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2021年年末，《科學(xué)》雜志提名了十項(xiàng)年度科學(xué)突破，其中不少進(jìn)展與生命科學(xué)息息相關(guān)，而且充分展現(xiàn)了現(xiàn)階段科學(xué)突破中，生命科學(xué)與其他學(xué)科交叉碰撞出來的強(qiáng)大能量。

今天我們先來聊聊“古DNA”——生命科學(xué)技術(shù)與考古學(xué)能碰撞出什么火花。

說到DNA，大家或許都知道，DNA序列里的四種組成單位（堿基）A、T、C、G可以排列組合，組成復(fù)雜的生命遺傳密碼。

換句話說，解密了DNA里的遺傳信息，我們就能大概了解一個(gè)物種的全貌。

DNA簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)卻蘊(yùn)含了生命的大部分信息

對(duì)于現(xiàn)生的生物，我們可以通過直接觀察，知曉他們的長(zhǎng)相和習(xí)性；但在生命的歷史長(zhǎng)河中，還有很多生物是我們從來沒有見過的，比如已經(jīng)滅絕了幾萬年的猛犸象、劍齒虎，或者是已經(jīng)不復(fù)存在的古人類。

對(duì)于這些生物，我們只能通過有限的化石去推測(cè)、推想它們本來的樣貌，可能的生活習(xí)慣或者行為方式，這也是古生物學(xué)家和考古學(xué)家非常依賴化石、考古遺址的原因。

和你想象的不一樣，古生物學(xué)家面對(duì)的化石往往是像這樣殘缺的信息，甚至可能只有一小塊骨頭，圖為南方古猿“露西”的化石，通過這個(gè)化石古生物學(xué)家推斷出最早的直立行走人猿 | 圖源：Wikipedia

但這時(shí)候，生命科學(xué)家?guī)е鳧NA的研究橫空出世，通過采集木乃伊、化石這些考古材料上少量的DNA，還原出古生物的樣貌。從而能夠和考古學(xué)家們一起，回答一個(gè)我們熟悉的哲學(xué)問題：我，從哪里來？

古DNA的研究也就此誕生。

古DNA的研究方式其實(shí)和生物實(shí)驗(yàn)室提取DNA差不多：從化石等考古材料中刮取一定的粉末，再利用生物上提取DNA的方法，結(jié)合擴(kuò)增技術(shù)，把微量的DNA提取出來。其中的區(qū)別就在于要確保實(shí)驗(yàn)的高度潔凈，避免實(shí)驗(yàn)人員和微生物的DNA污染，要不然就會(huì)掩蓋掉本就不多的古DNA信息。

古DNA研究流程 | 圖源見右下角

相比于考古學(xué)需要完整的化石才能研究不同，古DNA研究的優(yōu)勢(shì)在于，只要有一小塊骨頭就能知獲取很多遺傳密碼、知道很多遺傳信息。

比如在西伯利亞發(fā)現(xiàn)的丹尼索瓦人化石，只有一塊小拇指指骨和一顆牙齒，但古生物學(xué)家通過古DNA測(cè)序，就能推測(cè)出她是個(gè)新發(fā)現(xiàn)的古人類女性，并構(gòu)建出這種古人類丹尼索瓦人的基因組。

最早的丹尼索瓦人化石，除了一顆牙齒，只有這一小塊指骨 | 圖源：Wikipedia

雖然只要一小塊化石可以提供足夠的古DNA做研究，但符合條件的古人類化石并不多。

這也是為什么古DNA研究開展了幾十年，對(duì)于像丹尼索瓦人和尼安德特人這樣的古人類，目前只產(chǎn)生了23個(gè)基因組——能取的化石基本都取完了，古人類的化石保存下來的可能很少，或者說我們現(xiàn)在挖掘得到的就比較少。

所以這個(gè)時(shí)候，生物學(xué)家們就開始“另辟蹊徑”了：如果某個(gè)洞穴里確實(shí)有古生物生活過，那是不是就可以不從化石入手，而是從洞穴本身來研究呢？

于是他們嘗試從土壤里提取DNA。其實(shí)對(duì)生物學(xué)家來說，提取土壤里的DNA并不陌生，比如環(huán)境DNA的研究，就會(huì)依據(jù)土壤里殘留的動(dòng)物DNA或植物DNA，或者海水里的生物DNA，來推斷這片環(huán)境有沒有生物存在過。

但是土壤里，會(huì)有古DNA嗎？

這個(gè)概念最早是環(huán)境DNA | 圖源網(wǎng)絡(luò)

