青藏高原上的丹尼索瓦人DNA，在沉積物裡找到了

發現丹尼索瓦人化石和基因的白石崖溶洞。版權：張東菊，蘭州大學

撰文丨戴 威

責編丨陳曉雪

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記得去年《自然》雜誌報導的夏河人嗎？

從青藏高原的一塊半截帶著牙齒的下頜骨中，中國科學院青藏高原所、蘭州大學等機構的研究人員通過古蛋白組學的分析，發現其含有丹尼索瓦人身上特有的變異蛋白質，判斷出這塊下頜骨屬於丹尼索瓦人 [1]。

這標誌著科學家們首次通過古蛋白組學的分析確認丹尼索瓦人在中國出現過，被認為是一個裡程碑式的發現。

最近，科學家們在夏河人所在的白石崖溶洞有了更多重要發現。

2020年10月30日，蘭州大學、中科院古脊椎動物與古人類研究所和青藏高原研究所等機構的研究人員宣布，白石崖溶洞確認有更多的丹尼索瓦人，他們生活的時間最早可追溯到10萬年前，最晚可能至4.5萬年前。通過對溶洞沉積物分析，研究人員成功提取並確認了屬於丹尼索瓦人的線粒體DNA [2]。這一研究發表在今日出版的《科學》雜誌。

這是在俄羅斯丹尼索瓦洞的材料外，首個成功獲取的丹尼索瓦人線粒體DNA序列，是支撐丹尼索瓦人在亞洲地區廣泛分布的一個有力證據。

丹尼索瓦人是誰？

化石稀少，與尼安德特人關係近

「丹尼索瓦人」（Denisovans）這個名字聽起來有些怪異。的確，這個名字源自俄文的 「丹尼索瓦洞」，本意是 「丹尼斯的洞穴。18世紀，一個名為丹尼斯的東正教教徒曾住在西伯利亞阿爾泰山上這個古老的巖洞裡。

二十世紀後半葉，俄羅斯科學家在該洞內發現了豐富了古生物遺存，以及精美的石器。2008年，考古學家在這個洞穴找到一塊人類指骨和一顆牙齒。兩年後，來自德國馬普所等機構的科學家從這截約5萬前年的指骨上成功提取出DNA，認為其屬於一個已經滅絕的人類分支，並將其命名為 「丹尼索瓦人」 [3]。

隨後，科學家們發現，丹尼索瓦洞內生活過不同時代的古人類，其中既有屬於新發現的丹尼索瓦人，也有已知的尼安德特人，甚至還有這兩種古人類的混血兒。洞內最古老的丹尼索瓦人距今約20萬年，而距離我們最近的只有5萬年 [4]。

尼安德特人與丹尼索瓦人都是已滅絕的古老型人類，根據不同計算方法，他們約於20萬~75萬年前在演化譜系上 「分家」 [5-7]。

青藏高原發現的夏河人下頜骨。圖源：[1]

和化石遍地開花的尼安德特人不同，丹尼索瓦人的形象成迷。

至今，我們所得到的全部明確是丹尼索瓦人的化石遺存，只有阿爾泰山丹尼索瓦洞發現的3顆牙、1塊手指骨殘片、1塊顱骨殘片，以及中國青藏高原的半塊夏河人下頜骨 [1]。雖然我們很難通過化石形態了解這群古人的身形體貌，但遺傳學分析卻讓我們找到不少丹尼索瓦人與其他人群交流的蛛絲馬跡。

例如，丹尼索瓦洞的一塊長骨碎片的DNA顯示，這個約8~12萬年前的古人有著丹尼索瓦人爸爸，媽媽則是尼安德特人 [8]。

再比如，現代西藏人體內變異的EPAS1基因很可能來自丹尼索瓦人 [9]。這種變異讓他們的紅細胞更會抓住氧氣，從而適應高原缺氧生活。

而本次提取到丹尼索瓦人線粒體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」

白石崖溶洞遺址位於青藏高原東北部，屬於甘肅省甘南州。科學家們能找到這一記錄古人類歷史的寶庫，要感謝當地的僧人。

1980年代，在甘肅夏河縣，一位僧人意外在修行的溶洞中找到一塊半截帶著牙齒的下頜骨。這塊下頜骨既像人的，又不像人的，很可能屬於某種古人類。經過幾十年輾轉，這塊骨頭最終成為蘭州大學的收藏。2010年開始，蘭州大學環境考古團隊開始對這件化石和它的出土地——海拔3200餘米的甘南白石崖溶洞遺址進行研究。

