常見(jiàn)的碎骨化石中可能藏有寶貴的人類遺存，竅門在于如何把它們挑出來(lái)。

科學(xué)家發(fā)明了一項(xiàng)新技術(shù)，能夠鑒定出微小的人科骨頭化石碎片，幫助我們了解史前不同人種的戰(zhàn)爭(zhēng)、交融和消亡。

撰文 |  托馬斯 · 海厄姆（Thomas Higham）、卡特琳娜 · 杜卡（Katerina Douka）

翻譯 | 楊益民、胡松梅

抵達(dá)西伯利亞南部的丹尼索瓦洞穴后，我們感覺(jué)如釋重負(fù)。經(jīng)過(guò) 11 個(gè)小時(shí)的顛簸車程，從新西伯利亞市往東南方向開(kāi)，穿過(guò)草原，再越過(guò)阿爾泰山脈的山麓丘陵，當(dāng)野外營(yíng)地突然出現(xiàn)在泥巴路的一個(gè)拐彎后面時(shí)，所有關(guān)于長(zhǎng)途旅行的不快全都消失了。目之所及，只見(jiàn)陡峭的山谷、湍急的河流和當(dāng)?shù)匕柼┤说膫鹘y(tǒng)木屋在眼前展開(kāi)，還有金雕在天上翱翔。幾百米外，一個(gè)石灰?guī)r洞穴坐落在阿努伊河上方，在那里，科學(xué)家正進(jìn)行著最令人激動(dòng)的研究，有望揭開(kāi)人類起源的謎題。

要了解在舊石器時(shí)代，人類祖先有著什么樣的行為以及如何互動(dòng)，丹尼索瓦洞穴無(wú)疑是最熱門的研究地點(diǎn)。我們所屬的智人，幾十萬(wàn)年前起源于非洲，當(dāng)他們后來(lái)開(kāi)始擴(kuò)散到歐洲和亞洲時(shí)，遭遇了其他人種，比如尼安德特人，并與之一起在地球上生存了幾千年，直到這些人種最終滅絕。

科學(xué)家之所以知道這些不同的人種有過(guò)交集，是因?yàn)榻裉斓娜祟悢y帶著來(lái)自我們已經(jīng)滅絕的親戚的 DNA ——這正是早期智人與其他人種雜交的結(jié)果。我們不知道的，也是我們迫切想了解的是，這些不同的人種在什么時(shí)候、什么地方相遇，混種的程度有多高，以及他們?cè)谖幕蠈?duì)彼此的影響。事實(shí)上，一些重要的考古遺址正是屬于這一過(guò)渡時(shí)期，并且包含有石器工具和其他人工制品。但是，包括丹尼索瓦洞穴在內(nèi)的許多遺址都缺少足夠完整的人類化石，讓科學(xué)家能夠根據(jù)骨骼的形態(tài)特征判斷它所屬的人種，正是這種缺失讓我們無(wú)法確認(rèn)各個(gè)人種制作了哪些工具，以及在何時(shí)制作的。

在采集樣本進(jìn)行 ZooMS 分析和放射性碳 -14 測(cè)年之前，考古學(xué)家先檢查丹尼索瓦洞穴中的考古沉積物。

辨別人科化石的利器

從上世紀(jì) 80 年代開(kāi)始，俄羅斯的考古學(xué)家就一直在發(fā)掘丹尼索瓦洞穴遺址。但 2010 年的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，才真正讓丹尼索瓦洞穴名聲大噪。那一年，德國(guó)馬普進(jìn)化人類學(xué)研究所的科學(xué)家，公布了他們對(duì) 2008 年在丹尼索瓦洞穴出土的一塊人骨的 DNA 分析結(jié)果。他們從這塊人骨化石（一塊指骨）提取的 DNA，揭示了一個(gè)前所未知的人種（或者說(shuō)人科成員）。這個(gè)人種和我們一樣，與尼安德特人的關(guān)系非常密切。這塊骨頭來(lái)自一位年輕的女性，最初被稱作 "X 女人 "，她屬于科學(xué)家現(xiàn)在稱為丹尼索瓦人的人種。從那以后，考古學(xué)家繼續(xù)發(fā)掘出一些人類的骨頭和牙齒化石，它們來(lái)自于丹尼索瓦人和尼安德特人。

