摘自《尼安德特人》
在波恩萊茵博物館的尼安德特人上的一小塊肩胛骨。多年來我們得到過太多令人失望的結果，所以我並不抱太大希望。無論我們怎樣提取，得到的十之八九都是自其出土約 140 年來滲入到骨頭中的細菌或人類的 DNA。但在電話裏，馬蒂亞斯聽起來很激動。他真的提取到了尼安德特人身上的遺傳物質？還是別抱過多期望為好。
來到實驗室，我發現馬蒂亞斯和拉爾夫·施米茨（Ralf Schmitz）在一起。這位年輕的考古學家曾幫助我們從存放在波恩的尼安德特人化石中取到一小塊肩胛骨。當他們給我看一串從測序儀中得出的 A、C、G、T 序列時，這兩人都情不自禁地笑了。我和他們以前都不曾見過這樣的序列。
對於外行來說，這似乎隻是一個由四個字母組成的隨機序列，事實上，它們是 DNA 化學結構的簡明表示，而作為遺傳物質的 DNA 幾乎存在於身體的每個細胞。DNA 的雙螺旋結構為人們所熟知，其中的兩股鏈由核苷酸腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥嘌呤和胞嘧啶組成，分別縮寫為 A、T、G 和 C。這些核苷酸的排列順序儲存著讓我們身體成形並維持各項功能運作的遺傳信息。我們所研究的特殊 DNA 片段是線粒體基因，即 mtDNA，它經由母親的卵細胞轉遞給後代。線粒體 DNA 的數百份拷貝都儲存在細胞內的微小結構——線粒體中，並且這些 DNA 攜帶的特定信息對於線粒體的產能來說十分必要。我們每個人都隻攜帶一種線粒體 DNA，它隻占了我們基因組的 0.0005%。由於我們的每個細胞均攜帶著成千上萬個同類型線粒體 DNA 的拷貝，所以特別容易研究。它不像我們攜帶的其他的 DNA 隻有兩份拷貝，一份來自母親一份來自父親，且均存儲在細胞核內。截至 1996 年，我們已研究了幾千份來自世界各地的人類線粒體 DNA 序列。通常這些序列會被拿來與第一個已確定的人類線粒體 DNA 序列進行比較，因而這個常見的參考序列可以用來編譯列表，展示不同位置的具體差異。讓我們大喜過望的是，從尼安德特人骨中得到的序列所包含的變化，不曾出現在之前研究過的數千份人類 DNA 序列中。我簡直不敢相信這是真的。
每每得到激動人心或意想不到的結果時，我的心中便會充滿懷疑。我會仔細檢查所有出錯的可能。也許有人用牛皮製成的膠處理了骨頭的某個部位，所以我們才會在實驗結果中發現牛的線粒體 DNA。但是這種可能很快被否定了。我們立即檢查了牛的線粒體 DNA（已經由別人完成測序），發現兩者之間存在非常大的差異。這個新的線粒體 DNA 序列顯然非常接近人類的序列，但與已經測過的幾千份人類 DNA 序列相比還是略有不同。我開始相信，這確實是首個提取並測序自一種已滅絕人類的 DNA 片段。
我們打開一瓶存放在實驗室咖啡廳冰箱裏的香檳。我們知道，如果我們所看到的真的是尼安德特人的 DNA，那麽自此便開啟了無限可能。也許有一天，我們真的能比較尼安德特人和現存人類的所有基因或任何特定的基因。當我穿過漆黑靜謐的慕尼黑走回家時（我喝了太多香檳無法開車），我簡直不敢相信所發生的事情。回到床上，我輾轉反側無法入睡。我一直在想尼安德特人的事情，以及我們剛剛獲得的那個線粒體 DNA 樣本。
