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

這些研究為我們揭露出沉積物里埋藏著巨大的古DNA寶庫，為我們探索更多人類演化的歷史細節(jié)以至遠古豐富的生命世界打開一扇扇新的窗戶。我們約請中國科學院古脊椎動物與古人類研究所工程師平婉菁就這個話題和您聊一聊。

本世紀初在“泥土”中成功提取古DNA

在沒有肉眼可見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？

2003年，哥本哈根大學埃斯克·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物和鳥類的DNA片段，重建了該區(qū)域過去生物群落的多樣性。最重要的是，這項研究首次明確表明古DNA可以在沉積物中長期保存，即使在溫帶條件下的洞穴沉積物里也保存了數(shù)千年時間，顯示出沉積物古DNA提取和研究的巨大潛力。

當時，維勒斯列夫等運用PCR方法對動植物的基因片段進行擴增，來比對和鑒定出沉積物中古代動植物的種類，但是這一方法有著一定的局限性。

當一個生物體死亡以后，它的DNA分子會不斷降解，比如微生物的分解、紫外線的輻射、氧化和水解的共同作用等等。隨著時間的推移，DNA斷裂成非常短的片段，片段的長度常常小于100個堿基，這些短小的DNA片段難以用PCR方法有效擴增。同時，古DNA的片段中存在各種損傷，這也被作為識別古DNA的一種方法。通過PCR擴增方法，他們只能擴增或復制特定的短鏈線粒體或葉綠體古DNA片段，且需要與已知數(shù)據(jù)庫的DNA序列進行匹配，在實驗過程中存在很高的失敗率和污染率。

然而，這仍然是一項創(chuàng)造性的工作，為我們了解和重建數(shù)萬年以至數(shù)十萬年前的生態(tài)系統(tǒng)提供了新的視角。

古DNA“再現(xiàn)”遠古生態(tài)環(huán)境

2007年，科學家們再從格陵蘭島冰川底部的凍土中提取到古老針葉植物和昆蟲的DNA，揭示距今約45萬至90萬年前森林的存在。

2009年，科學家又從阿拉斯加內陸育空河南岸距今1.05萬至0.76萬年的沉積物里提取到已滅絕動物的線粒體古DNA，表明猛犸象和馬群在該地區(qū)一直生存到至少1.05萬年前，與最早進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間范圍，并挑戰(zhàn)了當時有關大型哺乳動物滅絕的相關流行假說。

隨著鳥槍法測序、二代測序技術的出現(xiàn)和革新，科學家們對于沉積物古DNA的提取和研究有了更大規(guī)模的發(fā)展，為探究已滅絕動植物的生存歷史及重建遠古生態(tài)環(huán)境提供了更多可能。2016年，科學家們通過對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，因為氣候變暖、海平面上升導致島內淡水減少而滅絕。

通過沉積物古DNA重建相關地點的史前生態(tài)環(huán)境，研究也為探究人類的活動歷史提供了重要線索。2014年，科學家們利用阿爾卑斯山上湖泊沉積物中的古DNA重建6000多年來此地家畜群體和植被群落的結構變化，揭示人類放牧活動的演變歷史。2015年，通過提取分析英國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，反映此地狩獵人群和歐洲南部農業(yè)人群之間的交流活動。2016年，通過提取分析勞倫泰德和科迪勒拉冰蓋之間的無冰走廊中部湖泊沉積物里的古DNA，發(fā)現(xiàn)這里直到1.26萬年前才出現(xiàn)動植物，結合該地區(qū)人類存在的直接考古證據(jù)，表明人類最早并非通過這條走廊進入美洲。

從沉積物里“釣取”人類線粒體古DNA

雖然以上這些研究通過沉積物里的古DNA，從不同方面反映出過去人類的生存面貌，卻并未提取到遠古人類存在的直接DNA證據(jù)。因為相較于動植物和微生物來說，沉積物里的人類古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，檢測和識別的難度更大。對此，德國馬克斯·普朗克進化人類學研究所的古遺傳學家們開發(fā)了沉積物古DNA雜交捕獲的方法，為這一領域帶來新的突破。

