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出非洲记：人类祖先的迁徙史诗 [:1700168578]
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意大利人的努力
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1944年，路卡•卡瓦利-斯福扎考入帕维亚大学学习药学专业，不久他放弃了药学专业，开始致力于遗传学的研究，先是研究细菌，尔后开始研究人类遗传学。在大学里，他的老师是著名的果蝇遗传学家布扎提•特拉维索。布扎提是杜布赞斯基[杜布赞斯基1900-1975年著名俄裔美籍遗传学家。]思想的追随者，杜布赞斯基也是理查德•莱旺廷的博士生导师。因此，他们的故事有着共同的开始。杜布赞斯基的主要研究方向是基因变异，特别是果蝇大范围的染色体色球重组。他是基因分析技术领域的开拓者，20世纪中期，他在纽约的实验室是生物学革命的发源地。关于基因变异，杜布赞斯基和他的学生们提出了一个全新的观点：在一个最优化的“自然类型”（一个在漫长时期内经自然选择创造的有机体的正常形态）和一个奇异的突变“异种”之间，并没有分界线。他们认为，原因非常简单，假如大多数突变“异种”都携带着有缺陷的基因“包裹”，那么变异的数量便会多到无法胜数，反过来证明，变异正是物种的正常状态，变异产生的过程正是进化的过程。在他们之前的研究者没有认识到，进化发生在包含着不同基因的“基因库”中，一个基因有时被复制，有时会丢失。
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在药学和果蝇变异研究这两个完全不同的背景下，为了解读不同人群的相互关系卡瓦利-斯福扎开始研究血液多态性，他的研究被后来的遗传学家们称为“经典的多态性”。那是20世纪的50年代，正是遗传学迅猛发展的时期，温斯顿和克瑞克[1953年4月25日．温斯顿和克瑞克在《自然》上发表文章首次报道了DNA双嫌旋结构为现代医学．生物学发展其定了基础。为此1962年他们与弗雷德里克•威尔肯斯结晶了DNA．并通过X-射线证实了双螺旋共同获得诺贝尔医学奖。]刚刚破译了DNA结构，自然科学的方法论推动了生物学的革命。和大多数遗传学家一样，卡瓦利-斯福扎在研究中应用了迅速发展的生物化学技术，但与他们不同的是，他同时应用了数学和统计学。多态性研究中出现的大量令人头晕目眩的数据，亟需一个内在连贯的理论系统，来分析和归纳这些数据。对统计学的应用，就像是在攀岩中有了结实的绳索。想像一下一组基因变异的画面：河床上遍布色彩各异的石头，大小如蜗牛壳，与果蝇的翅膀等长。一眼望去，这些变异似乎毫无规则、互不联系，如果在它们背后加上不同的背景，它们会变得更加复杂、混乱，多样性究竟在向我们展示着什么？
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20世纪50年代，面对自然的多样性，大多数生物学家下意识的反映是这出于自然选择的结果，对人类的多样性也不例外，就此优生学家已经说了很多。这一结果，很大程度上是因为人们确信有“自然类型”与“突变异种”之区别。自然类型是指一切“正常”的有机体，一些遗传性疾病（显然是“异常的”）似乎也证实这种观点是正确的。这些与遗传性疾病有关的基因，是最早被确定为变异基因的，因为按照达尔文的进化论，人可以被分为“适者”和“不适者”，遗传性疾病患者显然是“不适者”。但是，新的转变出现了：20世纪50年代，在美国从事研究的日本遗传学家木村资生，在遗传学的分析计算中使用了分析气体传播的方法，他继续沿着卡瓦利-斯福扎所开创的道路前行，他的努力最终将遗传学带离了“突变异种”的沼泽。木村资生注意到，由于随意取样的误差，人群基因多态性的频率会发生变化，这正是前文中所提到的“漂移”，在他的理论中令人兴奋的是，他发现漂移对基因变化频率的改变似乎是可以预测的。研究自然选择的困难之处，是产生进化改变的“速度”完全取决于选择的“强度”，假如基因变异与自然完全适合，那么它便会以很高的速率繁殖。但是，自然选择的强度是无法用实验测量的，因此变化的速率是无法预测的。在抛硬币的例子里，抛起10次得到了7：3的结果，假定硬币的正面代表一个基因变异，反面代表另一种，每一代的变化速率从50%增加到70%，意味着极强的对“正面”的选择。很显然，尽管这只是假设，但“正面”的比率增加到70%，与“正面”是否适应自然是没有关系的。
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这就是木村资生的独特见解，他认为大多数多态性都是以这种方式产生的：在与自然选择的关系中，它们是自由的，因此它们是进化过程的“中立者”。围绕这一理论，生物学家们的争论非常激烈。木村资生和他的拥护者认为，几乎所有的基因变异都与自然选择无关，但许多科学家仍然坚持认为它是自然选择的关键环节。尽管如此，漂移理论为多态性的研究打开了一个崭新的窗口。在新变化到来之前，让我们先回到中世纪，去作一次短暂的停留。