圖 1.1 重建的尼安德特人骨架（左）以及現代的人類骨架（右）。照片來源：肯·幕布雷（Ken Mowbray），布萊恩·梅利（Blaine Maley），伊恩·塔特索爾（Ian Tattersall），加裏·索耶（Gary Sawyer），美國自然曆史博物館。
1856 年，達爾文的《物種起源》出版的前三年，在杜塞爾多夫以東約 10 千米處的尼安德特河穀，工人在清理采石場的一個小山洞時，發現了一個頭蓋骨和一些骨頭。他們認為這些骨頭來自熊。但幾年之後，這些遺骸被鑒定為來自一種已滅絕的人類。這是首次有人描述此類遺骸。此發現震驚了博物學界。多年來，關於這些骨頭的研究一直在持續開展，並且發現了更多類似的骨頭。這些研究想要知道尼安德特人是誰？他們是如何生活的？他們為什麽在大約 3 萬年前消失？在歐洲和尼安德特人共存的數千年間，我們現代的祖先與他們是如何互動的，他們是朋友還是敵人？尼安德特人是我們的祖先，抑或我們失聯已久的表親（見圖 1.1）？尼安德特人行為特征方麵的迷人細節對我們而言並不陌生，如照料傷患、舉行葬禮儀式，甚至創作音樂等。考古遺址的發掘結果告訴我們，相較任何現今的猿類，尼安德特人與我們更相像。那麽，到底有多像呢？他們是否會說話？他們是否是人類家族演化分支中走入末路的一個物種？抑或是，他們的一些基因流傳至今，現在仍隱藏在我們體內？這些問題都已成為古人類學的重要課題。可以說這個學科領域在那些骨頭從尼安德穀發現之時便開始建立，而現在已經可以從那些骨頭中得到遺傳信息了。
這些問題本身就足夠有趣。不過在我看來，尼安德特人的骨頭片段會帶來更大的驚喜。尼安德特人是現代人類最為近緣的已滅絕的親屬。如果研究他們的 DNA，我們無疑會發現他們的基因和我們的非常相似。幾年前，我的團隊對黑猩猩基因組中的大量 DNA 片段進行了測序。結果表明，在我們人類與黑猩猩共有的 DNA 序列中，隻有略高於 1% 的核苷酸存在差異。顯然，尼安德特人肯定比這個結果更接近於我們人類。但是（這令人倍感歡欣鼓舞），我們在尼安德特人的基因組中找到的這些差異，其中一定有一些會將我們區別於早期的人類祖先。這些祖先不僅僅是尼安德特人，還有生活在大約 160 萬年前的圖爾卡納男孩（Turkana Boy）、大約 320 萬年前的露西（Lucy）以及 50 多萬年前的北京人（Peking Man）。也正是由這些少數差異構成的生物學基礎，使現代人類誕生之後又演化出了全新的行為模式，包括出現迅速發展的技術、我們如今所熟悉的藝術形式，以及目前已知的語言和文化。如果可以研究尼安德特人的 DNA，那麽我們便可以解開以上所有謎題。懷揣著這樣的夢想（或幻想），我終於在旭日東升時進入夢鄉。
第二天，馬蒂亞斯和我都較晚才到實驗室。檢查完昨晚的 DNA 序列，確保我們沒有犯任何錯誤之後，我們坐下來，計劃下一步該做什麽。從尼安德特人化石中得到一小段看起來有趣的線粒體 DNA 序列是一回事，但要讓我們自己信服這是一個生活在（在如此特殊情況下）大約 4 萬年前的人類的線粒體 DNA，又完全是另一回事，更不用說讓世界上的其他人都相信了。過去 12 年的工作經驗讓我清楚地知道下一步該如何做。首先，我們必須重複試驗——不隻是最後一步，而是所有的步驟，從提取一塊新骨頭開始，從而證明我們所獲得的序列並非來自骨頭中嚴重損壞和曆經變化的現代線粒體 DNA 分子。其次，我們必須延伸線粒體 DNA 序列，這些序列是通過骨頭提取物的重疊 DNA 片段而得到的。