古DNA技術(shù)在親緣關(guān)系研究中的應(yīng)用及進展

近年來，親緣關(guān)系研究已然成為考古學(xué)、遺傳學(xué)等學(xué)科關(guān)注的焦點，以家庭形態(tài)與親緣結(jié)構(gòu)為主題的相關(guān)研究成果頗多。在考古學(xué)領(lǐng)域，親緣關(guān)系研究有著明確的內(nèi)涵界定：狹義層面，它關(guān)注考古遺存中個體間的血緣或婚姻關(guān)系，深入剖析古代人群的親緣紐帶；廣義而言，它涵蓋考古遺存所映射出的繼嗣關(guān)系、婚姻制度、居住模式等。

概念界定及意義

考古學(xué)和人類學(xué)對親緣關(guān)系有多種不同的概念界定。其中最為普遍的觀點是，親緣關(guān)系是主要基于繼嗣或婚姻而形成的血緣或姻親關(guān)系。在這里為確保論述的精確性與嚴謹性，“親緣關(guān)系”一詞被嚴格限定為個體間的生物學(xué)關(guān)系，但在考古學(xué)和人類學(xué)語境下，親緣關(guān)系所涵蓋的社會關(guān)系范疇比這更為寬廣。鑒于古DNA具有易被污染、內(nèi)源性含量較低以及高度降解等特性，目前的技術(shù)手段能對一級、二級、三級親緣進行有效鑒別，對四級及以上親緣關(guān)系的確定仍存在較大困難，難以精準判定。具體而言，一級親緣包括父母、子女以及親兄弟姐妹，他們是與個體在遺傳上最為緊密相連的親緣個體。二級親緣涉及叔、伯、姑、舅、姨、祖父母、外祖父母，以及同父異母或同母異父

的兄弟姐妹，在遺傳譜系中處于相對中間的位置。三級親緣指表兄妹、堂兄妹、曾祖父母、外曾祖父母以及曾孫、曾孫女等，在遺傳關(guān)聯(lián)上相對較遠。

探究考古背景下古代個體間的親緣關(guān)系，對于了解古代人類社會的組織和形態(tài)具有重要意義。傳統(tǒng)考古學(xué)在研究古代親緣關(guān)系時，主要依賴于墓葬的相對位置、年代，墓葬形制與葬式等線索，輔以出土文字資料進行綜合推斷。這種間接的研究方法存在明顯的局限性，其準確性難以保障。隨著遺傳學(xué)與計算生物學(xué)的發(fā)展，古DNA分析在考古學(xué)中的應(yīng)用價值日益顯現(xiàn)。作為人類遺傳信息的重要載體，古DNA能夠在分子層面重建人類的進化歷程，并為研究古代個體間的生物學(xué)親緣關(guān)系提供重要證據(jù)。

近年來，古DNA研究成果不斷涌現(xiàn)，成功揭示了古人的遷徙路線、人口動態(tài)以及不同群體間的復(fù)雜聯(lián)系，為重建歷史與深入理解人類進化開辟了新視角。這些宏觀層面的信息對歷史重建與人類進化研究意義非凡，但更為精細的人口與社會結(jié)構(gòu)細節(jié)，始終是考古學(xué)家高度關(guān)注的議題。借助古DNA技術(shù)，開展橫向比較可精準確定同一墓群中不同個體的親緣關(guān)系，而縱向比較則能有效衡量不同年代、不同墓葬中個體間親緣關(guān)系的遠近程度，為解讀古代社會結(jié)構(gòu)提供關(guān)鍵線索。

親緣關(guān)系等級圖

多種科技考古學(xué)方法用以推測古代個體親緣關(guān)系

人骨材料研究

體質(zhì)人類學(xué)主要關(guān)注人類體質(zhì)特征及其形成與發(fā)展規(guī)律，其研究重點不直接針對親緣關(guān)系，但在具體研究實踐中存在一些方法技術(shù)，能夠間接地對親緣關(guān)系進行分析，生物距離分析便是一種典型的方法。此方法基于一種假設(shè)，即有生物血緣的個體間在表型相似度上會顯著高于無關(guān)個體。生物距離分析包括兩種主要方式：其一，測量性特征分析，即考察具有親緣關(guān)系個體在測量值上所表現(xiàn)出的大小與形狀相似性；其二，形態(tài)性特征分析，依據(jù)特殊的形狀特征來推斷個體間親緣關(guān)系的相關(guān)性。

