟參加西伯利亞東部的化石採集旅行,後來更在冬季,與俄國捕獸人同行五個月,期間威勒雷夫使用狗拉雪橇行動、獵糜鹿、設陷阱、取貂皮,他回憶,「那年離聖誕節還有好幾週,我便已身心俱疲,我本不覺得這段經歷有助於科學研究工作,但確實有效果,教育我如何挑戰身心極限,我的工作時間比同事還長一倍」。

  威勒雷夫將這股鬥志應用於學術工作之中,他在哥本哈根大學唸碩士與博士期間,便研究是否可能從極圈冰核與永凍層中,汲取古代DNA,之後亦於二○○三年前往英國牛津大學,加入古DNA領域知名學家庫柏(Alan Cooper)的實驗室。

  二○○五年,威勒雷夫回到哥本哈根,成立丹麥的第一個古DNA實驗室,逐漸發展為地質基因學中心,一年前,丹麥國家研究基金會頒發九百萬美元的卓越獎金給他,再加上四百五十萬美元經費擴充中心設備。

  威勒雷夫不斷努力,希望找到不受污染的研究素材,他遍尋國內外的有用古代樣本,正是因為在意污染,故研究團隊願意冒險前往格陵蘭北部,期望能抵達現代考古學家未曾涉足之處。

  他們最後取得的毛髮樣本,是在一九八六年格陵蘭迪斯柯灣(Disko Bay)西岸發現,梅嘉德的父親在此進行考古探勘,樣本置於盒中以室溫保存,也未經太多處理,威勒雷夫表示,相較於骨骼與牙齒,從毛髮更容易取得古代原始DNA,因為毛髮比較不會吸收污染物,表面也比較容易清潔。

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保存良好?

  取得毛髮後不久,研究團隊便分析出線粒體基因組大約一萬六千個鹼基對,並於二○○八年發表。通常從古代樣本裡較易找到線粒體DNA,因為數量比較多,也比細胞核裡的DNA更易保存,不過永凍層也為這個樣本留存大量細胞核DNA,威勒雷夫指出,「研究發表後約三星期,我正在半夜工作,突然覺得,其實我們可以發現整個基因組」。

  為防止污染,論文共同作者加州大學柏克萊的尼爾森(Rasmus Nielsen)為這些DNA都加上如標籤般的序列,以有別於零星出現的現代人類DNA,基因組序列工作於去年花費兩個半月及五十萬美元完成,並與北京基因組研究所合作,因為該機構共有一百二十台最新型序列機器,這項合作後來也促成北京基因組研究所成立了中國丹麥基因體中心。

  至去年夏天為止,研究團隊分析出的古代基因組已是平均值的十倍,相當於人類基因體計畫的規模。但之後卻發現資料裡包括部分加工序列,吉伯特表示,「一般人也許對這個規模感到高興,但威勒雷夫更希望提升品質」,經過改良及重新排序後,基因組規模已達平均值的二十倍,這種嚴格標準確保古今基因序列的差異確實是差異,而不只是排序錯誤或受污染的DNA。

  為找到古代人類起源,研究團隊必須對比這個樣本與現存人口的序列,例如尋求愛沙尼亞的人口基因學家維勒姆(Richard Villems)協助,他研究全球移民,儲存許多人類樣本,維勒姆表示,「古代人類提供許多地理脈絡,對我們雙方都很重要」。

  威勒雷夫接下來也要再次出發,打算在今年夏天重返格陵蘭,尋找更多人類DNA,也希望探究北極圈更廣泛的人口遷徙情況,更準備好接受下一個技術挑戰,他表示,「我希望使用非冰凍樣本分析完整古代基因組」,也將會面臨到更多污染問題。

  先前也曾向威勒雷夫求助的美國奧勒岡大學考古學家詹金斯(Dennis Jenkins),與多數人一樣對威勒雷夫很有信心,「威勒雷夫是這項領域最佳研究者,只要給他樣本,肯定能得到結果」。?

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原載於【知識通訊評論月刊八十九期】2010.03.01?

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