這樣我們能夠重建一個更長的線粒體 DNA 序列，從而開始估計尼安德特人的線粒體 DNA 與當今人類相比是多麽不同。接下來的第三個步驟也是必需的。我自己經常要求，來自古老骨骼的 DNA 序列需要經由特別的證據證實——即在另一個實驗室重複試驗。在競爭尤為激烈的科學領域，這是一個不同尋常的步驟。我們肯定會因為宣稱獲得了尼安德特人 DNA 而被視為異類。為了排除實驗室中未知的錯誤來源，我們需要與一個獨立的實驗室分享一些珍貴的骨頭材料，並希望他們能重複我們的結果。我與馬蒂亞斯和拉爾夫討論了所有想法。我們製訂了工作計劃，並彼此發誓在研究團隊之外，每個人對於這項研究絕對保密。在確定我們所獲的結果真實無誤之前，我們不想引起關注。
馬蒂亞斯立即開始工作。他曾花了近三年時間試圖從埃及木乃伊中提取 DNA，不過均徒勞無果。這次前景看好，他信心滿滿。拉爾夫回到波恩後似乎有些沮喪，因為他隻能在那裏焦急地等待我們的結果。我試著專注於手頭的其他項目，但我很難將馬蒂亞斯在做的事完全拋於腦後。
馬蒂亞斯要做的事情並非都那麽容易。畢竟，我們處理的不是從活人血液樣本中提取的完整而純淨的 DNA。教科書中幹淨利落的雙鏈螺旋 DNA 分子，其核苷酸 A、T、G、C 以兩股糖-磷酸骨架互補配對（腺嘌呤與胸腺嘧啶，鳥嘌呤和胞嘧啶）。當儲存在細胞核和細胞線粒體之中時，DNA 不是一個靜態的化學結構，相反，DNA 不斷受到化學損傷、被複雜的機製識別和修複。此外，DNA 分子非常長。細胞核中的 23 對染色體中的每一個都包含一個巨大的 DNA 分子。一組 23 條染色體全部加起來大約有 32 億對核苷酸。由於細胞核有兩份基因組拷貝（每份拷貝存儲著一組 23 條染色體，分別繼承自我們的母親和父親），所以細胞核中包含約 64 億個核苷酸對。相較之下，線粒體 DNA 太小，隻包含約 16500 個核苷酸對。但考慮到我們的線粒體 DNA 是古老的，因而測序的挑戰極大。
無論是核 DNA 還是線粒體 DNA，最常見的自發損傷都是胞嘧啶核苷酸（C）失去氨基，然後變為一個核苷酸；這個核苷酸不是 DNA 自然產生的，它被稱作尿嘧啶（簡稱為 U）。細胞中有酶係統。酶係統會去除這些 U 並替換成正確的 C。丟棄的 U 最終成為細胞垃圾。通過分析隨尿液排出的受損核苷酸，我們計算出每天每個細胞大約有 1 萬個 C 變成 U，這些都要被移除並加以更換。這隻是我們基因組遭受的幾種化學攻擊之一。例如，核苷酸會丟失，產生空的位點並導致 DNA 分子鏈迅速斷裂。在斷裂發生之前，有些酶會填補丟失的核苷酸。如果發生斷裂，其他酶會將 DNA 分子重新結合在一起。事實上，如果這些修複係統不複存在，我們細胞中的基因組連保持 1 個小時的完整狀態都做不到。
當然，這些修複係統的運作需要能量供給。我們死後會停止呼吸，體內的細胞耗盡氧氣，也就無法製造能量。DNA 的修複一旦停止，各種損傷會迅速積累。除了活細胞中不斷發生的自發化學損傷，一旦細胞開始分解，很多死亡後的損傷也會開始出現。活細胞的重要功能之一是保持酶和其他物質相互分離隔斷。有些隔斷中含可以切割 DNA 鏈的酶，這些酶對於某些類型的修複而言十分必要。其他隔斷中含有可以分隔 DNA 與各種微生物的酶，這些微生物有的會進入細胞，有的會被細胞吞入。一旦生物體死亡並耗盡能量，隔斷膜就會惡化分解，這些酶就會泄漏，並開始不受控製地降解 DNA。死亡後的幾小時到幾天內，我們體內的 DNA 鏈被切割成越來越小的碎片，而其他各種形式的損傷也逐步累積。同時，當我們的身體無法維持原有的隔離細菌的屏障時，生活在我們腸道和肺部的細菌開始失控生長。這些過程將一起最終摧毀儲存在我們 DNA 中的遺傳信息——這些信息曾調控我們身體的形成、持續運轉以及各項功能。曆經完這個過程，我們便失去了彰顯生物獨特性的最後一道痕跡。從某種意義上說，我們的肉體已徹底死亡。
