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青藏高原上的丹尼索瓦人DNA,在沉积物里找到了!

发现丹尼索瓦人化石和基因的白石崖溶洞。版权:张东菊,兰州大学
 
撰文丨戴 威
 
责编丨陈晓雪
 
记得去年《自然》杂志报导的夏河人吗?
 
从青藏高原的一块半截带着牙齿的下颌骨中,中国科学院青藏高原所、兰州大学等机构的研究人员通过古蛋白组学的分析,发现其含有丹尼索瓦人身上特有的变异蛋白质,判断出这块下颌骨属于丹尼索瓦人 [1]。
 
这标志着科学家们首次通过古蛋白组学的分析确认丹尼索瓦人在中国出现过,被认为是一个里程碑式的发现。
 
最近,科学家们在夏河人所在的白石崖溶洞有了更多重要发现。
 
2020年10月30日,兰州大学、中科院古脊椎动物与古人类研究所和青藏高原研究所等机构的研究人员宣布,白石崖溶洞确认有更多的丹尼索瓦人,他们生活的时间最早可追溯到10万年前,最晚可能至4.5万年前。通过对溶洞沉积物分析,研究人员成功提取并确认了属于丹尼索瓦人的线粒体DNA [2]。这一研究发表在今日出版的《科学》杂志。
 
这是在俄罗斯丹尼索瓦洞的材料外,首个成功获取的丹尼索瓦人线粒体DNA序列,是支撑丹尼索瓦人在亚洲地区广泛分布的一个有力证据。
 
丹尼索瓦人是谁?化石稀少,与尼安德特人关系近
 
“丹尼索瓦人”(Denisovans)这个名字听起来有些怪异。的确,这个名字源自俄文的 “丹尼索瓦洞”,本意是 “丹尼斯的洞穴。18世纪,一个名为丹尼斯的东正教教徒曾住在西伯利亚阿尔泰山上这个古老的岩洞里。
 
二十世纪后半叶,俄罗斯科学家在该洞内发现了丰富了古生物遗存,以及精美的石器。2008年,考古学家在这个洞穴找到一块人类指骨和一颗牙齿。两年后,来自德国马普所等机构的科学家从这截约5万前年的指骨上成功提取出DNA,认为其属于一个已经灭绝的人类分支,并将其命名为 “丹尼索瓦人” [3]。
 
随后,科学家们发现,丹尼索瓦洞内生活过不同时代的古人类,其中既有属于新发现的丹尼索瓦人,也有已知的尼安德特人,甚至还有这两种古人类的混血儿。洞内最古老的丹尼索瓦人距今约20万年,而距离我们最近的只有5万年 [4]。
 
尼安德特人与丹尼索瓦人都是已灭绝的古老型人类,根据不同计算方法,他们约于20万~75万年前在演化谱系上 “分家” [5-7]。
青藏高原发现的夏河人下颌骨。图源:[1]
 
和化石遍地开花的尼安德特人不同,丹尼索瓦人的形象成迷。
 
至今,我们所得到的全部明确是丹尼索瓦人的化石遗存,只有阿尔泰山丹尼索瓦洞发现的3颗牙、1块手指骨残片、1块颅骨残片,以及中国青藏高原的半块夏河人下颌骨 [1]。虽然我们很难通过化石形态了解这群古人的身形体貌,但遗传学分析却让我们找到不少丹尼索瓦人与其他人群交流的蛛丝马迹。
 
例如,丹尼索瓦洞的一块长骨碎片的DNA显示,这个约8~12万年前的古人有着丹尼索瓦人爸爸,妈妈则是尼安德特人 [8]。
 
再比如,现代西藏人体内变异的EPAS1基因很可能来自丹尼索瓦人 [9]。这种变异让他们的红细胞更会抓住氧气,从而适应高原缺氧生活。
 
而本次提取到丹尼索瓦人线粒体DNA 的白石崖,正是在青藏高原,也就是夏河人所在的溶洞。
 
深挖夏河人 “老巢”
 
白石崖溶洞遗址位于青藏高原东北部,属于甘肃省甘南州。科学家们能找到这一记录古人类历史的宝库,要感谢当地的僧人。
 
1980年代,在甘肃夏河县,一位僧人意外在修行的溶洞中找到一块半截带着牙齿的下颌骨。这块下颌骨既像人的,又不像人的,很可能属于某种古人类。经过几十年辗转,这块骨头最终成为兰州大学的收藏。2010年开始,兰州大学环境考古团队开始对这件化石和它的出土地——海拔3200余米的甘南白石崖溶洞遗址进行研究。
白石崖溶洞遗址发掘(夏欢,申旭科和张东菊)摄影:韩源源;版权:张东菊,兰州大学
 
古蛋白组学表明,这块神秘的白石崖下颌骨属于一位16万年前的丹尼索瓦人。研究人员将化石的主人命名为夏河丹尼索瓦人,简称为 “夏河人”。[1]
 
不过,因为确认夏河人为丹尼索瓦人的证据只是一个氨基酸的变化,科学家们希望能够挖掘出关于这块下颌骨的更多信息,因此兰州大学领导的团队在白石崖遗址及周边开展了多年研究。
 
本次刊于《科学》的论文就是对白石崖溶洞遗存的进一步研究。
白石崖遗址位于青藏高原东北方边缘,右图为发掘的探方位置。图源:[2]
 
遗址内,研究人员根据沉积物特征的不同划分了10个地层。他们从这些地层里共收集到1310块石制品和579块动物骨骼碎片。
 
那么如何判断遗址内沉积物和动物骨头的年龄呢?研究人员分别用光释光和碳14技术进行测年,发现白石崖溶洞遗址距今约3万~19万年。
 
出土物显示,当时古人的打制石器技术比较简单,有较多的刮削器,动物骨有砍砸和火烧的痕迹。
 
当然,更重要的是,研究人员从洞里的沉积物中发现了丹尼索瓦人线粒体DNA。这也是在丹尼索瓦洞的材料外,首例成功复原的丹尼索瓦人线粒体DNA序列。
 
发现10万年和6万年前的古人类基因
 
沉积物DNA是近年新兴的分析技术,能帮科学家在没有化石的遗址内找到古人的遗传信息。2017年,《科学》一项研究曾报道了德国马普所的研究人员通过沉积物找到多个遗址中尼安德特人或丹尼索瓦人线粒体DNA的研究 [10]。
兰州大学的姚娟婷和陈晓珊在做沉积物DNA样品采集。摄影:韩源源;版权:张东菊,兰州大学
 
从沉积物提取DNA的技术,“一般用于人骨很不易发现的旧石器时代考古遗址”,论文的第一作者、共同领导该研究的兰州大学教授张东菊告诉《知识分子》。
 
而本研究的最后通讯作者——中科院古脊椎动物与古人类研究所研究员付巧妹及团队在2016、2017即开展了相关沉积物DNA研究工作。实际上,她的博士和博士后研究就是在专攻古DNA技术。在2015年全职回国后,付巧妹建立了自己的古DNA实验室,并在多个学术会议上介绍相关的技术,希望能够和国内的考古团队合作,一起揭开中国古人类的基因历史。
付巧妹,在德国马普所做博士和博后研究时就因高超的古NDA捕获技术被称为Magic Fu,现在她正带领着自己的古DNA研究团队,与合作者们一起揭开中国古人类的秘密。图源:付巧妹
 
因此,在白石崖遗址发掘前,张东菊带领的兰州大学团队邀请付巧妹一起开展沉积物DNA分析,他们一起制定了古DNA分析沉积物样品的采样计划,确保样品采集和运送过程中不会受到现代人类的污染。
 
虽然此前付巧妹研究夏河人的下颌骨发现其没有残留古人类DNA,但是在这次的沉积物样品中,她们发现了古人类的DNA!
 
通过高效的古DNA捕获技术,付巧妹团队尝试从一次性从35个样品中钓取242种哺乳动物和人类的线粒体DNA。
 
分析显示,沉积物中的动物古DNA,包括犀牛、鬣狗等灭绝动物,这是首次在夏河县区域发现它们的存在,拓宽了我们对这些灭绝动物栖息范围的认知。更重要的是,付巧妹团队还获得了古人类线粒体DNA,进一步分析显示其为丹尼索瓦人。
 
对发现DNA的沉积物所在的同地层测年确认,这些白石崖溶洞的丹尼索瓦人大致生活在距今10万年前和6万年前。另外,在距今3万~5万年的较浅地层里也发现了丹尼索瓦人的DNA,但研究人员表示,考虑到用来测年的沉积可能发生过重构,所以丹尼索瓦人是否曾生活在这个年代还不太确定。
发掘团队。从左起依次为:李婷,韩源源,张东菊,夏欢,陈晓珊,成婷,申旭科,蔺东鹏,姚娟婷,王建,汪建文,汪新兴。摄影:韩源源;图源:张东菊
 
为什么没有在更早的地层,特别是16万年前白石崖夏河人存活的时代找到丹尼索瓦人的基因呢?
 
“下颌骨化石也未提取到人类DNA,可能跟当时的保存环境有关,使人类DNA没有很好地保存。” 张东菊解释说。
 
她也表示,“在第10层即(距今)十几万年的地层有发现古动物的DNA。所以具体原因还需要进一步研究。”
白石崖溶洞遗址发现的动物骨骼。摄影:韩源源;版权:张东菊,兰州大学。
 
付巧妹告诉《知识分子》,他们未来会在古老的地层材料上多做一些工作。“可以肯定的是这一层(第10层),我的实验室做出来了当时古动物的DNA,所以它的环境是适合古DNA保存的。今后需要在这一层做更多点,看是否有希望做出更早的人类DNA。”
 
丹人在东亚的踪迹,正在慢慢揭晓
 
迄今为止,丹尼索瓦人只在青藏高原和阿尔泰山两个地方显露真容。
 
然而遗传学分析显示,他们在亚洲曾广泛扩散,并对现代亚洲人和太平洋岛屿居民有着基因渗透。通常来说,他们对亚洲大陆人的基因贡献远小于尼安德特人的2%,但对于美拉尼西亚、巴布亚等太平洋岛屿人群,丹尼索瓦人的基因贡献能高达2~4% [11,12]。
 
他们从哪里来,又到哪里去了?与本研究同期刊于《科学》的另一篇文章把目光投向早期亚洲现代人与丹尼索瓦人的交流 [13]。
 
论文作者分析了两个现代人化石的基因序列,分别是3.4万年前的蒙古Salkhit河谷化石和4万年前的中国北京的田园洞人。研究人员在两个化石中都找到了极少的来自丹尼索瓦人的基因片段(与尼安德特人的基因贡献相比,丹尼索瓦人的片段只占前者的7.5%和8.1%)。
 
作者表示,至少在4万年前,亚洲的现代人已经和丹尼索瓦人相遇并发生基因融合,并且,这一支丹尼索瓦人和影响了太平洋岛屿居民的丹尼索瓦人还不一样。然而,在4万年前或更早时丹尼索瓦人的生活轨迹仍基本成迷。
 
在青藏高原白石崖遗址研究中,丹尼索瓦人的DNA主要出现于距今10万年和距今6万年前后。这与阿尔泰山年代较晚的丹尼索瓦人存在时间较近,基因序列也更相似。同时,遗址中出土了制作技术简单的石器以及有砍砸、火烧痕迹的动物骨。至于生活细节,我们只能去想象了。
白石崖溶洞遗址发现的石制品。摄影:韩源源;版权:张东菊,兰州大学。
 
此次白石崖洞不同地层发现的丹尼索瓦人的线粒体DNA与夏河人下颌骨,表明丹尼索瓦人曾经长期在青藏高原一带活动。研究人员推测,高原空气稀薄,或许在这段时间内,丹尼索瓦人演化出了适应缺氧环境的遗传基础,并通过基因渗透把变异传给了后来居住藏地的现代人 [2]。
 
研究者也指出,现代人约在距今3~4万年前来到青藏高原,届时,白石崖岩洞的丹尼索瓦人是否还在?他们是否在此相遇?这些谜团,未来随着更多考古证据的出现,将逐步得到揭晓。
 
参考资料
 
[1]Chen, F.; Welker, F.; Shen, C.-C.; et al. (2019). "A late Middle Pleistocene Denisovan mandible from the Tibetan Plateau" . Nature. 569 (7756): 409–412.
 
[2]Zhang et al. Denisovan DNA in Late Pleistocene sediments fromBaishiya Karst Cave on the Tibetan Plateau. Science, (2020):370, 6516,pp.584-587.
 
[3]Krause, J., Fu, Q., Good, J. et al. The complete mitochondrial DNA genome of an unknown hominin from southern Siberia. Nature 464, 894–897 (2010). https://doi.org/10.1038/nature08976
 
[4]Douka, K. (2019). "Age estimates for hominin fossils and the onset of the Upper Palaeolithic at Denisova Cave". Nature. 565 (7741): 640–644.
 
[5] Reich, D.; Green, R. E.; Kircher, M.; et al. (2010). "Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia" (PDF). Nature. 468 (7327): 1053–60.
 
[6]Lao, O.; Bertranpetit, J.; Mondal, M. (2019). "Approximate Bayesian computation with deep learning supports a third archaic introgression in Asia and Oceania". Nature Communications. 10 (1): 246.
 
[7] Rogers, A. R.; Bohlender, R. J.; Huff, C. D. (2017). "Early history of Neanderthals and Denisovans". Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (37): 9859–9863.
 
[8] Brown, S.; Higham, T.; Slon, V.; Pääbo, S. (2016). "Identification of a new hominin bone from Denisova Cave, Siberia using collagen fingerprinting and mitochondrial DNA analysis". Scientific Reports. 6: 23559.
 
[9]Huerta-Sánchez, E., Jin, X., Asan et al. Altitude adaptation in Tibetans caused by introgression of Denisovan-like DNA. Nature 512, 194–197 (2014).
 
[10] Slon et al. Neandertal and Denisovan DNA from Pleistocene sediments. Science.2017 : 605-608
 
[11] Browning et al.Analysis of Human Sequence Data Reveals Two Pulses of Archaic Denisovan Admixture.Cell. 2018. 173(1):6-7.
 
[12]Vernot, B.; et al. (2016). "Excavating Neandertal and Denisovan DNA from the genomes of Melanesian individuals". Science. 352 (6282): 235–239.
 
[13]Massilani et al. Denisovan ancestry and population history ofearly East Asians. Science, (2020):370, 6516,pp.579-583.



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