DNA讲述了我们祖先的故事 - 我们如何与家庭团聚中熟悉的面孔以及更古老的事物有关：我们如何与最亲近的非人类亲属，黑猩猩相关;Homo sapiens如何与尼安德特人交配;以及人们如何从非洲迁移出来，适应新的环境和生活方式。我们的DNA也提供了关于人类进化中这些关键事件发生时间的线索。

当科学家说大约20万年前现代人类在非洲出现并在大约6万年前开始全球传播时，他们如何提出这些日期呢?传统上，研究人员根据化石和文物建立了人类史前史的时间表，这些时间表可以通过放射性碳测年和钾氩测年等方法直接确定。然而，这些方法要求古代遗骸具有某些元素或保存条件，但情况并非总是如此。此外，尚未发现人类进化中所有里程碑的相关化石或人工制品。

分析当前和古代基因组中的DNA为进化事件的约会提供了一种补充方法。由于某些遗传变化以每代稳定的速率发生，因此它们提供了经过时间的估计。这些变化就像秒表上的刻度一样，提供了“分子钟”。通过比较DNA序列，遗传学家不仅可以重建不同种群或物种之间的关系，还可以推断深度时间尺度上的进化历史。

由于改进了DNA测序，分析工具以及更好地了解遗传变化背后的生物学过程，分子钟变得越来越复杂。通过将这些方法应用于来自不同人群(现今和古代)的不断增长的DNA数据库，遗传学家正在帮助建立更加精细的人类进化时间表。

DNA如何积累变化

分子钟基于两个关键的生物过程，它们是所有可遗传变异的来源：突变和重组。

突变是DNA遗传密码字母的变化 - 例如，鸟嘌呤核苷酸(G)变成胸腺嘧啶(T)。如果它们发生在卵子，精子或它们的细胞前体(种系)中，这些变化将由后代遗传。大多数是由于DNA在细胞分裂过程中自身复制时的错误，尽管其他类型的突变是自发发生的，或者是由于暴露于辐射和化学物质等危害。

在单个人类基因组中，每代大约有70个核苷酸变化- 在由60亿个字母组成的基因组中是微小的。但总的来说，经过许多代，这些变化导致了实质性的进化变异。

科学家可以使用突变来估计进化树中分支的时间。首先，他们比较两个个体或物种的DNA序列，计算不会改变一个人生存和繁殖机会的中性差异。然后，知道这些变化的速度，他们可以计算累积这么多差异所需的时间。这告诉他们自个人共享祖先以来已经有多长时间了。

你和你兄弟之间DNA的比较会显示出相对较少的突变差异，因为你只是一代人之前共享祖先 - 妈妈和爸爸。然而，人类和黑猩猩之间存在着数百万的差异;我们最后的共同祖先生活在六百万年前。

重组，也称为交叉，是DNA累积随时间变化的另一主要方式。它导致基因组的两个拷贝(来自每个亲本的一个拷贝)的混洗，其被捆绑到染色体中。在重组过程中，相应的(同源的)染色体排列并交换片段，因此您传递给您孩子的基因组是您父母DNA的镶嵌图。

在人类中，每代发生约36次重组事件，每个染色体一次或两次。每当这一代都会发生这种情况时，从特定个体继承的片段会被分解成越来越小的块。根据这些块的大小和交叉的频率，遗传学家可以估计这个人多久以前是你的祖先。

根据变化构建时间表

突变和重组的遗传变化提供了两个不同的时钟，每个时钟适合约会不同的进化事件和时间尺度。

由于突变积累得如此缓慢，这个时钟对于非常古老的事件更有效，例如物种之间的进化分裂。另一方面，重组时钟以适合过去10万年内的日期的速率打勾。这些“近期”事件(在进化时期)包括不同人群之间的基因流动，有益适应的兴起或遗传疾病的出现。

尼安德特人的案例说明了突变和重组时钟如何一起用来帮助我们解开复杂的祖先关系。遗传学家估计，尼安德特人与现代人之间存在150万至200万的突变差异。将突变时钟应用于此计数表明这些群体最初在750,000到550，000年之间分裂。

那时，人口 - 两个人类群体的共同祖先 - 在地理和遗传上分开。该组织的一些人迁移到欧亚大陆，随着时间的推移演变成尼安德特人。那些留在非洲的人成了解剖学上的现代人。