不過，我們身體中的幾萬億個細胞，每個都幾乎包含整套 DNA。因此，隻要身體的某個角落有一些細胞內的 DNA 逃過被完全分解的過程，那麽就會留存下遺傳痕跡。例如，酶降解和改變 DNA 的過程需要水才能運作。如果我們身體的某些部分在 DNA 降解之前就變幹燥，酶降解和改變 DNA 的過程就會停止，我們的 DNA 片段有可能會保存很長時間。這種情況是可能發生的。例如，軀體存放在幹燥的地方而變成了木乃伊。這樣的全身幹燥有時是意外發生的，取決於生命終結時所處的環境；也可能是刻意為之。眾所周知，古埃及人經常將死者做成木乃伊。在大約 5000 至 1500 年前，為了能給他們的靈魂提供死後的棲身之所，數十萬人的屍體被做成了木乃伊。
即使沒有變成木乃伊，身體的某些部位，如骨骼和牙齒，可能在屍體埋藏之後長期保存。這些硬組織含有細胞，這些細胞位於用顯微鏡才能看到的小孔中，負責骨折後新骨的生成。當這些骨細胞死亡，它們的 DNA 可能外滲，並與骨頭的礦物成分結合在一起，從而阻止酶的進一步攻擊。因此，幸運的話，有些 DNA 可以避開身體死亡後的降解和損傷侵襲而殘存下去。
但是，即使有些 DNA 在死亡後的身體亂戰中幸存下來，其他進程仍會繼續降解我們的遺傳信息，盡管速度較慢。例如，來自太空的背景輻射不斷衝擊地球，進而產生了修改和破壞 DNA 的活性分子。此外，一些過程需要水的參與才能進行（如 C 失去氨基，生成 U），即便 DNA 被保存在相對幹燥的條件下，這些過程仍將持續。因為 DNA 有親水性，因此即使在幹燥的環境中，水分子還是會附於兩股 DNA 鏈之間的溝槽中，讓需水的自發性化學反應得以發生。C 失去氨基（去氨基）是其中最快的過程，它會破壞 DNA 的穩定，並最終打破 DNA 鏈。大部分這樣或那樣的過程，仍然未知。它們會不斷瓦解在細胞死亡浩劫中幸存下來的 DNA。雖然破壞速率取決於許多因素，諸如溫度、酸度等。但很清楚的是，即使在最好的條件下，使人之為人的遺傳程式的殘存信息終將被摧毀。那塊經過我和同事分析的尼安德特人骨頭，即便已經曆 4 萬年之久，所有這些過程還未完成終極破壞任務。
馬蒂亞斯得到了一個序列長度為 61 個核苷酸的線粒體 DNA。要做到這一點，他必須得到此 DNA 片段的多個拷貝。在這個過程中，他用到了聚合酶鏈反應（PCR）。為了證實我們的發現，他從重複初次所做的 PCR 實驗著手。這個實驗要用到兩條很短的合成 DNA 片段，我們稱之為引物（primer）。設計引物的目的是結合線粒體 DNA 的兩個部位，並讓 61 對核苷酸分開。這些引物與從骨骼中提取的少量 DNA 以及 DNA 聚合酶混合，這種酶能以引物為起點和終點，合成新的 DNA 鏈。加熱這個混合物使兩條 DNA 鏈解鏈，然後在混合物降溫之時，A 與 T 配對、G 與 C 配對，引物便能與目標序列結合。酶會以引物與 DNA 鏈結合為起點，合成 2 股新鏈、複製骨頭中原有的 2 股鏈，這樣 2 股原始鏈便變成了 4 股。這樣不斷重複擴增，可製造出 8 股、16 股、32 股等，總共可重複三四十次。