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出非洲记：人类祖先的迁徙史诗 [:1700168579]
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“奥卡姆的剃刀”
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奥卡姆的威廉（1285-1349年）是中世纪的学者，他是一名修士，坚信亚里士多德的观点：自然界选择最短的道路。利用一切机会，他与同事们就他个人对这个观点的理解进行辩论。著名的“奥卡姆的剃刀”原理为“如无必要，勿增实体”，在本质上，这个原理是关于宇宙的哲学观，即吝窗定律（亦称朴素定律）。在现实世界中，假如特定的事件均由特定的可能性引起，那么多个事件便由多个可能性引起，因此，复杂的事件不如简单的事件可靠。这一原理的核心是将自然世界的复杂性，分割成可理解的几个部分，趋向简单，避免复杂。以这个原理为指导，一个人要从迈阿密到纽约，他会选择从迈阿密直接飞往纽约，而不是绕行上海。
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也许确定行程计划只是举手之劳，但在黑暗的科学世界，要确定从何时何处着手却非易事。我们如何知道自然界永远选择最短、最简单的道路？“朴素”是自然界自我证明的语言？这本书的目的不是讨论朴素定律，但是种种迹象显示：自然常常趋向简单而避免复杂，尤其是当变化发生时。想一想一块石头从悬崖落到山谷时所选择的路线！自然界的引力，使它直接从高处快速落到低处，而不是把它中途送到中国去喝上一杯茶。
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因此，假如我们相信当自然发生变化时，它会选择从A点到B点的最短距离，那么我们就可以建立一个推断过去发生事件的理论。这是一个伟大的进步，它意味着我们通过观察当前能够推测出过去发生了什么。事实上，它像一台哲学的时间机器，能够将我们带回早已湮灭的时代。一台神奇美妙的机器！在这一点上，甚至达尔文早期的支持者赫胥黎都指责他的那个过于墨守成规的信念，即“自然不会发生突变”。
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1964年，卡瓦利-斯福扎和安东尼•爱德华兹合作出版了一本书，首次将吝啬定律应用于人类分类的研究。在书中他们提出了两个假说，在人类学研究的历史上，它们是两个当之无愧的里程碑，此后所有的基因多样性研究无不涉及这两个假说。第一个是：正如木村资生的“中立”理论，基因多态性完全是中立的，基因漂移引起基因速率的变化；第二个是：应用“奥卡姆的剃刀”原理来确定人群之间的相互关系，即以数量变化的最小化，来解释、分析掌握的数据。基于这些关键理论和他们称之为“最简单进化”的研究方法，他们画出了第一棵人类的“家谱树”，人群的相互关系反映在了一张图表中，越接近的基因速率联系得越紧密。
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卡瓦利-斯福扎和爱德华兹分析了世界各地15个人群的血型速率，用那个年代的奥利维第计算机经过艰苦的运算，他们得出的结论是：在“家谱树”上，非洲人处于最靠近“树根”的位置，欧洲人和亚洲人“丛生”在一起。这一结果，首次直接、清晰、令人震撼地反映出了人类的进化历史。卡瓦利-斯福扎谦虚地说，“分析结果有一些意义。”应用他们的研究方法，结果显示：欧洲的人群相互之间的关系，比他们与非洲人群间的关系要密切，新几内亚人与澳大利亚土著人之间联系更紧密等。把它们联系在一起的是相似的基因速率，这些速率随时间流逝有规律地变化（基因漂移的结果），这意味着，欧洲人群之间相互分离的时间，比欧洲人和非洲人分离的时间距现在更近。700年以后，老修道士的原理帮助人类学的研究进入了一个新的天地。有了这种区分人群的新方法，就有可能推算出不同人群分离的时间，推断人类进化的历程。1971年，卡瓦利-斯福扎和沃特•波曼[沃特•波曼英国著名遗传学家现为牛津大学赫特福德学院院长]首次进行了这方面的研究，他们推算出非洲人和东亚人的分离时间为4万1千年前，非洲人和欧洲人的为3万3千年，欧洲人和东亚人的为2万1千年。现在的问题是，我们无法确定他们对人群结构的假设是否合理。更关键的问题是，这些推断无法清晰地回答这一问题：我们从何处来？人类学的领域现在需要新的数据。
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出非洲记：人类祖先的迁徙史诗 [:1700168580]