白石崖溶洞遺址發掘（夏歡，申旭科和張東菊）攝影：韓源源；版權：張東菊，蘭州大學

古蛋白組學表明，這塊神秘的白石崖下頜骨屬於一位16萬年前的丹尼索瓦人。研究人員將化石的主人命名為夏河丹尼索瓦人，簡稱為 「夏河人」。[1]

不過，因為確認夏河人為丹尼索瓦人的證據只是一個胺基酸的變化，科學家們希望能夠挖掘出關於這塊下頜骨的更多信息，因此蘭州大學領導的團隊在白石崖遺址及周邊開展了多年研究。

本次刊於《科學》的論文就是對白石崖溶洞遺存的進一步研究。

白石崖遺址位於青藏高原東北方邊緣，右圖為發掘的探方位置。圖源：[2]

遺址內，研究人員根據沉積物特徵的不同劃分了10個地層。他們從這些地層裡共收集到1310塊石製品和579塊動物骨骼碎片。

那麼如何判斷遺址內沉積物和動物骨頭的年齡呢？研究人員分別用光釋光和碳14技術進行測年，發現白石崖溶洞遺址距今約3萬~19萬年。

出土物顯示，當時古人的打制石器技術比較簡單，有較多的刮削器，動物骨有砍砸和火燒的痕跡。

當然，更重要的是，研究人員從洞裡的沉積物中發現了丹尼索瓦人線粒體DNA。這也是在丹尼索瓦洞的材料外，首例成功復原的丹尼索瓦人線粒體DNA序列。

發現10萬年和6萬年前的古人類基因

沉積物DNA是近年新興的分析技術，能幫科學家在沒有化石的遺址內找到古人的遺傳信息。2017年，《科學》一項研究曾報導了德國馬普所的研究人員通過沉積物找到多個遺址中尼安德特人或丹尼索瓦人線粒體DNA的研究 [10]。

蘭州大學的姚娟婷和陳曉珊在做沉積物DNA樣品採集。攝影：韓源源；版權：張東菊，蘭州大學

從沉積物提取DNA的技術，「一般用於人骨很不易發現的舊石器時代考古遺址」，論文的第一作者、共同領導該研究的蘭州大學教授張東菊告訴《知識分子》。

而本研究的最後通訊作者——中科院古脊椎動物與古人類研究所研究員付巧妹及團隊在2016、2017即開展了相關沉積物DNA研究工作。實際上，她的博士和博士後研究就是在專攻古DNA技術。在2015年全職回國後，付巧妹建立了自己的古DNA實驗室，並在多個學術會議上介紹相關的技術，希望能夠和國內的考古團隊合作，一起揭開中國古人類的基因歷史。

付巧妹，在德國馬普所做博士和博後研究時就因高超的古NDA捕獲技術被稱為Magic Fu，現在她正帶領著自己的古DNA研究團隊，與合作者們一起揭開中國古人類的秘密。圖源：付巧妹

因此，在白石崖遺址發掘前，張東菊帶領的蘭州大學團隊邀請付巧妹一起開展沉積物DNA分析，他們一起制定了古DNA分析沉積物樣品的採樣計劃，確保樣品採集和運送過程中不會受到現代人類的汙染。

雖然此前付巧妹研究夏河人的下頜骨發現其沒有殘留古人類DNA，但是在這次的沉積物樣品中，她們發現了古人類的DNA！

通過高效的古DNA捕獲技術，付巧妹團隊嘗試從一次性從35個樣品中釣取242種哺乳動物和人類的線粒體DNA。

分析顯示，沉積物中的動物古DNA，包括犀牛、鬣狗等滅絕動物，這是首次在夏河縣區域發現它們的存在，拓寬了我們對這些滅絕動物棲息範圍的認知。更重要的是，付巧妹團隊還獲得了古人類線粒體DNA，進一步分析顯示其為丹尼索瓦人。

