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中国科学家在青藏高原白石崖溶洞遗址发现的丹尼索瓦人下颌骨成功提取到DNA

2020-10-31 | 浏览：

据俄罗斯卫星网：《科学》杂志上发表了两项基因研究的成果，部分揭示了现代人与丹尼索瓦人在西藏和蒙古的融合历史。他们的研究成果揭示了亚洲人的起源。

最近，中国科学家在青藏高原的白石崖溶洞遗址找到了一块下颌骨，判断它属于丹尼索瓦人，而提取的DNA也表明长期居住在溶洞中的是丹尼索瓦人。

根据研究人员的说法，丹尼索瓦人10万年前、或者6万年前、或者4.5万年前居住在这里的高山洞穴中。科学家们认为，在长长的这段时间里，丹尼索瓦人与当地人混杂在一起，通过基因渗透把变异传给了后来居住藏地的现代人。

在第二项研究中，来自英国、德国、蒙古和韩国的科学家们展示了在蒙古东部萨勒黑特山谷发现的距今34000年的一块颅骨中提取的基因。

科学家们判定，这块头骨所属的女人的祖先在先前跟丹尼索瓦人交配过，距她的出生不到一千年。此项研究的带头人认为，这个人与生活在4万年前的田园洞人相同一样。

科学家们认为，正是按照这样的场景可能形成了所有的现代亚洲人。

相关报道：丹尼索瓦人DNA现身白石崖溶洞遗址“考古中国”聚焦兰州大学环境考古团队重大发现

据兰州大学;“经过多年努力，兰州大学环境考古团队在甘肃夏河白石崖溶洞的研究取得重要进展，发现该遗址保存有丰富的中更新世至晚更新世古人类活动遗存，成功获取丹尼索瓦洞以外的首个丹尼索瓦人线粒体基因序列，揭示丹尼索瓦人在晚更新世长期生活在青藏高原。”

10月30日上午，在习近平总书记主持中央政治局“我国考古最新发现及其意义”专题学习并发表重要讲话之后，国家文物局在京召开的最新一次“考古中国”重大项目重要进展工作会上，兰州大学环境考古团队青藏高原古人类活动研究重大突破作为第一个发布项目，由张东菊教授代表研究团队向业内专家、媒体郑重发布。这是应用国际最先进的古DNA分析技术在中国考古遗址沉积物中提取古人类遗传信息的首个成功案例。

与此同时，题为“青藏高原白石崖溶洞晚更新世沉积物中发现丹尼索瓦人基因”（Denisovan DNA in Late Pleistocene sediments from Baishiya Karst Cave on the Tibetan Plateau）的成果于北京时间10月30日凌晨2点在Science杂志在线发表。继2019年5月Nature杂志报道兰州大学环境考古团队等发现青藏高原距今至少16万年前的丹尼索瓦人下颌骨化石后，国内外的焦点再次聚集到这一古老而神秘的古人类和白石崖溶洞。

意义非凡的“神秘洞穴”

这是当地的佛教神洞，也是一处著名的旅游景点。这里海拔3280米，洞内通道区域常年温度6-8度。每年都会有大量的信众前往朝拜、修行、参观，甚至患有疑难杂症者还在洞中过夜“治病”。一到夏季，更是游人如织。

2019年，中国科学院院士陈发虎领衔的兰州大学和中科院青藏高原研究所团队报道了夏河丹尼索瓦人（简称夏河人）下颌骨化石的研究成果，揭示这块化石为阿尔泰山地区丹尼索瓦洞以外发现的第一件丹尼索瓦人化石，提供了青藏高原最早的人类活动证据，将丹尼索瓦人的空间分布首次从西伯利亚地区扩展至青藏高原，将青藏高原人类活动历史从距今4万年推早至距今16万年，这是丹尼索瓦人研究和青藏高原史前人类活动研究的双重重大突破。

这项成果一经发表，吸引了上百家国内外媒体报道，并于2019年末荣获国内外众多学术机构评选的多个年度“十大”：“十大考古发现”“十大科学突破”“十大科技进展”“十大科技新闻”等。

