太平洋深处的岛屿，家犬是怎么来的？
太平洋深处的岛屿，家犬是怎么来的？
本文来自微信公众号：科学杂志1915（ID：kexuemag），作者：张明，本文刊载于2021年第73卷第1期《科学》杂志，原文标题：《太平洋岛屿上家犬的来源》，题图来自：unsplash
太平洋是世界四大洋之首。在太平洋深处，如繁星般散布着2万多个大小岛屿，它们中的大部分与人类文明的第一次联系，是南岛语系人群不远万里、乘风破浪向大洋进发，在几千年的时间里逐渐构建起来的。最新的古基因组研究表明，南岛语系人群的祖先源自于中国南方大陆，但他们为何冒着一不小心就葬身鱼腹的巨大风险，坚定地向大洋深处挺进？他们是如何克服各种危险征服大洋，最终成为各个岛屿的主人？他们又是如何在资源匮乏的海岛上自给自足，顽强地繁衍下来？这些问题确实足以让人深思。
可以肯定的是，在征服大洋的过程中，他们并非孤军奋战，至少还携带着已经驯化的动物，包括家犬、家猪和家鸡等[1]，这些动物不仅是艰难旅途中的伙伴，更是定居岛屿后的重要生产资料和食物来源。研究这些家养动物的来源与扩散情况，同样可以为人群的起源与扩散提供重要线索和参考，为研究人类文明演进提供另一视角。
一、家犬的起源
在探究太平洋岛屿上的家犬来源前，我们先来了解一下家犬本身的起源。世界上所有的家犬均起源于灰狼（Canis lupus），这一观点已在动物分类学、考古学和遗传学等多个方面得以证实[2]。但是对家犬起源的地点和时间，仍存在极大的争议，主要争议点是东亚起源还是欧洲起源[3,4]。
一般认为，在物种的起源中心，物种会有更高的遗传多样性。研究人员通过比较全球范围的家犬群体遗传多样性后发现，东亚南方的家犬具有最高的遗传多样性，所以依据现代材料的遗传学研究认为，家犬可能起源于东亚南方[4]。而中国丰富的动物考古材料则显示，家犬在中国北方地区首先出现并广泛存在，中国南方家犬遗存出现的时间相对较晚且比较少见，所以考古学家们并不认同家犬起源于东亚南方这一观点[5]。
目前有关中国家犬的南方起源还是北方起源的问题，仍充满无法调和的矛盾，想要解决这两种观点的争议，最好的方法是将它们结合起来，而古DNA研究就提供了这种可能性。鉴于相关研究的重要科学价值与对其他研究的借鉴意义，我们近年来开展了中国古代家犬的古DNA研究工作。
为解决中国家犬起源的“南北”争议，我们开展了两个方向的尝试：一个方向是通过获取对“南方起源”具有重要意义的南方灰狼的基因组信息，来探究南方灰狼是否为现代家犬的直接祖先[6]；另一方向是利用古DNA技术，获取在中国南北方考古遗址里发现的家犬遗存的古DNA信息，来研究家犬的起源与扩散情况[7]。
二、南方灰狼基因组研究
基于遗传学的研究认为，家犬可能起源于中国南方[4]，所以获取中国南方灰狼的基因组或许能为家犬的南方起源假说提供证据[6]。
虽然灰狼曾广泛分布于中国的大陆地区，也包括绝大多数中国南方地区。但由于中国大陆的人口增长、经济发展和人为猎捕，导致野生动物种群数量急剧下降。包括灰狼在内的许多野生动物在野外已极其少见，基本无法获取新鲜样品进行DNA提取实验，所以想要获取南方灰狼的DNA信息，需要借助保存于博物馆中的狼皮样品。由于皮张样品在保存时经过特殊处理，且时间久远，博物馆保存的陈旧材料的DNA含量和质量也都远远不如新鲜材料，且包含许多来自于环境的污染。传统的DNA提取和测序方法，无法从这些样品里获得有效信息。但对于有些珍稀动物甚至已灭绝的动物来说，也只能借助于保存在博物馆里的陈旧标本材料来获取DNA信息。
针对这种情况，我们专门改良了古DNA实验室此前用于骨骼样品的方法，使之成功应用于博物馆陈旧狼皮样品的DNA提取实验中。最后一共获取6例博物馆狼皮样品的全基因组信息，其中有3例南方灰狼的覆盖度为12倍—37倍，这样的覆盖度数据甚至可媲美新鲜样品。
我们采用南方灰狼的基因组信息，并结合欧亚大陆及北美的狼的基因组数据，进行联合分析，通过与取自贵州、江西和浙江的南方灰狼样品的比对研究表明，它们并非现生家犬的直接祖先群体，而与其他灰狼种群的情况一致。
科学探究的过程总是充满着未知，但也经常会有意想不到的发现。虽然没有找到家犬的直接祖先，但我们发现中国南方的狼形成了一个单独类群，它是从西藏狼和中国北方狼中独立出来的。真正令人感到惊奇的是，虽然各种分析方法均表明浙江灰狼与南方灰狼聚为一枝，但浙江灰狼具有其它犬科动物12%—14%的基因组分，这种成分可能来源于中国南方和东南亚地区的豺，这暗示种间的基因交流可能对犬属动物的物种形成模式和种群结构塑造起到了关键作用[6]。
