泥土样本

最近十年,由遗骸取得古代DNA 的研究成为显学,让我们更深刻地认识人类与其他生物的演化历史。遗骸之外,少数研究也由其他材料获得 DNA, 牙结石、钙化结核、死海古卷( 就是那个死海古卷 !)、擦过古书页面的橡皮擦屑屑,甚至是口香糖,都有成功的案例。[1, 2, 3, 4, 5]

泥土里有古生物的 DNA?!Is There DNA in Dirt?

最新发表的论文,则是由遗址中的泥土分离 DNA,拼凑出尼安德塔人部分的基因组。除了感叹新技术出神入化,未来大有可为之外,对于尼安德塔人的大历史,这项研究也带来全新的视角。[6, 7, 8]

由遗址泥土取得目标 DNA

遗址中可以没有化石,没有石器,但是一定有很多很多土。生物去世以后 DNA 分解,都散落到周围的土壤里,假如遗址的地层中仍然存在化石,照理说 DNA 也有机会生还。

问题是,各种生物的 DNA 片段都可能留在土里,非常不容易分辨。泥土取样往往不是无法抓到,而是里头有太多动物、植物及微生物杂乱的 DNA。

如此杂乱的样本中,仍然有机会只分离出想要的特定 DNA,不过必需先设定好要抓谁,设计和目标序列互补的探针。

西班牙 Galería de las Estatuas 遗址内部。挖土!参考资料 7

2017 年发表的论文在多处遗址,成功抓到多种动物,包括尼安德塔人的粒线体 DNA,证实从泥土中取得特定 DNA 片段是可行的。2020 年的论文则在青藏高原的夏河,白石崖溶洞的不同地层中,获得丹尼索瓦人的粒线体 DNA。[9, 10]

然而,粒线体和细胞核是两种独立遗传的单位,承载的资讯量差异极大。以人类来说,粒线体约有 16500 个碱基对,细胞核内的染色体合计则有 30 亿。可想而知,即使能捕获粒线体的所有 DNA,相比于细胞核基因组也微乎其微,抓下 30 亿个碱基对的难度完全是不同次元。

所幸尼安德塔人和智人之间,遗传差异可谓大同小异,为求便利,可以不用捕捉整个基因组,只要选择尼安德塔人独特的 DNA 变异,针对那些部分即可。

研究者根据这个思路设计探针,锁定尼安德塔人基因组上 160 万处可能的变异位置,假如泥土样本中的 DNA 片段对得上,就会被抓下来进一步分析。

遗址与样本的地理位置,Chagyrskaya、丹尼索瓦洞穴位于中亚,Mezmaiskaya 在高加索,其余遗址位于欧洲。参考资料 6

深入探讨的遗址有三处,中亚的丹尼索瓦洞穴及其西边一些的 Chagyrskaya Cave,都曾经获得过高品质的尼安德塔人基因组,适合作比较。两处遗址取得的「泥尼」DNA,遗传变异和当地已知的同类最接近,没什么意外,也证明新的取样与分析办法是可行的。

西班牙同地尼安德塔人,先后属于不同遗传族群

另一处遗址 Galería de las Estatuas(Estatuas)位于西班牙的东北部,可分为多层,年代介于 7 到 11 万年前;出土约 500 件石器,皆属于莫斯特风格(Mousterian)。此处应该曾经是尼安德塔人的家园,但是只留下一件残缺的脚趾化石。

西班牙 Galería de las Estatuas 遗址的地层,及其内容。参考资料 6

依照新的泥尼技术,成功由此处 4 个地层分离出尼安德塔人的 DNA,证实他们曾经长居此地。有趣的是:

较早和较晚的尼安德塔人,分别属于不同的遗传族群。

假如只有年代先后的 2 个样本,乍看之下一定会是,一前一后的延续关系。不过古代DNA 研究至今,已经累积 18 位尼安德塔人(分别来自 14 处遗址),4 位丹尼索瓦人和 1 位半尼半丹(皆来自丹尼索瓦洞穴 1 处)的基因组 ,可以更精细地比较大家的亲戚关系。

西班牙 Galería de las Estatuas 遗址,较早和较晚的尼安德塔人,分别属于不同遗传族群。参考资料 6

Estatuas 遗址年代较早的 pit I Layer 4 地层中,距今约 11.2 万年的尼安德塔人,和德国的 Hohlenstein-Stadel、Scalding 遗址(距今约 12 万年),还有丹尼索瓦洞穴较早的尼安德塔人(称为 Denisova 5 或 Altai Neanderthal,生活在 9 到 13 万年前之间某个时候),基因组最为接近,他们的 ***同祖先可以追溯到 13.5 万年前 。据此推论尼安德塔人,这段期间有过一波扩张与分化。