在探究古代人群相互關(guān)系時，通常依據(jù)頭骨、牙齒或頭后骨等標志性形態(tài)特征，運用單性狀分析、聚類分析或主成分分析等方法，對各變量的測量或非測量性狀進行系統(tǒng)統(tǒng)計、比較與分析，從而推斷不同地區(qū)人群間的親緣關(guān)系。其中頭骨測量性狀因其應(yīng)用范圍廣泛而備受關(guān)注，如高強等對仰韶文化史家墓地合葬墓的105個個體的顱骨測量值數(shù)據(jù)進行研究，發(fā)現(xiàn)同一個墓葬內(nèi)的個體在遺傳上具有密切聯(lián)系，推測配偶或婚姻對象并未被一同葬入墓中，反映出史家人群重視血緣關(guān)系，淡化配偶或婚姻關(guān)系；鄭州大學(xué)周亞威等在仰韶文化洄溝遺址研究中，發(fā)現(xiàn)了一處成年女性與嬰兒的合葬墓，通過對該女性恥骨聯(lián)合的觀察，發(fā)現(xiàn)恥骨聯(lián)合過長會增加難產(chǎn)風(fēng)險，從而推斷這很可能是一對因難產(chǎn)而亡的母子。

除了上述方法，穩(wěn)定同位素分析也為探究個體間親緣關(guān)系提供了新視角。通過穩(wěn)定同位素分析可以獲得個體生活的位置信息和婚后居住模式，可間接反映親緣關(guān)系。鍶和氧同位素的分布隨著時間與空間的變化而存在差異性，若某一地區(qū)的人和動物體內(nèi)的鍶、氧同位素與骨骼出土的地層中的鍶、氧同位素比值相同，那么該個體大概率就生活在這一地區(qū)，反之則可能在其他地方生活過。以山東大學(xué)董豫等對大汶口文化晚期傅家遺址人骨氧同位素的研究為例，發(fā)現(xiàn)男性和女性的氧同位素值并無明顯差異，但是不同墓向的氧同位素值卻存在顯著差異，這一結(jié)果與古DNA分析的結(jié)論相呼應(yīng)，表明傅家遺址中的男性和女性生活在相同環(huán)境中，男性個體均為母系氏族成員，未見外來配偶或入贅者。山東省文物考古研究院房書玉等對大汶口文化晚期焦家遺址的30多例人骨樣本進行鍶同位素分析，結(jié)果顯示不同墓葬等級和性別的人骨鍶同位素值存在顯著差異。大型墓葬的主人均為本地人，未見外來人群，且人群遷移無明顯性別偏好，性別比例處于合理范圍，這種穩(wěn)定性有效減少了因婚姻需求而產(chǎn)生的人口流動。

體質(zhì)人類學(xué)與穩(wěn)定同位素分析在一定程度上能為推斷個體間親緣關(guān)系提供線索，但也存在局限性，其較低的分辨率難以確認個體間具體的親緣關(guān)系類型。在某些情況下，研究者最多只能根據(jù)墓葬的空間組織、墓葬的相對位置、墓葬隨葬物品的關(guān)聯(lián)以及年齡等信息來推測親緣關(guān)系。

分子遺傳標記

在古DNA技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合墓葬及其隨葬品進行綜合分析，能夠研究當(dāng)時的親緣關(guān)系，進而有效復(fù)原和解讀古代人群的社會結(jié)構(gòu)。

