张家硕 曲悠扬 蔡大伟：古DNA技术在亲缘关系研究中的应用及进展

近年来，亲缘关系研究已然成为考古学、遗传学等学科关注的焦点，以家庭形态与亲缘结构为主题的相关研究成果颇多。在考古学领域，亲缘关系研究有着明确的内涵界定：狭义层面，它关注考古遗存中个体间的血缘或婚姻关系，深入剖析古代人群的亲缘纽带；广义而言，它涵盖考古遗存所映射出的继嗣关系、婚姻制度、居住模式等。

考古学和人类学对亲缘关系有多种不同的概念界定。其中最为普遍的观点是，亲缘关系是主要基于继嗣或婚姻而形成的血缘或姻亲关系。在这里为确保论述的精确性与严谨性，“亲缘关系”一词被严格限定为个体间的生物学关系，但在考古学和人类学语境下，亲缘关系所涵盖的社会关系范畴比这更为宽广。鉴于古DNA具有易被污染、内源性含量较低以及高度降解等特性，目前的技术手段能对一级、二级、三级亲缘进行有效鉴别，对四级及以上亲缘关系的确定仍存在较大困难，难以精准判定。具体而言，一级亲缘包括父母、子女以及亲兄弟姐妹，他们是与个体在遗传上最为紧密相连的亲缘个体。二级亲缘涉及叔、伯、姑、舅、姨、祖父母、外祖父母，以及同父异母或同母异父的兄弟姐妹，在遗传谱系中处于相对中间的位置。三级亲缘指表兄妹、堂兄妹、曾祖父母、外曾祖父母以及曾孙、曾孙女等，在遗传关联上相对较远。

亲缘关系等级图

探究考古背景下古代个体间的亲缘关系，对于了解古代人类社会的组织和形态具有重要意义。传统考古学在研究古代亲缘关系时，主要依赖于墓葬的相对位置、年代，墓葬形制与葬式等线索，辅以出土文字资料进行综合推断。这种间接的研究方法存在明显的局限性，其准确性难以保障。随着遗传学与计算生物学的发展，古DNA分析在考古学中的应用价值日益显现。作为人类遗传信息的重要载体，古DNA能够在分子层面重建人类的进化历程，并为研究古代个体间的生物学亲缘关系提供重要证据。

多种科技考古学方法用以推测古代个体亲缘关系

近年来，古DNA研究成果不断涌现，成功揭示了古人的迁徙路线、人口动态以及不同群体间的复杂联系，为重建历史与深入理解人类进化开辟了新视角。这些宏观层面的信息对历史重建与人类进化研究意义非凡，但更为精细的人口与社会结构细节，始终是考古学家高度关注的议题。借助古DNA技术，开展横向比较可精准确定同一墓群中不同个体的亲缘关系，而纵向比较则能有效衡量不同年代、不同墓葬中个体间亲缘关系的远近程度，为解读古代社会结构提供关键线索。

体质人类学主要关注人类体质特征及其形成与发展规律，其研究重点不直接针对亲缘关系，但在具体研究实践中存在一些方法技术，能够间接地对亲缘关系进行分析，生物距离分析便是一种典型的方法。此方法基于一种假设，即有生物血缘的个体间在表型相似度上会显著高于无关个体。生物距离分析包括两种主要方式：其一，测量性特征分析，即考察具有亲缘关系个体在测量值上所表现出的大小与形状相似性；其二，形态性特征分析，依据特殊的形状特征来推断个体间亲缘关系的相关性。

在探究古代人群相互关系时，通常依据头骨、牙齿或头后骨等标志性形态特征，运用单性状分析、聚类分析或主成分分析等方法，对各变量的测量或非测量性状进行系统统计、比较与分析，从而推断不同地区人群间的亲缘关系。其中头骨测量性状因其应用范围广泛而备受关注，如高强等对仰韶文化史家墓地合葬墓的105个个体的颅骨测量值数据进行研究，发现同一个墓葬内的个体在遗传上具有密切联系，推测配偶或婚姻对象并未被一同葬入墓中，反映出史家人群重视血缘关系，淡化配偶或婚姻关系；郑州大学周亚威等在仰韶文化洄沟遗址研究中，发现了一处成年女性与婴儿的合葬墓，通过对该女性耻骨联合的观察，发现耻骨联合过长会增加难产风险，从而推断这很可能是一对因难产而亡的母子。