2017年，研究者開始嘗試在土壤里提取DNA，再利用我們已經(jīng)知道的DNA序列去設(shè)計(jì)探針，抓取到想要的古生物信息。

舉個(gè)例子來講，這就像是尋找關(guān)鍵詞——比如在下面這么一大堆文字里，你想要找到“帶你用生命科學(xué)的角度看世界”這行字，就可以搜“帶你用”和“看世界”，就能輕而易舉把類似的文字找出來。

提取古DNA的過程也是這樣的，在混雜了土壤微生物、現(xiàn)在的動(dòng)物甚至是考古人員的DNA里，就要設(shè)計(jì)這樣的探針，來找到我們想要的古生物DNA。

隨著類似技術(shù)的不斷改進(jìn)，生物學(xué)家和考古學(xué)家們也利用這些技術(shù)在不同的洞穴里發(fā)現(xiàn)了越來越多的古人類信息，也就向著“我從哪里來的”這個(gè)終極問題又邁進(jìn)一步了。

這里給大家舉兩個(gè)有意思的例子，大家就知道這個(gè)技術(shù)為什么重要了。

一是去年我國(guó)研究古DNA的付巧妹團(tuán)隊(duì)和考古方向的張東菊?qǐng)F(tuán)隊(duì)的研究成果。在幾年前甘肅省青藏高原上的白石崖山洞里，他們發(fā)現(xiàn)了一塊古人類的下巴骨，但是上面幾乎沒有什么古DNA信息了，從形態(tài)上看也很難進(jìn)行判斷。

研究團(tuán)隊(duì)正在采集土層樣品 | 圖源：Science

因此2020年，通過剛剛我們說的洞穴土壤中提取古DNA的方法，提取到了242種不同時(shí)期哺乳動(dòng)物的DNA，再通過抓取的方法，找到里面的古人類信息。

他們分析出了這個(gè)洞穴曾經(jīng)居住過的古人類——竟然就是十幾年前在西伯利亞發(fā)現(xiàn)的丹尼索瓦人！這也說明這些古人類的生活蹤跡遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止在歐洲和西伯利亞，可能早已在遷徙到了中國(guó)區(qū)域，而且還能在青藏高原這樣寒冷缺氧的環(huán)境生存。

比對(duì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)非常接近古人類丹尼索瓦人

| 圖源：Zhang D, et al. Science, 2020.

另一項(xiàng)有意思的研究也是面臨著沒有化石的困擾：在西班牙的一個(gè)洞穴里，發(fā)現(xiàn)了五百多件古人類尼安德特人使用過的石器，以及一小塊古人類的腳趾頭化石，幾乎不可能從化石里提取古DNA來研究了。

但是通過土壤里的古DNA，研究者們發(fā)現(xiàn)了更多的尼安德特人個(gè)體，而且這些個(gè)體跨度從六七萬年前到十幾萬年前不等，非常豐富多彩。

通過和其他地方發(fā)現(xiàn)的尼安德特人基因組比較，研究者發(fā)現(xiàn)，十幾萬年的尼安德特人可能和現(xiàn)代人一樣有著不同的族群，遺傳多樣性很豐富，但是可能受到十萬年前一次冰川期的影響，結(jié)果只剩下一兩個(gè)群體了：而這樣復(fù)雜的古人類群體演變信息可以在一個(gè)洞穴的土壤里看到，這在幾年前是想都想不到的。

研究中的西班牙洞穴，以及土層中發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)古人類群體 | 圖源：Vernot B, et al. Science, 2021.

當(dāng)然，現(xiàn)在土壤里的古DNA研究仍然存在不少難題，需要生命科學(xué)和考古學(xué)一起來解決：如果只是隨便一抔土，可沒辦法提取有價(jià)值的古DNA；我們需要依靠考古學(xué)謹(jǐn)慎嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐翆觿澐郑^(qū)分不同土層的年代，才能在特定土層里提取到DNA；同時(shí)也需要生物學(xué)家構(gòu)建更好的古人類基因組，設(shè)計(jì)更高效的探針，才能找到這些古DNA信息。

深挖土壤古DNA背后的遺傳密碼，未來我們或許就能真正探索到我們的祖先：他們是怎么在一眾古人類中脫穎而出？是什么獨(dú)特的特征使他們成就了現(xiàn)在的我們？相信考古學(xué)和生命科學(xué)的交叉可以告訴我們答案。

參考資料

• Zhang D, Xia H, Chen F, et al. Denisovan DNA in late pleistocene sediments from baishiya karst cave on the Tibetan Plateau[J]. Science, 2020, 370(6516): 584-587.

• Vernot B, Zavala E I, Gómez-Olivencia A, et al. Unearthing Neanderthal population history using nuclear and mitochondrial DNA from cave sediments[J]. Science, 2021, 372(6542).