智人和尼安德特人之间为什么没有生殖隔离？ 第1页

先说结论，其实尼安德特人和现代人之间是有生殖隔离的。

（文章略长，结论说明在文末）

尼安德特人和人类混血的第一次报道源于2010年，德国马克斯·普朗克演化人类学研究所斯万特·帕博（Svante Pääbo）博士带领的团队发表论文A Draft Sequence of the Neandertal Genome^[1]，完成尼安德特人基因初步测序，表明非洲以外的现代人体内包含1-4%的尼安德特人基因。

后续有一系列研究不断细化混血的比例，比如2017年测得现代欧洲人体内有1.8–2.4%的尼安德特人基因，而现代东亚人群体内的比例则为 2.3–2.6% ^[2]。

也正是通过这些研究，我们知道了尼安德特人曾经与现代人祖先有一段特殊的际遇。

不过也催生了疑问，两个物种之间怎么能混血产生后代？竟然没有生殖隔离？

但是从另一方面说，难道混血就能说明尼安德特人和现代人没有生殖隔离么？

要回答这些问题，我们要了解尼安德特人和现代人相遇的背景，以及混血背后的故事。

1.两次特殊的交汇 ^[3]

现代人第一次走出非洲是在大约10-13万年前，他们占据在近东地区生活，以色列的斯虎尔洞穴（Skhul Cave）和卡夫扎洞穴（Qafzeh Cave）都发现有10-13万年前现代人活动的遗迹。

但好景不长，现代人这次走出非洲的旅途似乎没那么顺利，他们遇到了南下扩张的尼安德特人。

在那个时候，尼安德特人早已统治着欧亚地区，分布范围从欧洲西部一直延伸到西伯利亚的阿尔泰山脉。

第一次走出非洲的现代人被尼安德特人打得节节败退，足迹在近东地区消失。

大约在6万年年前，现代人第二次走出非洲，来到近东地区；与此同时，尼安德特人的第二波扩散也来到了近东，比如以色列迦密山的卡巴拉洞穴（Kebara Cave）。

这次轮到尼安德特人倒霉了，不仅被现代人赶出近东地区，甚至遭遇灭绝之灾（这是另外的故事）。

但是在这交汇期间，尼安德特人和现代人发生了混血，时间大约是4.9-5.4万年前^[4]。

这个时间是怎么确定的呢？

或者说，尼安德特人的基因什么时候进入现代人的体内呢？

简单说下原理，在人类精子或是卵子产生过程中，会发生染色体重组现象，两个亲本的基因会发生大片段的交换。例如，现代人和尼安德特人混血生出一个女孩，那么这个女孩体细胞内的染色体（23对）一半来自现代人，一半来自尼安德特人。

现在这个女孩要繁衍后代，她产生卵细胞的过程中发生染色体重组——来自现代人的染色体和来自尼安德特人的染色体交叉重组，可能导致一条染色体上前半段来自现代人，后半段来自尼安德特人。

假设她与现代人继续混血，则再次发生染色体重组，这样一代一代持续下去，重组就像旋转刀片一样，把染色体上的尼安德特人基因切割成一个个小片段。

这个切割速率是相对固定的值，再通过测量现代人体内尼安德特人基因片段的典型长度，可以得知这个切割已经进行了多久时间，也就能倒推多久之前两个物种之间发生混血。

其实除了在近东地区发生混血，尼安德特人和现代人在欧洲也相遇过^[5]，2014年，帕博团队在研究罗马尼亚Peştera cu Oase出土的骨骼化石（编号Oase1）时发现， Oase1拥有高达6-9%的尼安德特人血统（注意这个数值，后文会再提到）！

大致了解尼安德特人和现代人混血的背景后，我们进入正题，生殖隔离。

讲到这，可能你更纳闷了，按理说尼安德特人和现代人交汇混血产生后代，导致现代人体内含有尼安德特人基因，因此正说明了两个物种之间没有生殖隔离。

完美逻辑！

没错，但是你忽略了一点，难道两个物种产生后代就能说明没有生殖隔离？

熟悉生物学知识的你可能马上反应过来，合子后隔离！是的：

虽然马和驴能生骡子，但是骡子不能生育！

虽然狮子和老虎能生狮虎兽，但是狮虎兽存活率低，雄性狮虎兽不能生育！

因此，虽然尼安德特人和现代人能够混血，但是后代不……

不对！我们现代人不是活得好好的，而且特能生！

没错，但是你又忽略了一点，后代真的都活得好好的么？——毕竟死人是不会说话的。

2.被清除的尼安德特人基因

我们一直只关注“混血”，但是可能没有注意到混血的“比例”——2%左右。

这个数值代表什么含义呢？

当一个种群迁徙到一个新的区域，与该区域其他种群交汇，哪怕只发生一点点杂交，后代混血的比例都将非常高。但是，在现代人的体内，尼安德特人的血统只占到2%，这是非常低的比例。