2017年，馬蒂亞斯·邁耶等針對已知有滅絕古人類（主要是指通過古DNA觀察到與現(xiàn)代人在遺傳上不同的人類群體，我們的近親——尼安德特人和丹尼索瓦人）存在的地點開展沉積物古DNA的提取和研究。他們從歐洲和西伯利亞的7個洞穴遺址收集了85例距今55萬年至1.4萬年的沉積物樣本，并成功通過雜交捕獲的方法獲取多例尼安德特人和丹尼索瓦人的線粒體DNA。

他們探索使用242種哺乳動物（包括人類）的線粒體DNA探針，從樣本中吸附、富集、分離出與哺乳動物相似的DNA片段。這種技術的原理類似“釣魚”，用特異性探針把目標DNA片段“釣取”出來。通過分析，他們識別出滅絕的猛犸象、披毛犀、穴熊、洞鬣狗等12種不同的哺乳動物。然而，要分離識別出滅絕古人類的線粒體DNA卻非常困難。于是，他們改變了策略，重新使用專門針對人類線粒體DNA的探針對所有DNA文庫重復了雜交捕獲實驗，最終從8例樣本中分析識別出尼安德特人的線粒體DNA，從1例樣本中分析識別出丹尼索瓦人的線粒體DNA，這些結果都得到了相關地點考古記錄的驗證。

2020年，中國科學院古脊椎動物與古人類研究所付巧妹團隊運用這一方法，從青藏高原白石崖溶洞10萬年前至4.5萬年前的數(shù)個地層沉積物里獲取了丹尼索瓦人的線粒體DNA，這是首次從丹尼索瓦洞以外的地點發(fā)現(xiàn)丹尼索瓦人的DNA，證實這一滅絕古人類在晚更新世時期曾長期生存在青藏高原。有趣的是，線粒體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，為進一步理解丹尼索瓦人的遷徙、演化和環(huán)境適應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，線粒體DNA能夠提供的遺傳信息非常有限，僅可追溯人類母系遺傳的歷史，并不足以反映更為復雜的祖源成分。科學家們仍在努力探索從沉積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和線粒體DNA在結構、功能和保存上都有很大的差異。拿人體細胞來說，構成人類基因組的幾乎所有DNA都存在于細胞核里，核DNA由近30億個堿基對組成，每經(jīng)過一次換代便發(fā)生一次重組，因此同時包含著父系和母系遺傳信息。線粒體DNA則是由16569個堿基組成的環(huán)狀DNA，在細胞核外大量存在，不過它們僅在母系遺傳且不經(jīng)過遺傳重組。相比來看，線粒體DNA片段較小，受酶解及外界因素作用位點少，降解速度相對較慢；核DNA分子相對較大，降解速度快，因此核DNA片段提取的難度更大。

令人驚喜的是，維也納大學和哥本哈根大學的科學家們用鳥槍法測序，成功從洞穴沉積物里提取到古代哺乳動物和人類的核DNA。2021年4月，哥本哈根大學維勒斯列夫等直接從墨西哥北部一個洞穴距今1.6萬至1.4萬年的沉積物樣本里，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，維也納大學佩雷·格拉伯特等從美國佐治亞州一個洞穴距今2.5萬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，并揭示這三個物種晚更新世時期的遺傳歷史。

不過，最重要的一項進展還是馬蒂亞斯·邁耶等對沉積物中捕獲核DNA的方法上的巨大突破，他們開發(fā)了一組針對人類基因組中160萬個可能的變異位點進行雜交捕獲的探針，從西班牙一個洞穴沉積物里成功捕獲到多個尼安德特人的核DNA。通過與其他地點尼安德特人基因組的比較分析，研究發(fā)現(xiàn)他們來自不同的遺傳譜系，最深處約11.3萬年前的尼安德特人與歐洲早期尼安德特人關系密切，而其他地層約10萬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，結果表明大約10萬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，可能因為末次冰期環(huán)境和氣候條件的變化，曾出現(xiàn)過兩次明顯的尼安德特人向外擴散的事件。

這三項最新成果標志著沉積物古DNA研究的跨越式發(fā)展，它們被共同列入《科學》雜志“2021年度十大科學突破”，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)而無限量的古DNA研究材料以至古生物基因組的來源，為遠古世界的探索開啟新的征程。