除了上述方法，稳定同位素分析也为探究个体间亲缘关系提供了新视角。通过稳定同位素分析可以获得个体生活的位置信息和婚后居住模式，可间接反映亲缘关系。锶和氧同位素的分布随着时间与空间的变化而存在差异性，若某一地区的人和动物体内的锶、氧同位素与骨骼出土的地层中的锶、氧同位素比值相同，那么该个体大概率就生活在这一地区，反之则可能在其他地方生活过。以山东大学董豫等对大汶口文化晚期傅家遗址人骨氧同位素的研究为例，发现男性和女性的氧同位素值并无明显差异，但是不同墓向的氧同位素值却存在显著差异，这一结果与古DNA分析的结论相呼应，表明傅家遗址中的男性和女性生活在相同环境中，男性个体均为母系氏族成员，未见外来配偶或入赘者。山东省文物考古研究院房书玉等对大汶口文化晚期焦家遗址的30多例人骨样本进行锶同位素分析，结果显示不同墓葬等级和性别的人骨锶同位素值存在显著差异。大型墓葬的主人均为本地人，未见外来人群，且人群迁移无明显性别偏好，性别比例处于合理范围，这种稳定性有效减少了因婚姻需求而产生的人口流动。

体质人类学与稳定同位素分析在一定程度上能为推断个体间亲缘关系提供线索，但也存在局限性，其较低的分辨率难以确认个体间具体的亲缘关系类型。在某些情况下，研究者最多只能根据墓葬的空间组织、墓葬的相对位置、墓葬随葬物品的关联以及年龄等信息来推测亲缘关系。

在古DNA技术分析的基础上，结合墓葬及其随葬品进行综合分析，能够研究当时的亲缘关系，进而有效复原和解读古代人群的社会结构。

基于短串联重复序列的亲缘关系推断

运用聚合酶链式反应（PCR）技术来进行基因分型，尝试推断古代个体间亲缘关系，开启了古代亲缘关系研究的新篇章。早期研究中，数量有限的短串联重复序列（short tandem repeats,STR）被广泛地用于推断亲缘关系。2003年，法国克里斯蒂娜·凯瑟-特拉克奎（Christine Keyser-Tracqui）等提取了蒙古国北部公元前3世纪—公元2世纪埃及戈尔（Egyin Gol Valley）墓地出土的62具人骨的DNA，首次利用母系、父系和双亲遗传标记构建墓地中个体的亲缘关系。对个体的常染色体STR进行扩增分型，结合后面要提到的Y染色体STR和线粒体DNA分析，确定了1对三联体关系即母亲、父亲和孩子，和3对兄弟姐妹的关系。研究发现了具有亲缘关系的古代个体集体埋葬的现象，这使考古学家能更好地了解埃及戈尔墓地中匈奴人的丧葬习俗。2015年，吉林大学崔银秋等对元代蒙古贵族的梳妆楼遗址进行了亲缘关系研究，研究显示M21中的男性和女性个体间拥有不同的STR分型数据，表明他们之间没有血缘关系，因而推测可能是夫妻。

基于线粒体DNA的亲缘关系推断

线粒体 DNA（mtDNA）因其高拷贝数以及仅通过母系传递给后代的特性，常被用作判断母系血缘关系的重要工具。2006年，吉林大学许月等对吐尔基山辽墓出土的人骨遗骸开展mtDNA研究，证实墓主的契丹贵族身份。2009年，中国社会科学院赵欣对辽西和内蒙古地区不同遗存中的古代个体的mtDNA进行分析，发现哈拉海沟墓地的8座合葬墓中，有2座合葬墓的个体都分别共享同一单倍型，表明他们具有相同的母系来源，其中M1两名墓主均为男性，年龄相仿，线粒体分型一致，因此推断可能为兄弟。2018年，北京大学张弛等对仰韶文化早期八里岗遗址二次合葬墓M13进行mtDNA分析，发现M13中的人群不是单一母系血统，很可能是收集了整个聚落不同家族长时期的人骨重新埋葬的，至少否定了一个合葬墓中的人群是一个母系家族一定时间死亡群体的假设。