美妙絕倫的 PCR 技術威力巨大，由特立獨行的科學家凱利·穆利斯（Kary Mullis）於 1983 年發明。原則上一個 DNA 片段經過 40 個周期之後可獲得約萬億份拷貝，這才使我們的研究成為可能。所以在我看來，穆利斯理應獲得諾貝爾化學獎，而 1993 年他的確實至名歸地得到了。然而，PCR 的高靈敏度也使我們的工作變得困難。從一個古老的骨頭中獲得提取物，其中可能含有極少數幸存的古 DNA 分子，或者根本就沒有，甚或是包含一個或多個現代人的 DNA 分子，而這些 DNA 分子會汙染實驗：它們可能來自我們使用的化學品、實驗室的塑料製品或空氣中的灰塵。在人類生活或工作的房間裏，大多數塵埃顆粒中都含有人體的皮膚碎屑，而皮膚碎屑中都是滿含 DNA 的細胞。另外，處理骨頭的人，如博物館的工作人員或挖掘人員，他們的 DNA 也可能汙染樣品。正是基於這些方麵的考慮，我們選擇研究尼安德特人線粒體 DNA 中差異最多區域的序列。由於許多人的序列在這個特定的區域有所不同，我們至少可以知曉有幾個人的 DNA 納入了我們的實驗之中，並覺察出其中的差錯。這就是為什麽我們看到一個前所未有的 DNA 序列變化會如此興奮。如果序列看起來與當今人類相似，我們無法確定這到底意味著尼安德特人與當今人類的線粒體 DNA 確實是相同的，抑或是我們找到的隻是隱伏於某處（如一粒塵埃）的當今人類的線粒體 DNA 片段。
我對汙染這事太了解了。我從事古 DNA 的提取和分析方麵的工作超過了 12 年。古 DNA 主要來源於那些已滅絕的哺乳動物，如洞熊、猛獁象以及大地懶等。得到一連串令人沮喪的結果（在所有用 PCR 分析的動物骨頭中，幾乎都檢測到了人類線粒體 DNA）之後，我花了很多時間思考和設計方法，把汙染降到最小。因此，馬蒂亞斯在一個保持得尤為幹淨，且與實驗室其餘部分完全分離的小實驗室裏進行所有的提取和其他試驗，直到 PCR 的首個溫度循環。把古 DNA、引物以及其他必要的 PCR 組分都一齊放入試管中，並將試管密封起來，然後再將溫度循環和隨後的所有實驗移至常規實驗室進行。在潔淨實驗室裏，每周都用漂白劑衝洗一次所有東西的表麵；每天晚上都用紫外線照射實驗室，以破壞塵埃中攜帶的任何 DNA。馬蒂亞斯進入潔淨實驗室之前必須通過一個前廳，他和其他人在那裏穿上防護服、防護麵罩、發網和無菌手套。所有試劑和儀器都被直接送到潔淨實驗室，研究所其他地方的任何東西都不允許帶入實驗室。馬蒂亞斯和他的同事每天在潔淨實驗室開始一天的工作，而不是在我們實驗室的其他地方（那裏正在分析大量的 DNA）。一旦進入實驗室的其他地方，這些人當天就不許再進入潔淨實驗室。說得婉轉一點，我對控製 DNA 汙染已近乎偏執，且覺得理應如此。