基于短串聯(lián)重復(fù)序到的親緣關(guān)系推斷

運用聚合酶鏈式反應(yīng)（PCR）技術(shù)來進行基因分型，嘗試推斷古代個體間親緣關(guān)系，開啟了古代親緣關(guān)系研究的新篇章。早期研究中，數(shù)量有限的短串聯(lián)重復(fù)序列（shorttandemrepeats，STR）被廣泛地用于推斷親緣關(guān)系。2003年，法國克里斯蒂娜·凱瑟-特拉克奎（ChristineKeyser-Tracqui）等提取了蒙古國北部公元前3世紀一公元2世紀埃及戈爾 （Egyin GolValley）墓地出土的62具人骨的DNA，首次利用母系、父系和雙親遺傳標記構(gòu)建墓地中個體的親緣關(guān)系。對個體的常染色體STR進行擴增分型，結(jié)合后面要提到的Y染色體STR和線粒體DNA分析，確定了1對三聯(lián)體關(guān)系即母親、父親和孩子，和3對兄弟姐妹的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)了具有親緣關(guān)系的古代個體集體埋葬的現(xiàn)象，這使考古學(xué)家能更好地了解埃及戈爾墓地中匈奴人的喪葬習(xí)俗。2015年，吉林大學(xué)崔銀秋等對元代蒙古貴族的梳妝樓遺址進行了親緣關(guān)系研究，研究顯示M21中的男性和女性個體間擁有不同的STR分型數(shù)據(jù)，表明他們之間沒有血緣關(guān)系，因而推測可能是夫妻。

常染色體及性別染色體（×和Y）在家族譜系中的遺傳特征

基于線粒體DNA的親緣關(guān)系推斷

線粒體DNA（mtDNA）因其高拷貝數(shù)以及僅通過母系傳遞給后代的特性，常被用作判斷母系血緣關(guān)系的重要工具。2006年，吉林大學(xué)許月等對吐爾基山遼墓出土的人骨遺骸開展mtDNA研究，證實墓主的契丹貴族身份。2009年，中國社會科學(xué)院趙欣對遼西和內(nèi)蒙古地區(qū)不同遺存中的古代個體的mtDNA進行分析，發(fā)現(xiàn)哈拉海溝墓地的8座合葬墓中，有2座合葬墓的個體都分別共享同一單倍型，表明他們具有相同的母系來源，其中M1兩名墓主均為男性，年齡相仿，線粒體分型一致，因此推斷可能為兄弟。2018年，北京大學(xué)張弛等對仰韶文化早期八里崗遺址二次合葬墓M13進行mtDNA分析，發(fā)現(xiàn)M13中的人群不是單一母系血統(tǒng)，很可能是收集了整個聚落不同家族長時期的人骨重新埋葬的，至少否定了一個合葬墓中的人群是一個母系家族一定時間死亡群體的假設(shè)。

基于Y染色體的親緣關(guān)系推斷

2009年，丹尼爾·瓦內(nèi)克（DanielVanek）等人采用改良的硅提取技術(shù)，從歐洲7世紀晚期的遺骸中成功獲得Y-STR分型數(shù)據(jù)。通過估算Y染色體單倍群來確定個體間的親緣關(guān)系，并將所得Y染色體單倍型與現(xiàn)代人群進行對比分析。這是迄今為止從古代個體中獲取Y-STR數(shù)量最多且數(shù)據(jù)最為完整的研究，為人類學(xué)、法醫(yī)學(xué)以及考古學(xué)研究提供了極具價值的參考。2024年，吉林大學(xué)張家碩等利用古DNA技術(shù)對70年前失蹤人員與疑似家屬之間是否具有相同的父系親緣關(guān)系進行研究。考慮到骨骼遺骸的保存狀況，古DNA技術(shù)可以最大限度地提高DNA恢復(fù)的可能性，同時考慮到失蹤人員和疑似家屬是男性，Y-STR分析被認為是確定父系關(guān)系最合適的方法。研究結(jié)果顯示，從這些疑似個體中獲得的Y-STR基因型彼此相同，并且與失蹤人員共享相同等位基因，說明失蹤人員與疑似個體存在父系關(guān)系。