简化的灰狼系统进化关系树[6]
通过研究南方灰狼全基因组，寻找家犬野生祖先的尝试没有成功，这提示我们还需要更广泛地调查不同地区的灰狼群体，尤其是通过化石材料来研究可能已灭绝的群体。当然，目前的研究结果也不能否定家犬南方起源假说，因为此次研究的南方灰狼也并不一定代表历史上一直生存于此的灰狼群体。要弄清这一问题，仍需对在东亚南、北方的从古至今、不同区域获取的古代灰狼和家犬的个体材料，进行全面的古DNA遗传学研究。
三、中国家犬的古DNA研究
中国南方灰狼的全基因组研究结果，否认了这一群体与现生家犬的直接遗传联系，为进行全面的古DNA遗传学研究，我们收集了中国境内多个遗址的样品用于古DNA研究。虽然古DNA研究在国际上已发展多年，但在我国相关领域应用的时间还比较短，使用古代家犬个体的线粒体全基因组信息来研究家犬的起源与扩散情况，在国内属于首次，研究面临诸多困难。首先是材料收集，通过与多家考古研究单位（陕西省考古研究院、浙江省文物考古研究所和兰州大学等）的合作，最终获取了83个用于古DNA研究的样本（主要集中在长江黄河流域），经过古DNA实验，获得了其中26例距今7000—2000年的样品的高质量线粒体全基因组数据。
研究结果表明，在距今7000—2000年间，长江黄河流域普遍存在的家犬线粒体基因组序列类型，在长江以北的现生家犬中已十分少见。可能的解释是，距今2000年以来中国北方地区的家犬经历了比较大的种群替代。然而，有一些具有这种普遍存在类型的家犬，却在被替代发生前已经成功到达了太平洋岛屿、澳大利亚，以及西伯利亚东部。由于此次研究缺乏距今2000年以来的古代样品，所以仍不清楚具体发生替代的时间。长江黄河流域家犬种群增长情况，与中国距今10000—8000年在这一区域的社会生产生活方式，由狩猎采集转向农耕的时间相吻合。
家犬种群扩张的开始时间在约7500年前，可能原因是食物的增加造成种群的扩张，食物的增加也导致人类群体有所增长。小米（粟和黍，C4植物）在中国北方被驯化，但小米又是广泛分布于陕西、甘肃和青海的唯一C4农作物。研究中采集自陕西、甘肃和青海的样品，均有很强的C4信号，也从侧面说明这一区域的古人类在5000年前就主要以小米为食了，这些家犬可能以小米产品、人类遗弃的食物或者垃圾为生。而浙江的家犬给出的主要是C3信号，这与水稻在这一区域的发展相吻合。
以上研究表明，古DNA研究能够与其他研究很好地结合起来，并能发现一些重要信息，而这些信息此前依据动物考古学或现代遗传学研究则无法获得。
四、太平洋岛屿上家犬与澳洲野犬的扩散
世界上75%现生家犬有的线粒体基因组属于类群A。亚洲是这种类群最丰富的地区，包含全部的6种亚类群。来自于长江黄河流域的古代家犬绝大多数（96%）属于类群A，这种比例与现生的泰国家犬（100%）、澳洲野犬（100%）及欧洲殖民者到来之前的古代太平洋岛屿家犬（100%，后面简称太平洋岛屿家犬）相似，这提示我们，中国古代家犬可能与这些地区的犬类在历史上有某种联系。通过对这一类群个体进行更细致的研究，发现中国古代材料中的大多数属于亚类群A1b（69.2%），同时也发现澳洲野犬（100%属于A1b4）和太平洋岛屿家犬（95%属于A1b2）具有极高的A1b类群比例，这使我们相信它们之间确实存在着历史联系。基于线粒体基因组序列构建的邻接法网络关系图的研究发现，浙江田螺山的个体（距今约7000年）处于选取的117个亚洲和大洋洲亚类群为A1b个体的中间位置，可能代表它来自于A1b类群的祖先群体。基于这些明显的证据，我们开始专门研究太平洋岛屿家犬与澳洲野犬是否真的来自于长江黄河流域的古代家犬，以及它们是如何扩散的。
研究发现，澳洲野犬和太平洋岛屿上家犬的祖先来源，可以追溯到1万年前的长江黄河流域，这个时间节点是通过由线粒体基因组全长序列估算出的突变率（8.1941×10－8突变/位点/年）推算出来的。A1b类群中主要分支的共同最近祖先可以追溯到距今8000—6500年，其中包括太平洋岛屿家犬的A1b2类群与长江黄河流域古代家犬在约7200年前分离，与东南亚家犬在约6000年前分离。长江黄河流域的古代家犬与约5500年前的东南亚家犬的祖先群体相关，与约3300年前的库克群岛及其他太平洋岛屿家犬的祖先群体相关，以及与约2700年前新西兰和夏威夷群岛上家犬的祖先群体相关。A1b2类群有很广泛的地理分布，且与南岛语系相关的人群扩散路线和分布相联系。