即便如此，在馬蒂亞斯一開始的實驗中，我們還是看到了一些受現代人類汙染的證據。在使用 PCR 擴增骨頭中的線粒體 DNA 片段之後，他在細菌中克隆出了一批 DNA 拷貝——它們理應完全相同。他這樣做是為了觀察克隆出的分子中是否含有多種線粒體 DNA 序列。每個細菌中一段長達 61 個核苷酸分子的序列都會與一種名為質粒的載體分子結合，然後克隆出數百萬個細菌。每個克隆均攜帶首個細菌包含的 61 個核苷酸分子的拷貝。所以通過測序大量克隆，我們能夠概覽分子群體中存在的 DNA 序列差異。在馬蒂亞斯最初的實驗中，我們看到了 17 個彼此相似或相同的克隆分子，它們與已知的 2000 多個現代人類線粒體 DNA 有所不同（我們加入現代人類的線粒體 DNA 進行比較）。但我們也看到其中一個序列與某個當今人類的序列相同，這清楚地表明汙染的存在。汙染也許來自博物館館員或骨頭發現至今 140 多年來曾處理過它的其他人。
所以，為了重現原始結果，馬蒂亞斯首先便要重複 PCR 和克隆。這一次，他發現了 10 個帶有獨特序列的克隆，這讓我們興奮不已。還有 2 個克隆應該來自現代人類。然後他用骨頭再提取了一次，也做了 PCR 和克隆，得到了 10 個有趣的克隆以及 4 個看似是現代人類的線粒體 DNA。現在我們很滿意：我們的原始結果已經通過了第一項測試。我們可以重複結果，每次重複都能看到同樣獨特的 DNA 序列。
接下來，馬蒂亞斯開始“沿著”線粒體 DNA 一鼓作氣，用設計好的其他引物擴增與第一個片段有部分重疊的片段，而這個片段會進一步延伸到線粒體 DNA 的其他區域（見圖 1.2）。我們再一次從這些片段的部分序列中觀察到從未在當代人類中出現過的核苷酸改變。在接下去的幾個月裏，馬蒂亞斯擴增了 13 個大小不同的 DNA 片段，每個片段至少重複兩次。要想解釋這些序列談何容易，任何一個 DNA 分子會因為各種各樣的原因而攜帶突變：曾經的化學改變，測序錯誤，或者僅僅隻是某個人的某個細胞中的線粒體 DNA 分子出現了罕見的自然突變。因此，我們使用了我先前研究古動物 DNA 時所采用的策略（見圖 1.2）。我們能在每次實驗的每個位置上找到確切的共有核苷酸——就我們檢測的大部分分子而言，該位置上總攜帶有特定的核苷酸（A、T、G 或 C）。我們也要求在兩個獨立實驗中，每一個位置都是相同的。這是因為在極端的情況下，PCR 可能隻從一條單一的 DNA 鏈開始複製。在這種情況下，由於首次 PCR 循環中的一些錯誤，或特定 DNA 鏈的一些化學改變，所有的克隆會在同一位置帶有相同的核苷酸。如果在一個位置出現兩次 PCR 差異，我們就再重複做第三次 PCR，觀察哪種核苷酸會再次出現。馬蒂亞斯最終用 123 個克隆的 DNA 分子拚湊出線粒體 DNA 變異最大的由 379 個核苷酸組成的序列。根據我們之前已經確定的標準，這便是這個尼安德特人生前攜帶的 DNA 序列。一旦有了這個較長的序列，我們就可以開始激動人心的工作：將它與現代人類存在的變異進行比較。
圖 1.2 尼安德穀的尼安德特人的線粒體 DNA 片段重構。第一行是現代人類的參考序列，下麵的每一行代表從尼安德特人標本擴增而來的一個克隆分子。在這些序列與參考序列相同的地方，我用點來標示；在它們的核苷酸存在不同的地方，我就寫出來了。底部那行是重建的尼安德特人核苷酸序列。每個位置與參考序列的不同，我們均要求至少在兩個獨立的 PCR 實驗中（至少顯示其一）的大多數克隆中看到。Matthias Krings et al., “Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans,”Cell 90, 19–30 (1997)。
