2021年，科學(xué)界有一個(gè)重要的突破值得被記上一筆——科學(xué)家們首次從世界不同洞穴遺址的沉積物，也是人們通常說(shuō)的“泥土”里，相繼獲取各種古熊、尼安德特古人類(lèi)、古歐亞人及多種古代哺乳動(dòng)物的核基因組。

這些研究為我們揭露出沉積物里埋藏著巨大的古DNA寶庫(kù)，為我們探索更多人類(lèi)演化的歷史細(xì)節(jié)以至遠(yuǎn)古豐富的生命世界打開(kāi)一扇扇新的窗戶(hù)。我們約請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所工程師平婉菁就這個(gè)話(huà)題和您聊一聊。

本世紀(jì)初在“泥土”中成功提取古DNA

在沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的生物骨骼遺骸的情況下，古DNA是否可以在考古遺址的沉積物中留存下來(lái)？

2003年，哥本哈根大學(xué)埃斯克·維勒斯列夫等成功從西伯利亞凍土和新西蘭洞穴沉積物中，提取到許多已滅絕的哺乳動(dòng)物和鳥(niǎo)類(lèi)的DNA片段，重建了該區(qū)域過(guò)去生物群落的多樣性。最重要的是，這項(xiàng)研究首次明確表明古DNA可以在沉積物中長(zhǎng)期保存，即使在溫帶條件下的洞穴沉積物里也保存了數(shù)千年時(shí)間，顯示出沉積物古DNA提取和研究的巨大潛力。

當(dāng)時(shí)，維勒斯列夫等運(yùn)用PCR方法對(duì)動(dòng)植物的基因片段進(jìn)行擴(kuò)增，來(lái)比對(duì)和鑒定出沉積物中古代動(dòng)植物的種類(lèi)，但是這一方法有著一定的局限性。

當(dāng)一個(gè)生物體死亡以后，它的DNA分子會(huì)不斷降解，比如微生物的分解、紫外線(xiàn)的輻射、氧化和水解的共同作用等等。隨著時(shí)間的推移，DNA斷裂成非常短的片段，片段的長(zhǎng)度常常小于100個(gè)堿基，這些短小的DNA片段難以用PCR方法有效擴(kuò)增。同時(shí)，古DNA的片段中存在各種損傷，這也被作為識(shí)別古DNA的一種方法。通過(guò)PCR擴(kuò)增方法，他們只能擴(kuò)增或復(fù)制特定的短鏈線(xiàn)粒體或葉綠體古DNA片段，且需要與已知數(shù)據(jù)庫(kù)的DNA序列進(jìn)行匹配，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在很高的失敗率和污染率。

然而，這仍然是一項(xiàng)創(chuàng)造性的工作，為我們了解和重建數(shù)萬(wàn)年以至數(shù)十萬(wàn)年前的生態(tài)系統(tǒng)提供了新的視角。

古DNA“再現(xiàn)”遠(yuǎn)古生態(tài)環(huán)境

2007年，科學(xué)家們?cè)購(gòu)母窳晏m島冰川底部的凍土中提取到古老針葉植物和昆蟲(chóng)的DNA，揭示距今約45萬(wàn)至90萬(wàn)年前森林的存在。

2009年，科學(xué)家又從阿拉斯加內(nèi)陸育空河南岸距今1.05萬(wàn)至0.76萬(wàn)年的沉積物里提取到已滅絕動(dòng)物的線(xiàn)粒體古DNA，表明猛犸象和馬群在該地區(qū)一直生存到至少1.05萬(wàn)年前，與最早進(jìn)入美洲的人群共存了數(shù)千年，這突破了已有化石記錄的時(shí)間范圍，并挑戰(zhàn)了當(dāng)時(shí)有關(guān)大型哺乳動(dòng)物滅絕的相關(guān)流行假說(shuō)。

隨著鳥(niǎo)槍法測(cè)序、二代測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn)和革新，科學(xué)家們對(duì)于沉積物古DNA的提取和研究有了更大規(guī)模的發(fā)展，為探究已滅絕動(dòng)植物的生存歷史及重建遠(yuǎn)古生態(tài)環(huán)境提供了更多可能。2016年，科學(xué)家們通過(guò)對(duì)阿拉斯加圣保羅島湖泊沉積物的研究，揭示猛犸象在此一直生存到約5600年前，因?yàn)闅夂蜃兣⒑Ｆ矫嫔仙龑?dǎo)致島內(nèi)淡水減少而滅絕。