然而，因为这块化石发现较早，并非正式考古发掘出土，缺乏具体埋藏位置、地层和共存考古遗存信息，因此，尽管夏河人的发现极大地推动了青藏高原史前人类活动和丹尼索瓦人的研究，但它所揭露的信息却也非常有限。

夏河人是从何时开始生活在世界第三极？他们的生活方式是怎样的？有怎样的生活习惯和文化？这些问题萦绕在兰州大学环境考古团队心头。

“关于溶洞的考察，早在2010年就开始了，与化石的研究同步进行。”张东菊说。六七年间，团队在以甘加盆地为中心的方圆6000平方公里范围内多次开展考古调查。这一区域分布着包括白石崖溶洞在内的大大小小二十几个山洞，团队逐一考察，寻访附近民众，试图找到更多旧石器时代考古遗址，同时也希望能够确定夏河人化石在白石崖溶洞的具体出土地点和层位，并获得他们曾经在此生活的证据。

连续6年，团队成员每年都以游客的身份去白石崖溶洞考察，“只能看，不能挖，不能采集。”

转机发生在2016年。张东菊等再次“游览”洞穴，“偷偷摸摸”地仔细观察地表，突然在洞口通道处发现了一处并未覆盖坚硬钙板的松散土状堆积，“有土状堆积就有可能有考古遗存”。在朝拜群众踏开的堆积物中，张东菊还发现了几块石头，拿到洞外仔细辨认，惊喜地发现竟然是打制石器。“它和自然破裂的石头明显不一样，打制石器的使用主要是在旧石器时代。并且我们还发现了一些炭屑，后来的测年结果显示是距今4000年左右。”

研究人员据此可以确认，白石崖溶洞遗址保存有史前考古遗存，然而不进行考古发掘，就永远不知道里面到底有哪些考古遗存，以及他们多老。

小探方里的宏大世界

历经两年，研究团队提交的白石崖溶洞遗址发掘申请终于获批。2018年夏天，团队拿着文件准备大干一场，却无奈地发现目前正在管理溶洞的白石崖寺并不同意考古发掘。当地政府帮助与寺院沟通协商，研究团队则一边在甘加盆地进行考古发掘，一边等待答复。团队成员每天都做好了进洞发掘的准备，然而最终协调无果，20多天后无奈撤回兰州。在此期间，团队在甘加盆地发现两处旷野遗址，所幸并未空手而归。

最终经当地政府、文物保护部门等多方努力和协调，2018年12月上旬，张东菊带领的以兰州大学研究生为主的环境考古团队，对白石崖溶洞遗址进行首次正式考古发掘。

近二十天时间里，张东菊和主力为“娘子军”的发掘团队，为避开白天的游客和僧人，每晚七点多进洞、清晨收工，小心翼翼地进行发掘。

12月的高原，夜晚温度更低，幸而洞内稍暖。借助洞内由于电线老化时不时忽明忽暗的照明灯，考古人员艰难地推进着工作。他们冲锋衣、帽子、口罩、手套全副武装，保暖的同时更重要的是避免自己对样品造成现代基因污染。他们跪趴在地上，拿着手铲、竹签和刷子，一点一点小心地清理，一件石器一件骨骼的测量收集。往日看似漫长的夜，此时却转瞬即逝。“我们一挖就是一整夜，两平米的探方里最多两个人同时工作，蹲不住了就坐一会儿，坐不住了就跪一会儿。清晨结束工作时还要用木板把探方口盖住，在最早的游客到来之前离开，好像一夜过去什么都没发生一样。就一身衣服，土里来土里去。”2018级博士生夏欢说。

即便这般小心谨慎，团队的发掘工作还是因为部分僧众的不理解而要被强行结束。团队好说歹说争取到了最后一个晚上，经过15个小时的通宵奋战，紧张而仓促地完成了剖面清理、绘图、测量和取样等工作。