此時，我們將包含 379 個核苷酸的尼安德特人線粒體 DNA 序列與來自世界各地的 2051 個現代人的線粒體 DNA 序列進行比對。尼安德特人和現代人類之間平均存在 28 個不同位點，而現代人類彼此之間平均隻存在 7 個差異。尼安德特人線粒體 DNA 與現代人類的差異是現代人類之間的差異的 4 倍。
接下來，我們想要尋找一切可表明尼安德特人線粒體 DNA 與現代歐洲人線粒體 DNA 更為相像的跡象。有人可能會很想找到這樣的證據，畢竟尼安德特人曾在歐洲和亞洲西部演化和定居。事實上，一些古生物學家認為，尼安德特人是當今歐洲人的祖先之一。我們將尼安德特人的線粒體 DNA 與 510 個歐洲人的線粒體 DNA 進行比較，發現平均存在 28 個差異。接著我們將尼安德特人的線粒體 DNA 與 478 個非洲人以及 494 個亞洲人的線粒體 DNA 進行比較，他們的線粒體 DNA 平均差異也為 28 個。這意味著，以平均差異而言，歐洲人的線粒體並不比現代的非洲人和亞洲人的更接近尼安德特人。但也有人認為，尼安德特人遺傳了一些線粒體 DNA 給某些歐洲人，因此這些歐洲人中的線粒體 DNA 可能更接近尼安德特人的線粒體 DNA。我們進行了檢查並發現，樣本中最像尼安德特人的歐洲人線粒體 DNA，存在 23 個差異；最接近尼安德特人的非洲人和亞洲人分別存在 22 個和 23 個差異。總之，我們發現尼安德特人的線粒體 DNA 不僅非常不同於全世界現代人類的線粒體 DNA，且沒有任何跡象表明，尼安德特人的線粒體 DNA 和現今某個歐洲族群的線粒體 DNA 有著任何特殊的關聯。
然而，僅依據計算出的差異數目還不足以重建一段 DNA 的演化曆史。DNA 序列之間的差異代表了過去發生的突變。不過某些突變會更頻繁地發生，並且 DNA 序列中的某些位置也更易發生突變。在 DNA 序列的演化史中，這些位置可能發生過不止一次突變，尤其針對那些更為頻繁發生的突變。因此，為了評估這個特殊線粒體 DNA 片段的曆史，我們需要用模型來模擬線粒體 DNA 如何變異和演化，並謹記某些位置可能發生過不止一次突變，因此會掩蓋先前的突變。這番重建的結果可以用一張樹狀圖來呈現。分支頂端的 DNA 序列是共同祖先的 DNA 序列，樹上側分支的連接點為古 DNA 序列（見圖 1.3）。當重建完這樣一張樹狀圖時，我們發現，現今所有人類的線粒體均可溯源到一個共同的線粒體祖先。
圖 1.3 線粒體 DNA 的樹狀圖。圖中顯示了現代人線粒體 DNA 是如何溯源到共同祖先的（所謂的線粒體夏娃，圖中用圓圈表示）。較之於尼安德特人的共同線粒體 DNA 祖先，她存在的時間更為新近。我們用核苷酸差異來推斷各分支的順序，相關統計數字也支持所顯示的分支順序。改自：Matthias Krings et al.,“Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans,”Cell 90, 19–30 (1997)。
早在 20 世紀 80 年代，這一發現就因艾倫·威爾遜（Allan Wilson）的研究而為人所知。1對於線粒體 DNA 而言，這一追溯結果早在預料之中。因為我們每個人都隻有一種線粒體 DNA，且無法與群體中的其他人交換線粒體 DNA 分子。線粒體 DNA 隻能通過母親傳遞，如果一位女性沒有女兒，她的線粒體 DNA 血脈就會斷絕，因此每一代中都有一些線粒體 DNA 血脈消亡。這也意味著，曾經一定有這麽一個女人（所謂的線粒體夏娃），她攜帶線粒體 DNA 血脈，是當今所有人類線粒體 DNA 的共同祖先——但這純屬偶然，因為其他所有血脈自那時起都因為各種原因斷絕了。