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字母汤
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艾米尔•朱克坎德是从德国移居到美国的犹太人，他曾在加利福尼亚理工大学工作。在他的科学生涯中，他坚持致力于研究一个课题：蛋白质结构。在20世纪50年代和60年代，他长期在诺贝尔奖得主、著名生化学家里努斯•鲍林门下从事研究工作。他研究携氧血红蛋白分子的基本结构，选择这种分子是因为它在血液中含量丰富而且易于净化，另外很重要的一点是所有哺乳动物的血液中都含有血红蛋白。
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蛋白质由线形排列的氨基酸组成，小分子结构以独特的方式相结合形成蛋白质。有趣的是，尽管蛋白质在活动时外形像巴洛克建筑一样扭曲复杂，几个不同类型的蛋白质相互依附形成一个复杂的结构，但实际上它们很“单纯”，活动蛋白质的结构和功能完全取决于氨基酸的线性结合。组成蛋白质的氨基酸有20个，如赖氨酸、色氨酸等。
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朱克坎德注意到，在这些氨基酸的排列中，有一种现象非常有趣。他当时正在破译不同动物的血红蛋白，他发现这些蛋白质之间十分相似，一行中常常有10、12甚至30个同样排列的氨基酸。更令人惊奇的是，科属联系越密切的动物，它们蛋白质的结构就越相似。人类和大猩猩的血红蛋白，在氨基酸排列上仅有两处不同，而人类和马的不同达15处。对这种现象，朱克坎德和鲍林这样推断：分子结构提供了“分子钟”，通过氨基酸排列顺序的变化，它记载着从生命起源那一刻起，那些业已消逝的时间。1965年，在他们发表的一篇论文中，他们形象地将分子称为“记载进化历史的文件”。事实上，我们每个人的基因都堪称一部历史书，这些写在分子结构内的“语言”,向我们讲述着人类进化的过程，把我们带回生命开始的地方。分子就像我们的祖先留在我们基因组内的“时间舱”，我们所要做的，是学会如何使用它们。当然，朱克坎德和鲍林意识到了，蛋白质不是遗传变异的最佳“发言人”,这个光荣是属于DNA的。如果DNA的作用是转译蛋白质（事实正是如此）,那么无疑它最具研究价值。问题是研究DNA极其困难，得到一个排列顺序需要漫长的时间。到了20世纪70年代中期，沃尔特•吉尔伯特和弗雷德•桑格发明了快速获取DNA顺序的方法，并因此分享了1977年的诺贝尔化学奖。正是他们的研究成果，引发了一直持续到今天的生物学革命。2000年，人类基因图谱草图的完成，标志着这场革命达到了顶峰。DNA研究完全改变了生物学的固有观念，我们可以想像，它对人类学产生的影响有多么深远。
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出非洲记：人类祖先的迁徙史诗 [:1700168581]
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拥挤的花园
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到了20世纪80年代，应用分子生物学的新方法，我们对自身有了新的了解，这是一个关于人群的多样性的理论。它通过分子排列顺序来推测进化的时间，探求基因如何回答那个古老的问题―我们从哪里来。现在，这个领域需要的，是一个“胆大妄为”的新思路，也许再加上一点好运气。20世纪80年代早期，在加利福尼亚的旧金山海湾，这两点全部变成了现实。加利福尼亚大学伯克利分校的艾伦•威尔逊是澳大利亚生化学家，他应用分子生物学研究人类进化。当时，分子生物学已经成为生物学的一个新分支，以研究DNA和蛋白质为主。使用朱克坎德和鲍林的方法，他带领他的学生们用分子技术推测人类何时与猿类分离，他们还研究在适应环境的蛋白质产生的过程中，自然选择发挥了什么样的作用。威尔逊是一个具有创新精神的思想家，而分子生物技术的研究成果，为他的思想提供了更广阔的世界。在研究DNA序列时，分子生物学家们所面临的一个问题，是信息自我复制的功能。在我们的每一个细胞中，在基因组中，转译蛋白质的DNA，还有大多数目前我们尚不知其功能的DNA，它们全部具有两个“版本”。DNA存在于整齐、线状的我们称之为染色体的组织中，染色体有23对，它们存在于细胞核内。基因组的一个主要的奇异功能是“区室化”，就像计算机创建文件夹一样，一个文件夹中包含一个文件夹再包含一个。人类的基因组中约有30亿个核苷，我们需要找到一种直接有效的方法，来破译它们所携带的信息。正是这些信息，决定了为什么我们会有染色体，而且，它们和细胞核里的其他组织全都不同。