對發現DNA的沉積物所在的同地層測年確認，這些白石崖溶洞的丹尼索瓦人大致生活在距今10萬年前和6萬年前。另外，在距今3萬~5萬年的較淺地層裡也發現了丹尼索瓦人的DNA，但研究人員表示，考慮到用來測年的沉積可能發生過重構，所以丹尼索瓦人是否曾生活在這個年代還不太確定。

發掘團隊。從左起依次為：李婷，韓源源，張東菊，夏歡，陳曉珊，成婷，申旭科，藺東鵬，姚娟婷，王建，汪建文，汪新興。攝影：韓源源；圖源：張東菊

為什麼沒有在更早的地層，特別是16萬年前白石崖夏河人存活的時代找到丹尼索瓦人的基因呢？

「下頜骨化石也未提取到人類DNA，可能跟當時的保存環境有關，使人類DNA沒有很好地保存。」 張東菊解釋說。

她也表示，「在第10層即（距今）十幾萬年的地層有發現古動物的DNA。所以具體原因還需要進一步研究。」

白石崖溶洞遺址發現的動物骨骼。攝影：韓源源；版權：張東菊，蘭州大學。

付巧妹告訴《知識分子》，他們未來會在古老的地層材料上多做一些工作。「可以肯定的是這一層（第10層），我的實驗室做出來了當時古動物的DNA，所以它的環境是適合古DNA保存的。今後需要在這一層做更多點，看是否有希望做出更早的人類DNA。」

丹人在東亞的蹤跡，正在慢慢揭曉

迄今為止，丹尼索瓦人只在青藏高原和阿爾泰山兩個地方顯露真容。

然而遺傳學分析顯示，他們在亞洲曾廣泛擴散，並對現代亞洲人和太平洋島嶼居民有著基因滲透。通常來說，他們對亞洲大陸人的基因貢獻遠小於尼安德特人的2%，但對於美拉尼西亞、巴布亞等太平洋島嶼人群，丹尼索瓦人的基因貢獻能高達2~4% [11,12]。

他們從哪裡來，又到哪裡去了？與本研究同期刊於《科學》的另一篇文章把目光投向早期亞洲現代人與丹尼索瓦人的交流 [13]。

論文作者分析了兩個現代人化石的基因序列，分別是3.4萬年前的蒙古Salkhit河谷化石和4萬年前的中國北京的田園洞人。研究人員在兩個化石中都找到了極少的來自丹尼索瓦人的基因片段（與尼安德特人的基因貢獻相比，丹尼索瓦人的片段只佔前者的7.5%和8.1%）。

作者表示，至少在4萬年前，亞洲的現代人已經和丹尼索瓦人相遇並發生基因融合，並且，這一支丹尼索瓦人和影響了太平洋島嶼居民的丹尼索瓦人還不一樣。然而，在4萬年前或更早時丹尼索瓦人的生活軌跡仍基本成迷。

在青藏高原白石崖遺址研究中，丹尼索瓦人的DNA主要出現於距今10萬年和距今6萬年前後。這與阿爾泰山年代較晚的丹尼索瓦人存在時間較近，基因序列也更相似。同時，遺址中出土了製作技術簡單的石器以及有砍砸、火燒痕跡的動物骨。至於生活細節，我們只能去想像了。

白石崖溶洞遺址發現的石製品。攝影：韓源源；版權：張東菊，蘭州大學。

此次白石崖洞不同地層發現的丹尼索瓦人的線粒體DNA與夏河人下頜骨，表明丹尼索瓦人曾經長期在青藏高原一帶活動。研究人員推測，高原空氣稀薄，或許在這段時間內，丹尼索瓦人演化出了適應缺氧環境的遺傳基礎，並通過基因滲透把變異傳給了後來居住藏地的現代人 [2]。

研究者也指出，現代人約在距今3~4萬年前來到青藏高原，屆時，白石崖巖洞的丹尼索瓦人是否還在？他們是否在此相遇？這些謎團，未來隨著更多考古證據的出現，將逐步得到揭曉。

參考資料

[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.