通過(guò)沉積物古DNA重建相關(guān)地點(diǎn)的史前生態(tài)環(huán)境，研究也為探究人類(lèi)的活動(dòng)歷史提供了重要線(xiàn)索。2014年，科學(xué)家們利用阿爾卑斯山上湖泊沉積物中的古DNA重建6000多年來(lái)此地家畜群體和植被群落的結(jié)構(gòu)變化，揭示人類(lèi)放牧活動(dòng)的演變歷史。2015年，通過(guò)提取分析英國(guó)懷特島附近海底考古遺址沉積物里的古DNA，發(fā)現(xiàn)小麥在8000年前已傳播到英國(guó)，反映此地狩獵人群和歐洲南部農(nóng)業(yè)人群之間的交流活動(dòng)。2016年，通過(guò)提取分析勞倫泰德和科迪勒拉冰蓋之間的無(wú)冰走廊中部湖泊沉積物里的古DNA，發(fā)現(xiàn)這里直到1.26萬(wàn)年前才出現(xiàn)動(dòng)植物，結(jié)合該地區(qū)人類(lèi)存在的直接考古證據(jù)，表明人類(lèi)最早并非通過(guò)這條走廊進(jìn)入美洲。

從沉積物里“釣取”人類(lèi)線(xiàn)粒體古DNA

雖然以上這些研究通過(guò)沉積物里的古DNA，從不同方面反映出過(guò)去人類(lèi)的生存面貌，卻并未提取到遠(yuǎn)古人類(lèi)存在的直接DNA證據(jù)。因?yàn)橄噍^于動(dòng)植物和微生物來(lái)說(shuō)，沉積物里的人類(lèi)古DNA含量極其低微，還可能摻雜著大量現(xiàn)代考古發(fā)掘者的DNA污染，檢測(cè)和識(shí)別的難度更大。對(duì)此，德國(guó)馬克斯·普朗克進(jìn)化人類(lèi)學(xué)研究所的古遺傳學(xué)家們開(kāi)發(fā)了沉積物古DNA雜交捕獲的方法，為這一領(lǐng)域帶來(lái)新的突破。

2017年，馬蒂亞斯·邁耶等針對(duì)已知有滅絕古人類(lèi)（主要是指通過(guò)古DNA觀(guān)察到與現(xiàn)代人在遺傳上不同的人類(lèi)群體，我們的近親——尼安德特人和丹尼索瓦人）存在的地點(diǎn)開(kāi)展沉積物古DNA的提取和研究。他們從歐洲和西伯利亞的7個(gè)洞穴遺址收集了85例距今55萬(wàn)年至1.4萬(wàn)年的沉積物樣本，并成功通過(guò)雜交捕獲的方法獲取多例尼安德特人和丹尼索瓦人的線(xiàn)粒體DNA。

他們探索使用242種哺乳動(dòng)物（包括人類(lèi)）的線(xiàn)粒體DNA探針，從樣本中吸附、富集、分離出與哺乳動(dòng)物相似的DNA片段。這種技術(shù)的原理類(lèi)似“釣魚(yú)”，用特異性探針把目標(biāo)DNA片段“釣取”出來(lái)。通過(guò)分析，他們識(shí)別出滅絕的猛犸象、披毛犀、穴熊、洞鬣狗等12種不同的哺乳動(dòng)物。然而，要分離識(shí)別出滅絕古人類(lèi)的線(xiàn)粒體DNA卻非常困難。于是，他們改變了策略，重新使用專(zhuān)門(mén)針對(duì)人類(lèi)線(xiàn)粒體DNA的探針對(duì)所有DNA文庫(kù)重復(fù)了雜交捕獲實(shí)驗(yàn)，最終從8例樣本中分析識(shí)別出尼安德特人的線(xiàn)粒體DNA，從1例樣本中分析識(shí)別出丹尼索瓦人的線(xiàn)粒體DNA，這些結(jié)果都得到了相關(guān)地點(diǎn)考古記錄的驗(yàn)證。

2020年，中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所付巧妹團(tuán)隊(duì)運(yùn)用這一方法，從青藏高原白石崖溶洞10萬(wàn)年前至4.5萬(wàn)年前的數(shù)個(gè)地層沉積物里獲取了丹尼索瓦人的線(xiàn)粒體DNA，這是首次從丹尼索瓦洞以外的地點(diǎn)發(fā)現(xiàn)丹尼索瓦人的DNA，證實(shí)這一滅絕古人類(lèi)在晚更新世時(shí)期曾長(zhǎng)期生存在青藏高原。有趣的是，線(xiàn)粒體DNA分析顯示他們與丹尼索瓦洞的晚期丹尼索瓦人有最緊密的母系遺傳聯(lián)系，為進(jìn)一步理解丹尼索瓦人的遷徙、演化和環(huán)境適應(yīng)歷史提供了重要依據(jù)。