來(lái)自丹尼索瓦洞穴的發(fā)現(xiàn)表明，現(xiàn)代基因鑒定技術(shù)能夠從骨頭化石中收集到非常有用的信息：不僅能發(fā)現(xiàn)未知人種的存在，還能告訴我們，這些人種如何與人類祖先互動(dòng)。舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò) DNA 分析，我們知道在過(guò)去 10 萬(wàn)年里，尼安德特人和現(xiàn)代人的祖先至少雜交了三次，而且尼安德特人和丹尼索瓦人，以及現(xiàn)代人的祖先和丹尼索瓦人之間也發(fā)生了雜交。這樣一來(lái)，關(guān)于現(xiàn)代人的起源，我們長(zhǎng)期公認(rèn)的理論——智人走出非洲并輕松取代了其他的古老人種，很快就讓位于一個(gè)更加復(fù)雜、還不太完善的理論，即不同人種群體之間進(jìn)行雜交和基因流動(dòng)。然而，丹尼索瓦洞穴出土的大多數(shù)骨頭化石都非常破碎，我們無(wú)法分辨出它們屬于哪些人種。除此之外，丹尼索瓦洞穴的年份是出了名的難以鑒定。

2014 年，本文作者都來(lái)到當(dāng)?shù)兀瑓⒓恿说つ崴魍叨囱ㄟz址研究團(tuán)隊(duì)的一次會(huì)議。我們當(dāng)時(shí)提出了一個(gè)想法，可能有助于了解現(xiàn)代人祖先、尼安德特人和丹尼索瓦人之間互動(dòng)的細(xì)微場(chǎng)景。丹尼索瓦洞穴遺址最明顯的一點(diǎn)就是，所有已知的人屬骨頭化石都非常破碎，只有 3～5 厘米長(zhǎng)，主要原因是鬣狗等食肉動(dòng)物的活動(dòng)：鬣狗在洞穴中撫養(yǎng)幼崽并嚼碎骨頭喂食。2008 年以來(lái)，丹尼索瓦洞穴遺址發(fā)掘出了超過(guò) 135 000 塊骨頭，但 95% 的骨頭都因?yàn)檫^(guò)于破碎，而無(wú)法根據(jù)形態(tài)學(xué)特征來(lái)判斷其所屬物種。相比之下，這些碎骨中生物分子——包括構(gòu)成 DNA 的分子——卻保存得異常完好。我們?cè)谙耄袥](méi)有一種方法能從這些骨頭碎片中篩選出更多的人屬骨頭？如果有的話，也許我們就能獲取更多的 DNA 數(shù)據(jù)和測(cè)年數(shù)據(jù)，甚至還能發(fā)現(xiàn)隱藏在這個(gè)洞穴遺址里的新人種。就在那時(shí)，我們意識(shí)到 ZooMS 技術(shù)是開(kāi)展這項(xiàng)篩選工作的不二人選。

這塊來(lái)自西伯利亞丹尼索瓦洞穴遺址的碎骨，是通過(guò) ZooMS 技術(shù)鑒定為人類或類人猿種屬的最新標(biāo)本。

ZooMS 技術(shù)，也叫膠原蛋白肽質(zhì)量指紋圖譜，可以通過(guò)分析膠原蛋白（一種對(duì)骨骼、毛發(fā)和指甲形成至關(guān)重要的蛋白質(zhì)），來(lái)確定碎骨的種屬。膠原蛋白是由幾百個(gè)被稱為多肽的化合物組成，在不同種類的動(dòng)物身上，這些多肽的種類也有少許差異。將未知種屬的骨頭的肽段特征與已知種屬動(dòng)物的肽段特征庫(kù)進(jìn)行比較，就有可能對(duì)未知骨頭進(jìn)行正確鑒定，弄清楚它們?cè)诜诸悓W(xué)意義上的科、屬，有時(shí)甚至可以鑒定出它們屬于哪個(gè)種。