基于單核苷酸多態(tài)性［SNP］的親緣關(guān)系推斷

盡管線粒體DNA和Y染色體能夠揭示個體間的母系或父系聯(lián)系，但作為單親遺傳標記，它們在精確界定親緣關(guān)系類型方面存在局限，無法明確具體的關(guān)系層級。相比之下，基于基因組水平的單核苷酸多態(tài)性（SingleNucleotidePolymorphisms，SNP）分析在解析個體間具體的一級、二級乃至三級親緣關(guān)系上具有顯著優(yōu)勢。2021年，北京大學(xué)寧超等對新石器時代晚期平糧臺遺址中埋葬于房址附近的4個個體進行了古DNA研究，發(fā)現(xiàn)埋葬較近的M310、M311和M312屬于同一個母系，個體之間互為二級親緣關(guān)系，M311和M312可能是同母異父，且父系之間存在親緣關(guān)系，為龍山時代存在近親婚配提供了直接證據(jù)，表明龍山時代的基本家庭單位是超越核心家庭的擴展家庭，可能反映了在社會復(fù)雜化的進程中，家族正在逐漸替代氏族。2024年，德國馬克斯·普朗克進化人類學(xué)研究所圭多·格內(nèi)基·魯斯科內(nèi)（GuidoGnecchiRuscone）等成功地整合了古DNA、考古學(xué)、人類學(xué)和穩(wěn)定同位素信息，構(gòu)建出一個詳盡的譜系分析，他們發(fā)現(xiàn)阿瓦爾人社會實行嚴格的父系制度，父系成員與異族女性通婚是普遍現(xiàn)象，多重生育伴侶和寡妻結(jié)合也是常見習(xí)俗。在這種制度下，男性通常留在父系社區(qū)，而女性通過與外部社區(qū)締結(jié)婚姻來推動社會關(guān)系發(fā)展。

隨著古DNA技術(shù)的飛速發(fā)展，液相雜交探針捕獲技術(shù)能夠高效富集古代人骨材料中的內(nèi)源DNA片段，在相同的測序條件下獲取更多內(nèi)源古DNA片段的詳細信息。這一技術(shù)極大地推動了古DNA研究從傳統(tǒng)的片段分析向更為全面的全基因組研究的轉(zhuǎn)變，為遺傳學(xué)和考古學(xué)研究提供了寶貴的資料。

古DNA的提取、建庫測序及生物信息學(xué)分析流程

親緣關(guān)系研究中的生物信息學(xué)方法

為了精準判定古代個體間生物親緣關(guān)系，目前主要采用法醫(yī)遺傳學(xué)和群體遺傳學(xué)的分析方法，包括狀態(tài)一致性法（identity by state，IBS）、矩量法（methodof moment，MoM）血緣一致性法（identity by descent，IBD）和似然率法（likelihood ratio，LR）。

狀態(tài)一致性法

當(dāng)兩個或多個個體的某一DNA片段具有完全相同的核苷酸序列時，該DNA片段即被視為狀態(tài)一致（IBS），通過計算兩個體之間的IBS等位基因個數(shù)進行親緣關(guān)系判定。IBS法計算簡單、數(shù)據(jù)直觀、分析高效，適用于大型數(shù)據(jù)庫中的家系檢索。但IBS法不適用于DNA內(nèi)源含量低和近親婚配的個體，且IBS本身不具有定性功能，需要結(jié)合其他參數(shù)，如靈敏度、特異性、系統(tǒng)效能等進行證據(jù)解釋。

矩量法

矩量法（MoM）是通過估算兩個個體之間的親緣關(guān)系程度，常用親緣系數(shù)（Kinshipcoefficient，0）、科特曼系數(shù)（Cottermancoefficients）、關(guān)系系數(shù)（relatednesscoefficient）等參數(shù)進行衡量。親緣系數(shù)是指從兩個個體中隨機抽取的兩個等位基因具有相同后代的概率。科特曼系數(shù)是指兩個個體在某個基因座有0、1、2個等位基因為IBD的概率，分別用k0、k1、k2表示。關(guān)系系數(shù)則反映兩個個體在某個基因座的兩個等位基因為IBD的概率。對常染色體遺傳標記而言，親緣關(guān)系越遠的個體，其k0值越大。

PLINK和KING是目前常用的基于矩量法進行親緣關(guān)系分析的軟件。KING使用兩個到多個個體的多態(tài)性數(shù)據(jù)和群體等位基因頻率作為輸入文件。但KING直接應(yīng)用于從古代樣本中獲得的古基因組數(shù)據(jù)是存在局限的，例如由于古基因組的濃度低且測序覆蓋率低，難以獲得完整的古代樣本二倍體基因型，其次缺乏合適的參考樣本來準確估算群體等位基因頻率。為了解決這一問題，古DNA親緣關(guān)系研究常用的另一種策略是在每個SNP位點隨機選擇一個等位基因，重建一個假單倍體基因組。這樣就可以從假單倍體基因型推斷親緣關(guān)系。