但是，根據我們的模型，尼安德特人的線粒體 DNA 沒有回溯到這位線粒體夏娃，而是回溯到更早以前的現代人類的共同祖先。這一發現令人欣喜過望。毫無疑問，這表明我們的確已經找到尼安德特人的 DNA 片段；同時還指出，至少在線粒體 DNA 層麵，尼安德特人和我們大相徑庭。
我和同事一起用該模型估計尼安德特人線粒體 DNA 與現代人類線粒體在多久之前開始擁有共同祖先。這兩種線粒體 DNA 的差異數目表明了它們之間的代際時間長短。相隔很遠的物種的突變速率（如小鼠和猴子）會有所不同，但非常相近的物種之間（如人類、尼安德特人和類人猿）的突變速率很穩定。根據看到的差異，科學家足以估計出兩份 DNA 序列最晚擁有共同祖先的時間。通過線粒體 DNA 中不同類型突變的速率模型，我們估計目前所有人類的線粒體 DNA 祖先（線粒體夏娃），生活在 20 萬至 10 萬年前，這恰好與艾倫·威爾遜及其團隊的發現相吻合。然而，尼安德特人線粒體 DNA 和現代人類線粒體 DNA 的共同祖先則生活在大約 50 萬年前，也就是說，比現今人類線粒體 DNA 的祖先（線粒體夏娃）還要古老 3~4 倍。
這個發現很棒。我現在完全相信，我們已經得到了尼安德特人的 DNA，它與現代人類的 DNA 非常不同。然而，在公布這項發現之前，我們需要克服最後一道障礙：我們需要找到一個獨立的實驗室，重複我們所做的事情。這個實驗室不需要確定所有 379 個核苷酸的線粒體 DNA 序列，隻需要得到一個突變區域，這個區域攜帶有使尼安德特人與當今人類區別開來的一個或多個突變。這樣才能證明，我們確定的 DNA 序列真的存在於骨骼之中，而不是漂浮在我們實驗室裏的一些奇怪和未知的序列。但是，我們能找誰幫忙呢？這是個微妙的問題。
毫無疑問，許多實驗室都想參與這樣一個頗具前景且吸引人眼球的項目。不過我們有風險：如果我們挑選的實驗室不像我們那樣努力減少汙染和解決其他所有有關古 DNA 的問題，實驗人員可能無法成功提取並擴增到相關序列。如果發生了這樣的事，我們的結果會被認為是不可重複的，因而無法發表。我知道沒有人能像我們這樣，花大量的時間和精力在這類工作上，不過我們最終還是選擇了美國賓夕法尼亞州立大學群體遺傳學家馬克·斯托金（Mark Stoneking）的實驗室。馬克曾在伯克利的艾倫·威爾遜實驗室攻讀研究生並做過博士後。我在 20 世紀 80 年代後期做博士後時就結識了他。他是發現線粒體夏娃的幕後功臣之一，也是現代人類起源的“走出非洲”學說的構建者之一。“走出非洲”學說認為現代人類於 20 萬至 10 萬年前起源於非洲，然後分散到世界各地，沒有雜交便取代了所有早期人類，如歐洲的尼安德特人。我敬重他的判斷和正直，也知道他是一個隨和的人。此外，他的一個研究生安妮·斯通（Anne Stone），曾於 1992~1993 年間在我們實驗室工作。安妮是一位認真且雄心勃勃的科學家，曾與我們一起從美國原住民的遺骸中獲取線粒體 DNA，所以熟知我們的技術。我覺得如果有人能重複我們的結果，非她莫屬。
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