“我们挖到了1.6米深，虽然结束太匆忙有些遗憾，但收获还是很大的，出土了大量的石制品和动物骨骼。”张东菊介绍，石制品主要由采自洞前河谷的角页岩和变质石英砂岩砾石打制而成，打制技术以简单石核石片技术为主，有较多的刮削器等工具。骨骼遗存多较破碎，有人工砍砸和火烧痕迹，初步分析显示，上部文化层以羚羊、狐狸、旱獭等中小型动物为主，下部文化层则以犀牛、野牛、鬣狗等大中型动物为主。沉积物的多指标分析显示，地层堆积主要为原生堆积，考古遗存未经过明显扰动。完备的发掘计划和严谨的发掘、采样过程，为随后的各项分析奠定了良好的基础，部分分析结果就是今日上线的Science文章的主要内容。

用科技释放尘封的光

2019年，环境考古团队利用古蛋白分析方法鉴定夏河人下颌骨化石为丹尼索瓦人，利用铀系测年方法将其年龄确定为距今至少16万年。夏河人曾经是怎样在白石崖溶洞生活的？延续了多长时间？这些问题都等着白石崖溶洞的出土材料给出答案。

化石的分析研究和遗址的调查发掘是同步进行的。

陈发虎院士带着环境考古团队于2016年就开始制定遗址发掘和研究计划，设计用多种测年方法为遗址建立年龄框架，全面收集考古遗物，并开展沉积物古DNA研究。邀请国内外多家科研团队参与部分分析工作，例如，邀请中科院古脊椎动物与古人类研究所付巧妹研究员团队共同开展沉积物DNA分析，邀请德国马普进化人类学研究所Svante Pääbo团队参与沉积物DNA结果讨论，邀请澳大利亚伍伦贡大学李波副教授共同开展沉积物单颗粒光释光测年工作等。

沉积物古DNA分析是一种新兴的分子学技术，可以获得曾在遗址活动的古人群信息，弥补人类化石一般可遇不可求的缺憾，打开了旧石器考古遗址人群活动研究的新窗口。

“动物或人死亡之后，线粒体中的遗传物质——线粒体DNA也会降解，断成一段一段，它能否能经过数万年的历史演变保存下来，则与保存环境密切相关，一般来说越干越冷的地方越有可能保存。”张东菊解释。

遗址发掘前，张东菊与付巧妹一起制定了古DNA分析沉积物样品的采样计划，考古人员“全副武装”，身穿防护服把样本提取到无菌袋里，最大程度地减少接触，确保样品采集和运送过程中不会受到现代人类DNA的污染。

就像用吸铁石把一堆混杂的金属中的铁块吸出来一样，付巧妹团队通过实验捕获钓取了样本中242个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，与遗址发现的动物骨骼遗存一致，验证了沉积物DNA分析的可靠性。同时成功获得了古人类线粒体DNA，进一步对比分析显示，这就是丹尼索瓦人的DNA！

另一大难题是测年，这里的丹尼索瓦人生活在什么时期呢？

洞穴沉积物来源和搬运都较为复杂，因此准确测年更加困难。研究团队在探方T2第1-6层选择了14件动物骨骼，在兰州大学、北京大学和牛津大学进行了前处理和AMS14C测试，发现第4-6层的骨骼已经超出碳十四测年上限，也就是5万年。同时，在第2-10层采集了12个光释光样品，兰州大学2018级博士生成婷和李波团队共同开展单颗粒光释光测年分析。

“当石英或长石颗粒被埋藏在环境中，它就像一个计时器一样开始积累辐射能量。有一天我们把它挖出来，用光去激发它的能量，所释放出的信号就会告诉我们它已经在那里沉寂了多久，这就是光释光测年法。”张东菊说。

结合碳十四和光释光测年结果，团队建立贝叶斯年龄模型，为遗址建立了距今约19-3万年的可靠年龄框架，将青藏高原史前人类最早活动历史又提早了3万年，也为化石出土于白石崖溶洞、夏河人下颌骨属于丹尼索瓦人等结论提供了更确凿的证据。