Estatuas 遗址年代较晚的 pit I Layer 3 地层距今约 10.7 万年,而 pit I Layer 2、pit II Layer 2 又更晚一些。这 3 个地层的尼安德塔人,基因组最接近高加索 7 万年前的 Mezmaiskaya 1,以及中亚 6 万年前(或 8 万)的 Chagyrskaya 8。 估计他们的***同祖先能追溯到 10.5 万年前,那时可能有过另一波扩张与分化

然而,距今 10.5 万年过后的尼安德塔人们,全都衍生自 13.5 万年前分家潮中的其中一支。也就是说:

尼安德塔人更早之前累积的遗传多样性,距今 11 万年前过后,大部分都丧失了。在此之后的尼安德塔人,不论住在哪儿,遗传上皆能追溯到差异很有限的一个分支。

根据基因组的差异,建构尼安德塔人之间的亲戚关系。参考资料 6

古人类学家早就注意到,距今 10 万年内的尼安德塔人之间,型态差异相当有限,或许和这回得知的大灭团有关。

除了遗传与型态,超过 10 万年前,各地尼安德塔人一度发展出的文化多样性(如克罗埃西亚的鹰骨饰品),经此瓶颈之后,恐怕也损失惨重。

每过数万年,尼安德塔人就面临一次瓶颈考验?

假如把十多万年前西班牙尼安德塔人的兴衰,视为「扩张—灭团—扩张」模式,非常有趣的是,此一模式也许不只上演一次。

根据粒线体 DNA 建构的演化树,距今大约 7 万年过后的尼安德塔人,似乎也自成一群,能追溯到更近期的***同祖先。倘若粒线体能代表每个年代,不同地点的尼安德塔人,那么上述状况反映出的是:

尼安德塔人的亲戚关系,和年代比较有关,而不是地点。

处于同一个时间段,例如距今 4 到 7 万年前之间的尼安德塔人,遗传上也和这段期间的同类比较近,却和住在同一地点,年代较早的尼安德塔人更加疏远。

最明确的实例是,4.3 万年前住在高加索的尼安德塔人,和住在比利时,同为 4.3 万年前的同类较为亲近,反倒与 7 万年前一样住在高加索的尼安德塔人更疏远。

一如更早之前,西班牙 10 多万年前的尼安德塔人,和随后高加索、中亚的人血缘较近,却与同一遗址 11.2 万年前的同类较远。

根据粒线体的差异,建构尼安德塔人之间的亲戚关系。参考资料 6

尼安德塔人的扩张与萎缩,似乎和大环境变化关系密切,例如距今 10 万多年前是气候宜人的间冰期,倾向促进族群膨胀。

而距今 5.7 到 7.1 万年前的冰河时期,天寒地冻下尼安德塔遗址的数量大减,分布范围大部份偏南。每经过一次类似的瓶颈阶段,尼安德塔人或许便损失一部分遗传多样性。

事后回顾,距今 4 万年前左右,尼安德塔人面临最后一次瓶颈,各地族群陆续消逝的逆境下,西班牙成为尼安德塔人最后的据点,之前几次也是如此吗?随即尼安德塔人全面灭团,为什么这回无法再次伟大?这些是人类演化史上,有待回答的重要问题。

泥土中的 DNA,将滋养更多演化树!

当然这类扩张与萎缩事件有许多影响因素,不只和气候变迁相关。另外,

虽然在奋斗多年后累积不少遗传样本,现有的数量和代表性其实仍相当有限,无法支持任何肯定的答案。上述论点目前只能视为大胆的推理。

乐观想,定序古代DNA 的技术成熟后,新的样本不断问世,如今又成功研发出「泥尼」技术,可能获得基因组的范围、数量都大大增加。尼安德塔人的演化大树,可以预见将愈来愈完整。

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探讨人类演化史以外,新技术也能用于其他生物。最近便有一项研究,从墨西哥的遗址泥土中,获得距今约 1.5 万年的美洲黑熊(Ursus americanus),还有已经灭绝的大短面熊(giant short-faced bear,学名 Arctodus simus)部分基因组。[11]

扩及其他生物,只是时间问题。令人回忆起帕波曾言: