沒有骨頭，也有辦法檢測出古人類的DNA？

文章的第一作者Viviane Slon在處理沉積物樣本，以便提取DNA。Credit：Sylvio Tu?pke/馬普演化人類學研究所

撰文 | 陳曉雪

責編 | 李曉明

從6萬年前的尼安德特人到3萬年前的早期現代人類，到6500年前比利時最後一批採集狩獵者，再到5900年前比利時最早的農民，不同時代的多個人群都曾在同一個洞穴居住。

這是位於比利時東部的列日省（Liège），一處叫做Trou Al』Wesse的洞穴遺址。

有趣的是，在尼安德特人生活的地層，考古學家們並沒有發現任何尼安德特人的骨骼，尼安德特人標誌性的石制工具是他們判斷尼安德特人曾在此生活的主要依據。尼安德特人是一個曾經遍布歐洲的人群，大約在4萬年前滅絕，並與現代人類發生過混血。

最近，德國馬普演化人類學研究所Viviane Slon和其同事表示，他們從Trou Al』Wesse洞穴的沉積物中提取出了尼安德特人的DNA，從分子生物學的角度再次佐證了尼安德特人曾在此生活，而這些沉積物所在的地層就是此前被認為有尼安德特人存在的地層。

除了Trou Al』Wesse洞穴，研究人員還對分布在比利時、法國、西班牙、克羅埃西亞、俄羅斯等國家的6處古人類遺址的沉積物樣本進行了分析。這些樣本共計85份，時間跨度為1.4萬年前到55萬年前。結果發現，有4個遺址的泥土樣本存在尼安德特人的DNA，而丹尼索瓦洞——一個位於西伯利亞南部的阿爾泰山、被認為是丹尼索瓦人生存過的洞穴——的泥土樣本中也鑒定出了丹尼索瓦人的DNA。

「即使考古現場沒有骨骼遺存，也有可能通過這一方法檢測到人類群體的存在」，研究人員在論文中寫道。4月28日上線的《科學》（Science）刊登了這一研究。

「一個巨大的突破」

一直以來，人類演化的研究，無論是考古學家做形態學分析，還是古遺傳學家分析古人類的DNA，都離不開古人類的骨骼本身。但是，受限於久遠的年代、惡劣的儲存條件，發掘到人類的骨骼並不是一件容易的事。而且，很多時候，考古學家並不願意與古人類遺傳學家分享這些珍貴的骨頭，儘管提取古DNA需要的樣本量並不大——根據美國公共廣播電台的報道，根據現有的技術，提取古DNA需要的骨骼樣本量不到0.001盎司（大約28.4毫克）。

「這是一個巨大的突破」，在《科學》雜誌的一則新聞報道中，英國倫敦自然歷史博物館的人類學家Chris Stringer評論說，考古人員現在可以將檢測沉積物中的人類DNA作為一項常規工作了。

在這一報道中，德國馬普演化人類學研究所所長Svante P??bo進一步補充說，「我認為這項技術將成為考古學研究的一個標準工具，或許就像當年的放射性碳元素定年法一樣。」Svante是最早利用分子生物學研究古人類的開拓者之一，擅長開發新的方法和技術研究古人類，他也是這一研究的作者之一。

Svante P??bo展示從法國一個遺址採集沉積物樣本的位置。Credit：Christian Perrenoud

古DNA可以在永久凍土和溫帶洞穴的沉積物保存很長時間，科學家們早在14年前就報告了這一發現。2003年，丹麥哥本哈根大學的進化遺傳學家Eske Willerslev和同事發現，通過對西伯利亞的永久凍土和紐西蘭洞穴的沉積物做遺傳學分析，得到了多種植物以及已經滅絕的猛獁象、古馬、野牛、恐鳥的DNA。不過，他們當時使用是聚合酶鏈式反應技術（PCR），只能擴增特定的單個的DNA片段，得到的DNA片段的長度並不足以分辨出它們是古人類的DNA還是處理樣本時帶來的現代人DNA污染。

隨著高通量測序以及DNA雜交捕獲等技術的發展，Matthias Meyer和同事終於從沉積物中提取並鑒定出古人類的DNA。

幾個關鍵點

Matthias是馬普演化人類學研究所的研究員，該研究的通訊作者之一。與Svante一樣，他也擅長開發研究古人類演化的技術，曾在2008年開發了一種高效的提取古DNA的方法，從丹尼索瓦洞發現的一小段手指骨中得到了足夠高質量的DNA，並通過分析其線粒體DNA序列確認了一個新的古人群——丹尼索瓦人。

Matthias介紹，將沉積物研磨之後，他們從大約50毫升的沉積物中提取出了DNA，然後將所有的DNA片段轉為「DNA文庫」，這樣就可以擴增、測序所有的DNA片段。

根據DNA在細胞中位置的不同，人類和哺乳動物的DNA可以分為線粒體DNA與核DNA。「我們不會直接測序這些DNA片段，」Matthias強調，「而是先將疑似人類和其他哺乳動物線粒體DNA的片段『釣取』出來。」 這裡所說的「釣取」，就是富集DNA的過程。以「釣取」古人類DNA為例，研究人員先設計一條與現代人類相同的DNA單鏈的片段，將其作為「誘餌」模板，與DNA文庫中的DNA片段混合，這樣能夠與模板上的鹼基配對的DNA片段就被「釣」了出來。

那麼，為什麼研究人員釣取的是線粒體DNA，而不是核DNA呢？「因為線粒體DNA演化的速度非常快，比核染色體的DNA片段呈現出的信息更多，這使得它更容易確定這些DNA片段屬於哪個物種。」Matthias告訴《知識分子》。

接下來，Matthias和同事將測序得到的所有序列與已知的哺乳動物的線粒體DNA序列做比較，並根據哺乳動物的科（family）把它們區分開。最後，「進一步分析每個科的序列，並確定它們屬於哪些物種」，Matthias說。

Matthias介紹，這一過程需要大約兩周實驗室的工作，「但是80個樣本可以並行分析，因為很多步驟已經實現了自動化」。

擴大了研究古人類的可能性

雖然此次研究檢測到的都是已知人群，比如尼安德特人和丹尼索瓦人的線粒體DNA，但是「通過沉積物確定未知人群也是有可能的」，Matthias表示，「挑戰在於如何給他們一張『臉』，因為如果這個人群沒有骨骼的遺骸，我們也就不知道他們長什麼樣。當然，「如果同一層有工具或其他人工製品，我們至少可以知道他們使用什麼樣的技術」，Matthias說。

去年9月，在中科院古脊椎動物與古人類研究所舉行的一個學術交流會議上，Svante向在場的國內外學術結構的30餘位來自遺傳學、考古學、人類學和古環境學領域的專家簡要介紹了這一技術，提到他們已經可以實現通過沉積物了解到古人類DNA的存在。

目前，中國大部分古人類遺址都未做過古DNA的檢測實驗。「現在檢測到的DNA也不多，而且雖然有很多遺址點，（古人類骨骼）化石並不多，」 中科院古脊椎動物與古人類研究所研究員、古DNA實驗室主任付巧妹說，「這一方法擴大了我們研究古人類的可能性」。2013年，付巧妹和同事從生活在4萬年前的北京田園洞人的殘骸樣本中獲得第21號染色體的DNA和線粒體DNA，發現田園洞人與亞洲的現代人類更加接近。

考古遺址沉積物的DNA分析也是付巧妹團隊最近在考慮的一種方法。今年3月，中科院古脊椎動物與古人類研究所研究員吳秀傑和同事發現，10.5-12.5萬年前生活在河南許昌靈井鎮的許昌人，頭骨形態既有尼安德特人的特點又有東亞直立人的特點。

許昌人的真實身份到底是什麼？在接受國內媒體採訪時，吳秀傑曾表示，許昌人可能現代華北人的祖先。不過，也有學者表示許昌人很可能就是丹尼索瓦人。付巧妹說，她和同事已經嘗試從許昌人遺址中三個疑似人類的骨骼殘片中提取古人類的DNA，但沒有成功。目前，她的實驗室正在嘗試分析許昌人遺址中的哺乳動物骨骼以及沉積物，看到底能不能找到古人類的DNA。

感謝德國馬普人類歷史科學研究所博士後王傳超博士對文章提出的修改意見。

參考文獻：

Slon, Viviane, et al. "Neanderthal and Denisovan DNA from Pleistocene sediments." Science 356.6338 (2017): 605-608.

Meyer, Matthias, et al. "Nuclear DNA sequences from the Middle Pleistocene Sima de los Huesos hominins." Nature 531.7595 (2016): 504-507.

Wade, Lizzie. "DNA from cave soil reveals ancient human occupants."Science, 356.6336(2017): 363-363."

製版編輯：斯嘉麗丨

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