这个发现最早由瑞士伯尔尼大学的劳伦特·埃克斯科菲耶（Laurent Excoffier）提出，他认为尼安德特人与现代人的混血后代，生育能力出现了问题^[6]。

这是非常重要的一个点，说明了在自然选择过程中，尼安德特人和现代人的后代并不受“欢迎”（活得并不好！），换言之，我们体内的尼安德特人基因被自然选择不断清除。

而基因被清除的现象，恰恰就发生在与生育息息相关的区域上——性染色体X。

尼克·帕特森（Nick Patterson）博士2006年的一项研究发现，人类与黑猩猩的X染色体的遗传差异非常之低，远远低于常染色体的差异，这是非常反常的现象^[7]。

2015年米克尔·舒尔普（Mikkel Schierup）博士发表了一篇论文，其中有个更重要的发现：在非洲以外的人群中，X染色体上那些没有尼安德特人基因渗入的区域，在很大程度上也正是在人类和黑猩猩之间存在较小遗传差异的区域^[8]。

这两个研究结合起来看，结论可能稍微有点绕，可以反过来理解。

打个比方，有赤橙黄绿青蓝紫7种颜色的气球，五彩缤纷；如果我们把赤橙黄绿青5种颜色的气球扎破，只剩下蓝紫2种颜色气球，那么色彩多样性就大大降低。

因此，由于包含尼安德特人基因的区域被自然选择清除（现代人体内相应区域就没有尼安德特人基因渗入），导致X染色体的遗传差异大幅减小（人类与黑猩猩的遗传差异自然也就小了）。

除此之外，还有另外的证据表明尼安德特人和现代人的后代生育能力下降。

当雄性混血个体身上有生育能力下降的迹象时，相应的致病基因一般会存在于生殖组织特别活跃的区域中，导致精子功能障碍。

演化生物学家达文·普莱斯格瑞弗斯（Daven Presgraves）据此断定，对比精子细胞和人体其他组织细胞，现代人精子细胞内异常活跃的基因中，尼安德特人的血统应该较低，这点最终也被证实^[9]。

同样可以反过来理解，生殖细胞活跃基因中的尼安德特人血统被自然选择清除了，因此在现代人体内相应位置观察到的比例就很低。

3.杂交的隐患

为什么杂交混血会导致X染色体上的遗传变异大大降低呢？

从各种动物的研究中可以得知，如果两个动物种群的差异足够大，它们杂交后代就会出现生育能力下降的问题。对于哺乳动物来说，这种现象在雄性身上更为明显，而且与生育下降相关的遗传因素都集中在X染色体上^[10]。

这点与霍尔登法则（Haldane's rule）相契合。

1922年，进化生物学家霍尔登(J. B. S. Haldane) 在他的论文^[11]中写道：

“When in the offspring of two different animal races one sex is absent, rare, or sterile, that sex is the heterozygous [heterogametic] sex.”（ 当在两个不同动物类群的后代中，出现一种性别不存在、稀少或不育情况时，那种性别即为杂合性染色体性别）

“杂合性染色体性别”在人类体内表现为：雄性是杂合性染色体（XY），雌性则为纯合性染色体（XX）。

因此，霍尔登法则可以描述为：在人类后代中，男性更倾向不能存活或是不育。

当两个种群已经比较疏远，已经出现杂交后代生育能力下降的问题，但是他们还是发生杂交，就会出现强烈的自然选择——清除掉导致生育能力下降的遗传因素。

导致不育的基因集中在X染色体上，因此自然选择在X染色体上表现得特别明显。

很显然，自然选择更倾向保留具有现代人基因的后代，淘汰具有尼安德特人基因的男性后代，久而久之，X染色体的遗传差异也被降低到一个反常的水平。

其实，不仅混血后代的X染色体基因出现问题，我们体内的其他尼安德特人基因，也不受自然选择的青睐。绝大部分功能性的基因组上，都出现尼安德特人血统被清除的现象；相比之下，那些几乎没什么作用的“垃圾”基因组上，尼安德特人的基因痕迹更重。