2021年取得獲取古核DNA巨大突破

不過(guò)，線(xiàn)粒體DNA能夠提供的遺傳信息非常有限，僅可追溯人類(lèi)母系遺傳的歷史，并不足以反映更為復(fù)雜的祖源成分。科學(xué)家們?nèi)栽谂μ剿鲝某练e物捕獲攜有更為豐富遺傳信息的核DNA，終于在2021年有了重要突破。

核DNA和線(xiàn)粒體DNA在結(jié)構(gòu)、功能和保存上都有很大的差異。拿人體細(xì)胞來(lái)說(shuō)，構(gòu)成人類(lèi)基因組的幾乎所有DNA都存在于細(xì)胞核里，核DNA由近30億個(gè)堿基對(duì)組成，每經(jīng)過(guò)一次換代便發(fā)生一次重組，因此同時(shí)包含著父系和母系遺傳信息。線(xiàn)粒體DNA則是由16569個(gè)堿基組成的環(huán)狀DNA，在細(xì)胞核外大量存在，不過(guò)它們僅在母系遺傳且不經(jīng)過(guò)遺傳重組。相比來(lái)看，線(xiàn)粒體DNA片段較小，受酶解及外界因素作用位點(diǎn)少，降解速度相對(duì)較慢；核DNA分子相對(duì)較大，降解速度快，因此核DNA片段提取的難度更大。

令人驚喜的是，維也納大學(xué)和哥本哈根大學(xué)的科學(xué)家們用鳥(niǎo)槍法測(cè)序，成功從洞穴沉積物里提取到古代哺乳動(dòng)物和人類(lèi)的核DNA。2021年4月，哥本哈根大學(xué)維勒斯列夫等直接從墨西哥北部一個(gè)洞穴距今1.6萬(wàn)至1.4萬(wàn)年的沉積物樣本里，獲取古代黑熊和已滅絕的巨型短面熊的低覆蓋度核基因組，這是從沉積物里首次獲得核DNA，得以揭示熊科動(dòng)物的種群分化及美洲黑熊的起源與遷徙歷史。2021年8月，維也納大學(xué)佩雷·格拉伯特等從美國(guó)佐治亞州一個(gè)洞穴距今2.5萬(wàn)年的沉積物樣本中提取到攜有尼安德特人基因成分的古歐亞人、已滅絕狼和野牛的核基因組，并揭示這三個(gè)物種晚更新世時(shí)期的遺傳歷史。

不過(guò)，最重要的一項(xiàng)進(jìn)展還是馬蒂亞斯·邁耶等對(duì)沉積物中捕獲核DNA的方法上的巨大突破，他們開(kāi)發(fā)了一組針對(duì)人類(lèi)基因組中160萬(wàn)個(gè)可能的變異位點(diǎn)進(jìn)行雜交捕獲的探針，從西班牙一個(gè)洞穴沉積物里成功捕獲到多個(gè)尼安德特人的核DNA。通過(guò)與其他地點(diǎn)尼安德特人基因組的比較分析，研究發(fā)現(xiàn)他們來(lái)自不同的遺傳譜系，最深處約11.3萬(wàn)年前的尼安德特人與歐洲早期尼安德特人關(guān)系密切，而其他地層約10萬(wàn)年前的尼安德特人卻與歐亞西部（包括歐洲和高加索地區(qū)）晚期尼安德特人有更近的遺傳聯(lián)系，結(jié)果表明大約10萬(wàn)年前在西班牙北部發(fā)生了尼安德特人群的更替，而在晚更新世早期，可能因?yàn)槟┐伪诃h(huán)境和氣候條件的變化，曾出現(xiàn)過(guò)兩次明顯的尼安德特人向外擴(kuò)散的事件。

這三項(xiàng)最新成果標(biāo)志著沉積物古DNA研究的跨越式發(fā)展，它們被共同列入《科學(xué)》雜志“2021年度十大科學(xué)突破”，似乎也意味著沉積物古DNA作為新的研究方向的正式成型，得以使古DNA研究真正擺脫生物骨骸或化石材料的限制，從此使世界各地遺址輕易可得的沉積物成為最常規(guī)而無(wú)限量的古DNA研究材料以至古生物基因組的來(lái)源，為遠(yuǎn)古世界的探索開(kāi)啟新的征程。