據(jù)我們所知，當(dāng)時(shí)還沒(méi)有人用 ZooMS 技術(shù)來(lái)篩選人類骨頭。但我們相信這值得嘗試。根據(jù)我們的判斷，即使是小碎骨也可能有用，因?yàn)樵诘つ崴魍叨囱ㄟz址，里面的年平均氣溫很低，在零攝氏度以下，所以骨頭中的膠原蛋白和 DNA 都保存良好。我們也清楚，僅利用 ZooMS 技術(shù)是無(wú)法鑒定樣本屬于哪一個(gè)物種。比如，人類和類人猿骨頭膠原蛋白的多肽特征就因?yàn)樘嗨贫鵁o(wú)法區(qū)分。但在舊石器時(shí)代，沒(méi)有類人猿曾在這一地區(qū)活動(dòng)。因此，如果我們能鑒別出一塊骨頭屬于包含類人猿和人類的人科，我們就可以相當(dāng)肯定地說(shuō)，它屬于某種人類，然后開(kāi)展后續(xù)的 DNA 分析，從而確定它屬于哪個(gè)人種。

使用 ZooMS 技術(shù)，需要從每個(gè)小樣品上鋸下 20 毫克樣品

馬普進(jìn)化人類學(xué)研究所的古 DNA 專家斯萬(wàn)特 · 帕博（Svante Pääbo）也參加了 2014 年在丹尼索瓦洞穴的會(huì)議。我們一拍即合，他立即給予了支持。隨后，我們與俄羅斯科學(xué)院、主管丹尼索瓦洞穴遺址研究的阿納托利 · 德列維揚(yáng)科（Anatoly Derevyanko），以及此次發(fā)掘工作的負(fù)責(zé)人邁克爾 · 順科夫（Michael Shunkov）討論了我們的計(jì)劃。他們兩人都很感興趣。同年晚些時(shí)候，我們便開(kāi)始了取樣，從該遺址最近發(fā)掘出來(lái)的、從哪個(gè)角度看都 " 無(wú)用 " 的骨頭中，采集了大約 3000 塊小碎骨。

從理論上說(shuō)，這項(xiàng)工作似乎很快就能做完。但實(shí)際上，我們面臨的是一項(xiàng)大型工程：我們必須費(fèi)力地從每塊碎骨上摳出一小塊樣本進(jìn)行分析，小心翼翼地避免使用任何有可能帶來(lái)污染的材料來(lái)接觸有潛在價(jià)值的樣本。

當(dāng)我們準(zhǔn)備好了 700～800 個(gè)骨頭樣本時(shí)，布朗就把它們送往巴克利的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。結(jié)果很有趣：樣品中有猛犸象、鬣狗、馬、馴鹿和披毛犀——典型的冰河時(shí)代動(dòng)物，但遺憾的是，沒(méi)有一個(gè)樣品的多肽特征與人科相符。盡管結(jié)果令人失望，但我們還是決定再試一批樣品，看能否從這一大堆碎骨中找到哪怕一塊人骨。

2015 年夏天的一個(gè)晚上，我們收到了巴克利的一封電子郵件。他注意到，我們的一個(gè)樣本——DC1227 有著人科特有的多肽特征。我們終于找到了一塊人類碎骨，真像是大海里撈著了針，我們?yōu)榇诵老踩艨瘢函偪竦南敕ㄗ嘈Я恕?/p>

第二天一早，我們就去了牛津大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，在存檔的標(biāo)本中找到了樣本 DC1227 對(duì)應(yīng)的骨頭。當(dāng)看到那塊碎骨時(shí)，我們有點(diǎn)失望，因?yàn)榧词拱凑盏つ崴魍叨囱ǖ臉?biāo)準(zhǔn)，它也太小了，只有 25 毫米長(zhǎng)，都可能不夠后續(xù)研究。

但考慮到丹尼索瓦洞穴遺址出土的骨頭中的生物分子保存得十分完好，我們認(rèn)為這足以讓我們使用其他技術(shù)從這塊碎骨上獲取更多信息。我們拍攝了骨頭的高分辨率照片，對(duì)它進(jìn)行了 CT 掃描，還鉆取了一些粉末樣品用于年代測(cè)定和同位素分析，然后布朗把這塊骨頭的剩余部分拿到帕博的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行 DNA 分析。