2016年的一项研究公布了过去4.5万年里51个欧亚人的古DNA全基因组数据^[12]，在早期的样本中，尼安德特人的血统占比为3-6%——回想一下前文提到的Oase1，他的尼安德特人血统占比高达6-9%。

随着时间的流逝，经过自然选择对尼安德特人基因的清除，它们在现代人体内的占比已经下降到约2%左右。

4.末路挽歌

我在另一个回答中提过，尼安德特人可能起源于非常小的种群，有效人口（可生育）约为3000至12000。此后他们一直保持着非常低的人口数量，估计全部只有数万人，生活在分散的孤立小群体之中。

他们基因组的遗传多态性大概只有现代人祖先的1/4。一个物种的规模如此之小，在进化中可不是好事情，一些有害的突变很容易就在种群中扩散开来^[13]。

尼安德特人在与现代人的进化序列分离后，积累了大量的有害突变，对他们自己来说，导致物种走向了末路；对混血的后代来说，则产生了负面的影响。

所以，虽然尼安德特人和现代人发生了混血，但二者在生物不兼容的道路上，已经走了太远，生殖隔离的积累已经让两个物种不再适合互相融合。

尼安德特人和现代人祖先另外的一个故事

参考

1. ^ Richard E. Green, Johannes Krause, Adrian W. Briggs,等. A Draft Sequence of the Neandertal Genome[J]. Science, 2010, 328(5979):P.710-722.
2. ^ Prüfer K, de Filippo C, Grote S, et al. A high-coverage Neandertal genome from Vindija Cave in Croatia. Science. 2017;358(6363):655–658. doi:10.1126/science.aao1887
3. ^ 大卫·赖克.人类起源的故事（Who We Are and How We Got Here: Ancient DNA and the New Science of the Human Past）[M].浙江：浙江人民出版社，2019年.
4. ^ P. Moorjani et al., “A Genetic Method for Dating Ancient Genomes Provides a Direct Estimate of Human Generation Interval in the Last 45,000 Years,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the U.S.A.113 (2016): 5652–7.
5. ^ Fu, Q., Hajdinjak, M., Moldovan, O. et al. An early modern human from Romania with a recent Neanderthal ancestor. Nature 524, 216–219 (2015).
6. ^ M. Currat and L. Excoffier, “Strong Reproductive Isolation Between Humans and Neanderthals Inferred from Observed Patterns of Introgression,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the U.S.A. 108(2011): 15129–34.
7. ^ Patterson, N., Richter, D., Gnerre, S. et al. Genetic evidence for complex speciation of humans and chimpanzees. Nature 441, 1103–1108 (2006).
8. ^ J. Y. Dutheil et al., “Strong Selective Sweeps on the X Chromosome in the Human-Chimpanzee Ancestor Explain Its Low Divergence,” PLoS Genetics 11 (2015):e1005451.
9. ^ Sankararaman et al., “Genomic Landscape”; B. Jégou et al., “Meiotic Genes Are Enriched in Regions of Reduced Archaic Ancestry,” Molecular Biology and Evolution 34 (2017): 1974–80.
10. ^ J. A. Coyne and H. A. Orr, “Two Rules of Speciation,” in Speciation and Its Consequences, ed. Daniel Otte and John A. Endler(Sunderland, MA: Sinauer Associates, 1989), 180–207.
11. ^ Haldane, J.B.S. Sex ratio and unisexual sterility in hybrid animals. Journ. of Gen. 12, 101–109 (1922).
12. ^ Fu, Q., Posth, C., Hajdinjak, M. et al. The genetic history of Ice Age Europe. Nature 534, 200–205 (2016).
13. ^ I. Juric, S. Aeschbacher, and G. Coop, “The Strength of Selection Against Neanderthal Introgression,” PLoS Genetics 12 (2016):e1006340; K. Harris and R. Nielsen, “The Genetic Cost of Neanderthal Introgression,” Genetics 203 (2016): 881–91.