只需要一捧土，就知道什么人在这呆过 | 2021科学突破
写在前面
2021年年末，《科学》杂志提名了十项年度科学突破，其中不少进展与生命科学息息相关，而且充分展现了现阶段科学突破中，生命科学与其他学科交叉碰撞出来的强大能量。
今天我们先来聊聊“古DNA”——生命科学技术与考古学能碰撞出什么火花。
说到DNA，大家或许都知道，DNA序列里的四种组成单位（碱基）A、T、C、G可以排列组合，组成复杂的生命遗传密码。
换句话说，解密了DNA里的遗传信息，我们就能大概了解一个物种的全貌。
DNA简单的结构却蕴含了生命的大部分信息
对于现生的生物，我们可以通过直接观察，知晓他们的长相和习性；但在生命的历史长河中，还有很多生物是我们从来没有见过的，比如已经灭绝了几万年的猛犸象、剑齿虎，或者是已经不复存在的古人类。
对于这些生物，我们只能通过有限的化石去推测、推想它们本来的样貌，可能的生活习惯或者行为方式，这也是古生物学家和考古学家非常依赖化石、考古遗址的原因。
和你想象的不一样，古生物学家面对的化石往往是像这样残缺的信息，甚至可能只有一小块骨头，图为南方古猿“露西”的化石，通过这个化石古生物学家推断出最早的直立行走人猿 | 图源：Wikipedia
但这时候，生命科学家带着DNA的研究横空出世，通过采集木乃伊、化石这些考古材料上少量的DNA，还原出古生物的样貌。从而能够和考古学家们一起，回答一个我们熟悉的哲学问题：我，从哪里来？
古DNA的研究也就此诞生。
古DNA的研究方式其实和生物实验室提取DNA差不多：从化石等考古材料中刮取一定的粉末，再利用生物上提取DNA的方法，结合扩增技术，把微量的DNA提取出来。其中的区别就在于要确保实验的高度洁净，避免实验人员和微生物的DNA污染，要不然就会掩盖掉本就不多的古DNA信息。
古DNA研究流程 | 图源见右下角
相比于考古学需要完整的化石才能研究不同，古DNA研究的优势在于，只要有一小块骨头就能知获取很多遗传密码、知道很多遗传信息。
比如在西伯利亚发现的丹尼索瓦人化石，只有一块小拇指指骨和一颗牙齿，但古生物学家通过古DNA测序，就能推测出她是个新发现的古人类女性，并构建出这种古人类丹尼索瓦人的基因组。
最早的丹尼索瓦人化石，除了一颗牙齿，只有这一小块指骨 | 图源：Wikipedia
虽然只要一小块化石可以提供足够的古DNA做研究，但符合条件的古人类化石并不多。
这也是为什么古DNA研究开展了几十年，对于像丹尼索瓦人和尼安德特人这样的古人类，目前只产生了23个基因组——能取的化石基本都取完了，古人类的化石保存下来的可能很少，或者说我们现在挖掘得到的就比较少。
所以这个时候，生物学家们就开始“另辟蹊径”了：如果某个洞穴里确实有古生物生活过，那是不是就可以不从化石入手，而是从洞穴本身来研究呢？
于是他们尝试从土壤里提取DNA。其实对生物学家来说，提取土壤里的DNA并不陌生，比如环境DNA的研究，就会依据土壤里残留的动物DNA或植物DNA，或者海水里的生物DNA，来推断这片环境有没有生物存在过。
但是土壤里，会有古DNA吗？
这个概念最早是环境DNA | 图源网络
2017年，研究者开始尝试在土壤里提取DNA，再利用我们已经知道的DNA序列去设计探针，抓取到想要的古生物信息。
举个例子来讲，这就像是寻找关键词——比如在下面这么一大堆文字里，你想要找到“带你用生命科学的角度看世界”这行字，就可以搜“带你用”和“看世界”，就能轻而易举把类似的文字找出来。
提取古DNA的过程也是这样的，在混杂了土壤微生物、现在的动物甚至是考古人员的DNA里，就要设计这样的探针，来找到我们想要的古生物DNA。
随着类似技术的不断改进，生物学家和考古学家们也利用这些技术在不同的洞穴里发现了越来越多的古人类信息，也就向着“我从哪里来的”这个终极问题又迈进一步了。
这里给大家举两个有意思的例子，大家就知道这个技术为什么重要了。
一是去年我国研究古DNA的付巧妹团队和考古方向的张东菊团队的研究成果。在几年前甘肃省青藏高原上的白石崖山洞里，他们发现了一块古人类的下巴骨，但是上面几乎没有什么古DNA信息了，从形态上看也很难进行判断。
研究团队正在采集土层样品 | 图源：Science
因此2020年，通过刚刚我们说的洞穴土壤中提取古DNA的方法，提取到了242种不同时期哺乳动物的DNA，再通过抓取的方法，找到里面的古人类信息。
他们分析出了这个洞穴曾经居住过的古人类——竟然就是十几年前在西伯利亚发现的丹尼索瓦人！这也说明这些古人类的生活踪迹远远不止在欧洲和西伯利亚，可能早已在迁徙到了中国区域，而且还能在青藏高原这样寒冷缺氧的环境生存。
比对结果发现非常接近古人类丹尼索瓦人
| 图源：Zhang D, et al. Science, 2020.
另一项有意思的研究也是面临着没有化石的困扰：在西班牙的一个洞穴里，发现了五百多件古人类尼安德特人使用过的石器，以及一小块古人类的脚趾头化石，几乎不可能从化石里提取古DNA来研究了。
但是通过土壤里的古DNA，研究者们发现了更多的尼安德特人个体，而且这些个体跨度从六七万年前到十几万年前不等，非常丰富多彩。
通过和其他地方发现的尼安德特人基因组比较，研究者发现，十几万年的尼安德特人可能和现代人一样有着不同的族群，遗传多样性很丰富，但是可能受到十万年前一次冰川期的影响，结果只剩下一两个群体了：而这样复杂的古人类群体演变信息可以在一个洞穴的土壤里看到，这在几年前是想都想不到的。
研究中的西班牙洞穴，以及土层中发现的两个古人类群体 | 图源：Vernot B, et al. Science, 2021.
当然，现在土壤里的古DNA研究仍然存在不少难题，需要生命科学和考古学一起来解决：如果只是随便一抔土，可没办法提取有价值的古DNA；我们需要依靠考古学谨慎严谨的土层划分，去区分不同土层的年代，才能在特定土层里提取到DNA；同时也需要生物学家构建更好的古人类基因组，设计更高效的探针，才能找到这些古DNA信息。
深挖土壤古DNA背后的遗传密码，未来我们或许就能真正探索到我们的祖先：他们是怎么在一众古人类中脱颖而出？是什么独特的特征使他们成就了现在的我们？相信考古学和生命科学的交叉可以告诉我们答案。
参考资料
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