基于Y染色体的亲缘关系推断

2009年，丹尼尔·瓦内克（Daniel Vanek）等人采用改良的硅提取技术，从欧洲7世纪晚期的遗骸中成功获得Y-STR分型数据。通过估算Y染色体单倍群来确定个体间的亲缘关系，并将所得Y染色体单倍型与现代人群进行对比分析。这是迄今为止从古代个体中获取Y-STR数量最多且数据最为完整的研究，为人类学、法医学以及考古学研究提供了极具价值的参考。2024年，吉林大学张家硕等利用古DNA技术对70年前失踪人员与疑似家属之间是否具有相同的父系亲缘关系进行研究。考虑到骨骼遗骸的保存状况，古DNA技术可以最大限度地提高DNA恢复的可能性，同时考虑到失踪人员和疑似家属是男性，Y-STR分析被认为是确定父系关系最合适的方法。研究结果显示，从这些疑似个体中获得的Y-STR基因型彼此相同，并且与失踪人员共享相同等位基因，说明失踪人员与疑似个体存在父系关系。

常染色体及性别染色体（X 和 Y）在家族谱系中的遗传特征

基于单核苷酸多态性（SNP）的亲缘关系推断

尽管线粒体DNA和Y染色体能够揭示个体间的母系或父系联系，但作为单亲遗传标记，它们在精确界定亲缘关系类型方面存在局限，无法明确具体的关系层级。相比之下，基于基因组水平的单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphisms, SNP）分析在解析个体间具体的一级、二级乃至三级亲缘关系上具有显著优势。2021年，北京大学宁超等对新石器时代晚期平粮台遗址中埋葬于房址附近的4个个体进行了古DNA研究，发现埋葬较近的M310、M311和M312属于同一个母系，个体之间互为二级亲缘关系，M311和M312可能是同母异父，且父系之间存在亲缘关系，为龙山时代存在近亲婚配提供了直接证据，表明龙山时代的基本家庭单位是超越核心家庭的扩展家庭，可能反映了在社会复杂化的进程中，家族正在逐渐替代氏族。2024年，德国马克斯·普朗克进化人类学研究所圭多·格内基·鲁斯科内（Guido Gnecchi Ruscone）等成功地整合了古DNA、考古学、人类学和稳定同位素信息，构建出一个详尽的谱系分析，他们发现阿瓦尔人社会实行严格的父系制度，父系成员与异族女性通婚是普遍现象，多重生育伴侣和寡妻结合也是常见习俗。在这种制度下，男性通常留在父系社区，而女性通过与外部社区缔结婚姻来推动社会关系发展。

随着古DNA技术的飞速发展，液相杂交探针捕获技术能够高效富集古代人骨材料中的内源DNA片段，在相同的测序条件下获取更多内源古DNA片段的详细信息。这一技术极大地推动了古DNA研究从传统的片段分析向更为全面的全基因组研究的转变，为遗传学和考古学研究提供了宝贵的资料。

 古 DNA 的提取、建库测序及生物信息学分析流程

为了精准判定古代个体间生物亲缘关系，目前主要采用法医遗传学和群体遗传学的分析方法，包括状态一致性法（identity by state,IBS）、矩量法（method of moment,MoM）血缘一致性法（identity by descent,IBD）和似然率法（likelihood ratio,LR）。

状态一致性法

当两个或多个个体的某一DNA片段具有完全相同的核苷酸序列时，该DNA片段即被视为状态一致（IBS），通过计算两个体之间的IBS等位基因个数进行亲缘关系判定。IBS法计算简单、数据直观、分析高效，适用于大型数据库中的家系检索。但IBS法不适用于DNA内源含量低和近亲婚配的个体，且IBS本身不具有定性功能，需要结合其他参数，如灵敏度、特异性、系统效能等进行证据解释。