然而，他们的相互作用还没有结束：现代人最终传播到欧亚大陆并与尼安德特人交配。将重组时钟应用于保留在当今人类中的尼安德特人DNA，研究人员估计这些群体在54,000到4万年前杂交。当科学家们分析了一个生活在4万年前的人类化石(Oase 1)时，他们发现了在Oase基因组中嵌入的尼安德特人祖先的大片区域，这表明Oase在四至六代之前就有一个尼安德特人的祖先。换句话说，Oase的曾祖父母是一个尼安德特人。

不稳定时钟的挑战

分子钟是进化计算的支柱，不仅适用于人类，也适用于所有形式的生物。但是有一些复杂的因素。

主要的挑战来自于突变和重组率并未在人类进化中保持不变的事实。费率本身在不断变化，因此它们随着时间的推移而变化，不同物种之间甚至人类群体之间也可能不同，尽管速度相当缓慢。这就像试图用不同速度下不同速度的时钟来测量时间。

一个问题涉及一种名为Prdm9的基因，它决定了那些DNA交叉事件的位置。人类，黑猩猩和小鼠中该基因的变异已被证明可以改变重组热点- 高重组率的短区域。由于Prdm9和热点的进化，人类和黑猩猩之间的细小重组率不同，非洲人和欧洲人之间也可能不同。这意味着在不同的时间尺度和不同的群体中，随着热点的发展，重组时钟的速率会略有不同。

另一个问题是突变率因性别和年龄而异。随着父亲年龄的增长，他们每年都会向他们的后代传递一些额外的突变。老年父亲的精子经历了更多次的细胞分裂，因此有更多的突变机会。另一方面，母亲传播的突变较少(每年约0.25个)，因为在她自己分娩之前，雌性卵主要是在同一时间形成的。突变率还取决于青春期开始，生殖年龄和精子产生率等因素。这些生活史特征因活着的灵长类动物不同而且可能在人类祖先的灭绝物种之间也存在差异。

因此，在人类进化过程中，平均突变率似乎已显着放缓。自人类和黑猩猩分裂以来数百万年的平均速度估计为每个站点每年大约1x10 - 7个突变- 或者每年约有6个DNA变异。通过将人和其他猿之间的核苷酸差异的数量除以它们的进化分裂的日期来确定，如从化石推断的那样。这就像通过将行进的距离除以经过的时间来计算您的行驶速度。但是当遗传学家直接测量活着的父母和孩子之间的核苷酸差异时(使用人类谱系)，突变率是另一个估计值的一半：每个站点每年大约0.5x10 -6，或每年只有大约三个突变。

对于尼安德特人与现代人类之间的分歧，较慢的速率提供了765,000-550,000年前的估计。然而，更快的速度将表明该年龄的一半，或380,000-275,000年前：一个很大的差异。

为了解决何时和何时使用哪种速率的问题，研究人员一直在开发新的分子钟方法，以解决突变和重组率的演变挑战。

更好约会的新方法

一种方法是关注无论性别，年龄和物种如何以稳定的速率出现的突变。对于遗传学家称之为CpG转换的特殊类型的突变，可能就是这种情况，C核苷酸自发地变成T'。因为CpG转换主要不是由细胞分裂期间的DNA拷贝错误引起的，所以它们的速率应该主要与生命历史变量无关 - 并且可能随着时间的推移更加均匀。

遗传学家最近关注CpG过渡，估计人类与黑猩猩之间的分裂发生在900-650万年前，这与化石预期的年龄一致。虽然在物种间的比较中，这些突变似乎更像发条而不是其他类型，但它们仍然不完全稳定。

另一种方法是开发基于性别和其他生活史特征调整分子钟率的模型。研究人员利用这种方法计算出与CpG估计和化石日期一致的黑猩猩 - 人类分歧。这里的缺点是，当涉及到祖先物种时，我们无法确定生命史特征，如青春期或世代长度，导致估计值存在一些不确定性。

最直接的解决方案来自对从化石中回收的古老DNA的分析。由于化石标本是通过地质方法独立定期的，遗传学家可以使用它们来校准给定时间段或人口的分子钟。

这一策略最近解决了我们与尼安德特人分歧的时间的争论。2016年，遗传学家从他们的智利人类分裂后，从43万年前的尼安德特人祖先化石中提取出古老的DNA。知道这些化石在进化树中的位置，遗传学家可以证实，在人类进化的这个时期，0.5x10 -6的较慢分子时钟速率提供了准确的日期。这使得尼安德特人与现代人类的分裂在765,000至550，000年前。

随着遗传学家们对分子钟的复杂性进行梳理并对更多的基因组进行测序，我们准备比直接从我们的DNA中学习更多关于人类进化的知识。