丹尼索瓦人线粒体DNA主要发现于T2探方的第2、3、4、7层，结合地层年代，显示丹尼索瓦人主要出现于距今6万年和10万年，进一步拓展了丹尼索瓦人在白石崖溶洞中生活的时间——从中更新世晚期至晚更新世早中期，揭示了丹尼索瓦人在青藏高原悠久的占据历史。

揭开东亚人类演化研究的新篇章

丹尼索瓦人，是新发现的一支古老型人类，与曾广泛分布在欧洲的尼安德特人是姐妹群。他的人骨化石发现很少，但遗传特征非常显著，对现代大洋洲、东亚、南亚和美洲原住人群都有遗传贡献，关于他的研究于2012年、2019年两度入选Science杂志评选的年度“全球十大科学突破”。

“已知考古学证据支持现代人类起源于非洲大陆，从那里走向世界。丹尼索瓦人的发现以及其对部分现生人群不同的基因贡献，为我们描绘出一幅更为复杂的人类演化和迁移图景。”张东菊说。

青藏高原作为世界上最高最大的高原，有着独特的自然地理环境：主体海拔4000米以上，氧气稀薄，紫外线辐射强烈，动植物资源单一。恶劣的环境对此地区的人类生存繁衍构成重大挑战。地处青藏高原东北部的夏河县在历史上处于高原民族和中原政权的交界处，特殊的地理环境也给夏河县注入了更多的历史性和文化性。因此，研究藏族的起源、来源也显得格外有意义。

由于2019年学术成果发布与媒体报道所产生的轰动效应，兰州大学环境考古团队在白石崖遗址的工作局面有了很大好转。不仅当地政府、文物保护部门非常支持，附近百姓也认识到“神洞”的科学价值所在。

2019年冬，团队在岁末的寒风中继续发掘二十多天，在2018年探方基础上接连开挖一个同样大小的探方，获得了更为丰富的考古遗存。

张东菊在“考古中国”重大项目重要进展工作会上介绍，白石崖溶洞作为目前青藏高原已知最早的旧石器时代考古遗址，其丰富的文化遗存为进一步了解青藏高原早期人类活动提供了重要信息，填补了东亚地区直立人和现代人之间古人群具体种属鉴定的空白，对重建青藏高原古人类活动历史乃至厘清东亚古人类演化历史都具有十分重要的意义，代表了中国旧石器考古学研究的国际领先水平。

北京大学考古文博学院王幼平教授现场点评：“这项研究有非常明确的科学探索目标和多学科合作范式，新的发现不仅改写了青藏高原人类演化历史和中国的史前史，对现代人晚近走出非洲的假说也提供了新的思考视角。”

此前，环境考古团队已经在农业人群定居青藏高原研究方面获得重要成果。团队后续的研究将为进一步揭示青藏高原早期人类历史，特别是在青藏高原丹尼索瓦人的体质形态、遗传特征和文化内涵等方面提供更多的科学证据和信息。

“我们现在的工作只是青藏高原丹尼索瓦人研究的开端。夏河人生活的时期涵盖了最近最冷的两次冰期，他们应该成功适应了高寒缺氧环境。他们如何适应，怎样进行生火保暖、打制石器、捕猎果腹，这都是人类生存必需。考古工作是展示和构建中华民族历史、中华文明瑰宝的重要工作。我们的研究才刚刚开始，潜力无限。”张东菊说。

注：该Science成果第一和通讯作者为兰州大学教授、中科院青藏高原研究所和青藏高原地球科学卓越创新中心特聘客座研究员张东菊，最后通讯作者为中科院古脊椎动物与古人类研究所付巧妹研究员，澳大利亚伍伦贡大学李波副教授和德国马普实验室进化人类学研究所Svante Pääbo教授为共同通讯作者。

论文地址：https://science.sciencemag.org/content/370/6516/584

相关报道：青藏高原上的丹尼索瓦人DNA，在沉积物里找到了！

据知识分子（戴威）：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。

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。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”。

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。

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”。

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。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。

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。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。

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”。

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。

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。

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。

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。

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。”

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%。