幾周后，測(cè)年結(jié)果出來(lái)了。樣品中沒(méi)有任何可追蹤的碳 -14，這意味著我們這塊小骨頭的年代已經(jīng)超過(guò) 5 萬(wàn)年了。不久，帕博告訴我們，這塊碎骨的線粒體 DNA（位于細(xì)胞中制造能量的細(xì)胞器中，并由母親傳給孩子）表明，這塊骨頭的主人有一位尼安德特人媽媽。接著，帕博的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃從骨頭中提取細(xì)胞核基因組，以獲取更多信息。現(xiàn)在，這塊人骨在該遺址中被命名為 " 丹尼索瓦 11 號(hào) " 化石，我們也叫它 " 丹尼 "。

混血兒的發(fā)現(xiàn)

最令人興奮的發(fā)現(xiàn)來(lái)了。2017 年 5 月，我們?cè)隈R普進(jìn)化人類學(xué)研究所會(huì)見(jiàn)了帕博實(shí)驗(yàn)室的資深成員，其中包括馬蒂亞斯 · 邁耶（Matthias Meyer）和珍妮特 · 凱爾索（Janet Kelso）。我們想知道丹尼索瓦 11 號(hào)骨頭化石的進(jìn)展，以及他們是否成功地提取了它的細(xì)胞核基因組，后者將提供更詳細(xì)的信息，告訴我們丹尼索瓦 11 號(hào)到底是誰(shuí)。

用于碳 -14 測(cè)年分析的樣品

在科學(xué)界，" 大新聞 " 可遇而不可求。但這次，邁耶和凱爾索就弄出了這樣一個(gè)大新聞。他們說(shuō)，丹尼索瓦 11 號(hào)的細(xì)胞核基因組很奇怪，有兩個(gè)來(lái)源：一半屬于尼安德特人，另一半屬于丹尼索瓦人。他們就此認(rèn)為丹尼索瓦 11 號(hào)是兩種古人類的混血后裔。為了排除所有可能的錯(cuò)誤，他們?cè)俅畏治隽藰颖緛?lái)確認(rèn)這個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)。幾個(gè)月后，他們獲得了最終數(shù)據(jù)，并證實(shí)了最初的發(fā)現(xiàn)。起初，線粒體 DNA 只提供了母系遺傳信息。但細(xì)胞核 DNA 表明，我們發(fā)現(xiàn)的并不是一個(gè)尼安德特人，而是一位擁有尼安德特人母親和丹尼索瓦人父親的個(gè)體——用遺傳學(xué)家的話說(shuō)，丹尼索瓦 11 號(hào)是第一代混血兒。

DNA 分析告訴我們，丹尼索瓦 11 號(hào)人是一名女性，生活在距今 9 萬(wàn)～10 萬(wàn)年前。我們?cè)诙鄠惗啻髮W(xué)的同事本斯 · 維奧拉（Bence Viola）利用 CT 掃描分析了樣本的骨密度，初步估計(jì)她的死亡年齡為至少 13 歲。她的丹尼索瓦人父親，有一個(gè)幾百代之前的尼安德特人遠(yuǎn)親。當(dāng)然，我們永遠(yuǎn)無(wú)法知道史前時(shí)期這些結(jié)合是怎么發(fā)生的，只知道它們確實(shí)發(fā)生了。我們也無(wú)從知道丹尼索瓦 11 號(hào)是如何死亡的，只知道她的遺骸可能是被一種食肉動(dòng)物（可能是鬣狗）帶入到洞穴，進(jìn)入了沉積層。我們永遠(yuǎn)無(wú)從知道她是死后被親人舉辦儀式埋葬，后來(lái)又被鬣狗搶食，還是被食肉動(dòng)物奪去了生命。上萬(wàn)年來(lái)，她的一小片遺骸就靜靜地埋在洞穴里。如果不是最新的技術(shù)讓我們得以講述她的故事，她可能還要繼續(xù)默默無(wú)聞下去。我們期待著 ZooMS 技術(shù)將幫助我們解開(kāi)更多像這樣的骨頭中的秘密。

托馬斯 · 海厄姆是牛津大學(xué)牛津碳 -14 加速器質(zhì)譜部的負(fù)責(zé)人，他主要研究歐亞大陸舊石器中晚期考古遺址的骨骼年代測(cè)定。

卡特琳娜 · 杜卡是德國(guó)馬普人類歷史科學(xué)研究所的科技考古學(xué)家，她正帶領(lǐng)一個(gè)團(tuán)隊(duì)，從亞洲遺址出土的種屬不明的碎骨中尋找尼安德特人和丹尼索瓦人的骨頭。