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为什么每个染色体都有两个“版本”？原因更加复杂，它与性别产生有关。一个精子使一个卵子受精，其主要变化过程，是父亲基因组的一部分和母亲基因组的一部分以50：50的比率相结合，形成新生命的基因组。用生物学的语言可以这样说：性别产生的一个原因，是每一代都形成新的基因组。重组产生的基因组，含有父亲和母亲各50%的成分，而父方和母方又从他们各自的父母双方那里各继承了50%的基因组。之所以能够发生基因重组，是因为染色体的线状结构，相对来说，这一结构使两对染色体易于从中间断开，与其他的重新组合，形成新的染色体。将父母双方的DNA重组，从进化的角度而言，它是一件“好事”，因为每一代都会产生多样化，确保如果环境发生变化，每一代人都有足够的能力做出反应。
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但且慢，也许有人会问，为什么这些经打断、再联结的基因组与先已存在的基因组不同呢？难道它们不是复制而来的吗？原因非常简单，因为它们之间完全不是彼此复制，在许多点位上都相互区别。这就像一台诡异的复印机，它们不断复制被复制过的信息，每一次复制都会产生少量无规则的错误，而每一次“错误”都会传递给“下一张”。这些“错误”正是前面我们提到的变异，而每一对染色体之间的区别便是我们所称的多态性。在染色体中，大约每1000个核苷会出现一个多态性，它们使染色体彼此区别。因此，当重组发生后，新的染色体与父母双方的类型都不相同。
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重组的革命性作用，打破了一片DNA上彼此相联的一系列多态性。同样，从进化的角度来说，这一多样性生产机器是件好事，但是，对于解读人类基因组这部历史书的分子生物学家来说，他们的工作却因此变得异常艰辛。由于重组，染色体上的多态性各自独立地发生变化。随着时间流逝，重组一次又一次地发生，成千上万代之后，我们共同祖先染色体中的多态性图谱已经完全消失了，后代的基因图谱经过反复的“洗牌”，再不可能找到最早的基因图谱。这为研究进化带来很大的困难，因为如果我们对祖先的基因图谱无从说起，我们根据什么在“奥卡姆的剃刀”原理下，对我们面前的基因多态性图谱进行简化？我们如何确定在形成面前的图谱的过程中，究竟发生了多少变化？在这种情形下，我们只能根据多态性发生的速率，利用“分子时钟”来推测过去。因为重组现象，在没有出现变异的地方也似乎发生了变异，因此这样推算出的共同祖先出现的时间，很可能比实际的时间要长。20世纪80年代早期，威尔逊和另外一些遗传学家有了一个新思路：假如从基因组之外，通过一种在细胞中随处可见、被称为线粒体的组织来研究染色体，有可能会避开重组为基因研究带来的巨大麻烦。有趣的是，线粒体这一无核的细胞组织也有自己的基因组，这是因为，它是数十亿年前最早的复合细胞进化的残留物。也就是说，它是被人类单细胞祖先吞噬的古老细菌，最初它只是细胞内的寄生虫，在随后的进化过程中，它成了细胞内产生能量的有用组织，现在它是流线型亚细胞的“发电厂”。幸运的是，线粒体的基因组只有一个“版本”，和细菌的基因组一样，它没有复制的能力，这意味着它不能进行重组―值得我们举杯庆贺！还有一点同样值得庆贺，不同于大约每1000个核苷一个多态性，在线粒体的DNA中，每100个便出现一个多态性。为了进行进化比较，多态性越多越好，因为每增加一个多态性，就多了一种将一个个体与另一个区别开来的可能性。我们不妨这样设想：如果只有一个多态性具有A和B两种形式，我们只能把人们分成群体：具有A变异的人群和具有B变异的人群。换句话说，如果有10个多态性，我们就会有更好的分类办法，因为不同的个体之间具有完全相同变异的概率会大大降低。也就是说，存在的多态性越多，就越有可能将不同的人群区分开来。所以，由于线粒体的DNA(mtDNA）的多态性比其他基因组的多态性多10倍，它为我们提供了一个很好的研究角度。
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瑞贝卡•卡恩在读博士时，曾经在威尔逊的实验室里工作过。她开始在全世界的范围内研究人类mtDNA变异图谱。利用伯克利的校方资源，她从不同的地区收集产后胎盘（其中含有极其丰富的mtDNA)，如欧洲、新几内亚、美洲等。她的目的是得出人类的变异图谱，并由此推测人类的起源。她的发现是非同寻常的。
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1987年，卡恩和威尔逊等人发表了第一个关于人类线粒体多样性的研究成果。他们首次应用吝啬原理处理人类DNA多态性数据，从中推断出人类的共同祖先、人类起源的时间。在论文摘要中，他们简洁明了地这样概括他们的研究成果：“可以设定所有这些线粒体DNA，共同起源于一个20万年前生活在非洲的女人”。当时这是一个轰动性的新闻，众多的媒体将这个女人称为线粒体夏娃，即人类的母亲。在他们画出的螺旋状结构里，她不是伊甸园里惟一的夏娃，但她是最幸运的夏娃。