矩量法

矩量法（MoM）是通过估算两个个体之间的亲缘关系程度，常用亲缘系数（Kinship coefficient,θ）、科特曼系数（Cotterman coefficients）、关系系数（relatedness coefficient）等参数进行衡量。亲缘系数是指从两个个体中随机抽取的两个等位基因具有相同后代的概率。科特曼系数是指两个个体在某个基因座有0、1、2个等位基因为IBD的概率，分别用k0、k1、k2表示。关系系数则反映两个个体在某个基因座的两个等位基因为IBD的概率。对常染色体遗传标记而言，亲缘关系越远的个体，其k0值越大。

PLINK和KING是目前常用的基于矩量法进行亲缘关系分析的软件。KING使用两个到多个个体的多态性数据和群体等位基因频率作为输入文件。但KING直接应用于从古代样本中获得的古基因组数据是存在局限的，例如由于古基因组的浓度低且测序覆盖率低，难以获得完整的古代样本二倍体基因型，其次缺乏合适的参考样本来准确估算群体等位基因频率。为了解决这一问题，古DNA亲缘关系研究常用的另一种策略是在每个SNP位点随机选择一个等位基因，重建一个假单倍体基因组。这样就可以从假单倍体基因型推断亲缘关系。

血缘一致性法

血缘一致性法（IBD）是指具有生物学亲缘关系的两个个体间共享相同的DNA片段或等位基因。由于减数分裂过程中，DNA发生组合、重组和交换，使得个体间同源DNA不断减少和稀释。因此亲缘关系越远，个体间同源DNA的比例就越低，IBD片段也越短。基于IBD法评估亲缘关系的软件有ANGSD、READ和TKGWV2等。大多数软件仅能识别出最多一级到三级亲缘关系，但不能精细区分一级亲缘关系为何种类型关系，例如不能区分亲子关系还是全同胞关系。而软件READ不仅可以精细区分一级亲缘关系，而且对基因组覆盖率为0.1倍的样本也可以推断出准确的亲缘关系。与READ相比，TKGWV2可以对超低覆盖率的古代全基因组数据进行亲缘关系评估。

亲缘关系评估软件 READ 流程图

似然率法

似然率法是通过计算在两种互斥假设条件下出现当前基因分型数据的概率之比来进行分析的方法。基于此分析策略开发的软件包括lcMLkin和NgsRelate，它们都可以从低覆盖率的全基因组数据中推断个体间的亲缘关系，其中NgsRelate还具备可以推断可能存在近亲婚配个体之间亲缘关系的能力。两种方法都需要等位基因频率数据作为参考依据。然而，由于古代人群的基因组数据有限，现代样本无法正确代表古代样本的情况，所参考的群体等位基因频率与真实的等位基因频率存在差异。因此在选择最佳现代参照人群时，应考虑与研究人群在历史上相关的人群，以提高分析结果的准确性和可靠性。

古DNA技术在揭示古代群体的起源、迁移以及个体间亲缘关系等方面发挥着举足轻重的作用。对于那些缺乏文字记载的社会，古DNA分析更是成为探究亲缘关系的关键核心证据。考古学家在研究亲缘关系时，主要聚焦于以下几个关键问题：墓葬内及相邻个体间的关联性、墓地布局的规则性、古代社会的继嗣制度（双系、父系或母系）以及亲缘制度与社会复杂化之间的相互作用机制。

随着全基因组分析技术的广泛应用与不断深化，古DNA分析不仅能够有力地支持形态学研究和考古学所得到的亲缘关系推断，甚至在面对证据稀缺的情况时，也能提供极具可靠性与说服力的判断依据。特别是在二次或多次葬的墓中，骨骼遗骸往往经历了处理、移动和碎裂等一系列复杂过程，此时唯有依赖DNA分析，才能准确无误地识别个体，并精准确定他们之间的潜在亲缘关系，从而深化我们对古代丧葬习俗的全面理解。此外，将基因组学数据、稳定同位素数据、碳氮测年数据与考古学资料进行有机结合，能够更加精确地重建古代人口结构，为深入探究古代社会组织形态提供关键且极具价值的线索。这种跨学科的综合研究方法，对于全方位揭示古代社会的复杂性与多样性，具有无可替代的重要作用与深远意义。