此前的研究认为，前南岛语系人群在约6000年前从中国台湾或者附近的大陆地区向大洋扩散，在波利尼西亚发现的约3300年前的与拉皮塔文化（Lapita Culture）相关的人群也被认为是南岛语系族群，这暗示着前南岛语系、南岛语系和拉皮塔文化相关人群，起源于中国大陆沿海，再经中国台湾、菲律宾、美拉尼西亚西部，最后到达远太平洋地区，其起源时间可追溯到约6000年前，且与A1b2类群家犬的后半部分路线十分吻合。此前研究也认为，家犬在太平洋岛屿上的扩散可能与人群扩散相关联，综合所有证据，此次研究发现太平洋岛屿上的家犬可能起源于中国长江黄河流域，经由东南亚印度尼西亚一带，然后随拉皮塔文化人群一起到达太平洋岛屿上。
亚类群A1b的邻接法网络关系图[7] 浙江田螺山个体可能来自于A1b类群的祖先群体。
澳洲野犬（亚类群A1b4）的最近共同祖先，可以追溯到约6800年前。研究同样发现，贝叶斯系统进化树、网络关系图分析等，均支持澳洲野犬分为两个种群：一个是与3条新几内亚歌唱犬和一条中国湖南家犬聚为一枝的东南种群，另一个是与一条中国古代台湾家犬聚为一枝的西北种群。最可能的情况是，东南种群通过新几内亚岛扩散到澳大利亚，而西北种群通过中国台湾并最终到达澳大利亚，但它们的中间路线均不清楚。因此，只能说澳洲野犬的扩散可能在拉皮塔文化人群之前，就通过东南亚的岛屿到达澳大利亚。
欧洲殖民者到达前的太平洋岛屿家犬可能的扩散路线[7]
此外，我们还发现至少有一支与长江黄河流域古代犬相关的家犬群体向北扩散，在至少1800年前就已经到达白令海峡西部地区，也就是说，中国古代长江黄河流域的犬可能不仅向南扩散到太平洋岛屿上，也向北扩散了。结合对北美从阿拉斯加到格陵兰岛古代犬的研究[8]，我们发现，与长江黄河流域古代犬具有相似母系特征的犬，经过远东、阿拉斯加、加拿大北部，最后至少在500年前到达格陵兰岛。另外，我们获得一例4000年前的青海个体，属于欧洲非常常见的类型，说明早在4000年前欧洲家犬与中国家犬就可能已有联系，这与最新的基于全基因组研究的结果相符[9]。还有一个来自于陕西华县泉护村的个体，其母系特征为灰狼，但这一个体与其他家犬个体一同出土，结合同位素研究结果，表明这一个体可能是人类饲养了一段时间的灰狼。
四、结语
我们尝试用南方灰狼的全基因组信息和中国古代家犬的线粒体基因组信息，来回答家犬的起源问题，虽然研究结果并不能明确告诉我们家犬来自何处，但仍获得了一些很有价值的发现，如：A1b类群的家犬在中国古代家犬样品中非常常见，但有可能在距今2000年以来，被A1a类群的个体大量替代。在替代事件发生前，有一些A1b类群的家犬已成功扩散到澳大利亚、太平洋岛屿及东西伯利亚极地地区。研究发现，澳洲野犬和太平洋岛屿家犬，能够追溯到1万年前的长江黄河流域。澳洲野犬扩散到澳大利亚的时间早于南岛语系的拉皮塔文化人群，而欧洲殖民者到达前的太平洋岛屿家犬可能从长江黄河流域起源，经东南亚大陆、印度尼西亚到达太平洋深处的不同岛屿，这一类群的家犬可能随着前南岛语系人群和南岛语系人群一同扩散。
局限于样品来源和数据量，目前仍无法解答家犬本身的起源问题。这也提示我们需要更深入地研究，才能逐渐揭秘这一重大科学问题，但古DNA研究的应用已为这一领域提供了诸多研究思路。最近发表的大规模家犬古基因组研究[9]，也提示后期的研究还需要加入更多的东亚地区和相邻地区的古代灰狼或家犬的线粒体基因组和核基因组信息，特别是东亚南部的样品，这或许能够帮助了解家犬的遗传历史和扩散路线。
参考资料：
张明：博士后，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所，北京 100044。zhangming@ivpp.ac.cn
Zhang Ming: Postdoctor, Institute of Vertebrate Paleontology and Paleoanthropology, CAS, Beijing 100044.
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本文来自微信公众号：科学杂志1915（ID：kexuemag），作者：张明，本文刊载于2021年第73卷第1期《科学》杂志,《科学》杂志于1915年1月在上海问世，早年由任鸿隽，杨杏佛，胡明复，赵元任等学者编辑写作，是我国历史最长的综合性科学刊物。