血緣一致性法

血緣一致性法（IBD）是指具有生物學(xué)親緣關(guān)系的兩個個體間共享相同的DNA片段或等位基因。由于減數(shù)分裂過程中，DNA發(fā)生組合、重組和交換，使得個體間同源DNA不斷減少和稀釋。因此親緣關(guān)系越遠，個體間同源DNA的比例就越低，IBD片段也越短。基于IBD 法評估親緣關(guān)系的軟件有ANGSD、READ和TKGWV2等。大多數(shù)軟件僅能識別出最多一級到三級親緣關(guān)系，但不能精細區(qū)分一級親緣關(guān)系為何種類型關(guān)系，例如不能區(qū)分親子關(guān)系還是全同胞關(guān)系。而軟件READ不僅可以精細區(qū)分一級親緣關(guān)系，而且對基因組覆蓋率為0.1倍的樣本也可以推斷出準確的親緣關(guān)系。與READ相比，TKGWV2可以對超低覆蓋率的古代全基因組數(shù)據(jù)進行親緣關(guān)系評估。

似然率法

似然率法是通過計算在兩種互斥假設(shè)條件下出現(xiàn)當(dāng)前基因分型數(shù)據(jù)的概率之比來進行分析的方法。基于此分析策略開發(fā)的軟件包括lcMLkin和NgsRelate，它們都可以從低覆蓋率的全基因組數(shù)據(jù)中推斷個體間的親緣關(guān)系，其中NgsRelate還具備可以推斷可能存在近親婚配個體之間親緣關(guān)系的能力。兩種方法都需要等位基因頻率數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)。然而，由于古代人群的基因組數(shù)據(jù)有限，現(xiàn)代樣本無法正確代表古代樣本的情況，所參考的群體等位基因頻率與真實的等位基因頻率存在差異。因此在選擇最佳現(xiàn)代參照人群時，應(yīng)考慮與研究人群在歷史上相關(guān)的人群，以提高分析結(jié)果的準確性和可靠性。

古DNA技術(shù)在揭示古代群體的起源、遷移以及個體間親緣關(guān)系等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。對于那些缺乏文字記載的社會，古DNA分析更是成為探究親緣關(guān)系的關(guān)鍵核心證據(jù)。考古學(xué)家在研究親緣關(guān)系時，主要聚焦于以下幾個關(guān)鍵問題：墓葬內(nèi)及相鄰個體間的關(guān)聯(lián)性、墓地布局的規(guī)則性、古代社會的繼嗣制度（雙系、父系或母系）以及親緣制度與社會復(fù)雜化之間的相互作用機制。

親緣關(guān)系評估軟件READ流程圖

隨著全基因組分析技術(shù)的廣泛應(yīng)用與不斷深化，古DNA分析不僅能夠有力地支持形態(tài)學(xué)研究和考古學(xué)所得到的親緣關(guān)系推斷，甚至在面對證據(jù)稀缺的情況時，也能提供極具可靠性與說服力的判斷依據(jù)。特別是在二次或多次葬的墓中，骨骼遺骸往往經(jīng)歷了處理、移動和碎裂等一系列復(fù)雜過程，此時唯有依賴DNA分析，才能準確無誤地識別個體，并精準確定他們之間的潛在親緣關(guān)系，從而深化我們對古代喪葬習(xí)俗的全面理解。此外，將基因組學(xué)數(shù)據(jù)、穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù)、碳氮測年數(shù)據(jù)與考古學(xué)資料進行有機結(jié)合，能夠更加精確地重建古代人口結(jié)構(gòu)，為深入探究古代社會組織形態(tài)提供關(guān)鍵且極具價值的線索。這種跨學(xué)科的綜合研究方法，對于全方位揭示古代社會的復(fù)雜性與多樣性，具有無可替代的重要作用與深遠意義。

本文得到吉林大學(xué)研究生創(chuàng)新項目（項目號2025CX032）基金資助，特此致謝。

（作者張家碩、曲悠揚為吉林大學(xué)考古學(xué)院博士研究生；蔡大偉為吉林大學(xué)考古學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師）