在“泥土”中成功提取古DNA 重塑远古时代生命世界

2021年，科学界有一个重要的突破值得被记上一笔——科学家们首次从世界不同洞穴遗址的沉积物，也是人们通常说的“泥土”里，相继获取各种古熊、尼安德特古人类、古欧亚人及多种古代哺乳动物的核基因组。

这些研究为我们揭露出沉积物里埋藏着巨大的古DNA宝库，为我们探索更多人类演化的历史细节以至远古丰富的生命世界打开一扇扇新的窗户。我们约请中国科学院古脊椎动物与古人类研究所工程师平婉菁就这个话题和您聊一聊。

本世纪初在“泥土”中成功提取古DNA

在没有肉眼可见的生物骨骼遗骸的情况下，古DNA是否可以在考古遗址的沉积物中留存下来？

2003年，哥本哈根大学埃斯克·维勒斯列夫等成功从西伯利亚冻土和新西兰洞穴沉积物中，提取到许多已灭绝的哺乳动物和鸟类的DNA片段，重建了该区域过去生物群落的多样性。最重要的是，这项研究首次明确表明古DNA可以在沉积物中长期保存，即使在温带条件下的洞穴沉积物里也保存了数千年时间，显示出沉积物古DNA提取和研究的巨大潜力。

当时，维勒斯列夫等运用PCR方法对动植物的基因片段进行扩增，来比对和鉴定出沉积物中古代动植物的种类，但是这一方法有着一定的局限性。

当一个生物体死亡以后，它的DNA分子会不断降解，比如微生物的分解、紫外线的辐射、氧化和水解的共同作用等等。随着时间的推移，DNA断裂成非常短的片段，片段的长度常常小于100个碱基，这些短小的DNA片段难以用PCR方法有效扩增。同时，古DNA的片段中存在各种损伤，这也被作为识别古DNA的一种方法。通过PCR扩增方法，他们只能扩增或复制特定的短链线粒体或叶绿体古DNA片段，且需要与已知数据库的DNA序列进行匹配，在实验过程中存在很高的失败率和污染率。

然而，这仍然是一项创造性的工作，为我们了解和重建数万年以至数十万年前的生态系统提供了新的视角。

古DNA“再现”远古生态环境

2007年，科学家们再从格陵兰岛冰川底部的冻土中提取到古老针叶植物和昆虫的DNA，揭示距今约45万至90万年前森林的存在。

2009年，科学家又从阿拉斯加内陆育空河南岸距今1.05万至0.76万年的沉积物里提取到已灭绝动物的线粒体古DNA，表明猛犸象和马群在该地区一直生存到至少1.05万年前，与最早进入美洲的人群共存了数千年，这突破了已有化石记录的时间范围，并挑战了当时有关大型哺乳动物灭绝的相关流行假说。

随着鸟枪法测序、二代测序技术的出现和革新，科学家们对于沉积物古DNA的提取和研究有了更大规模的发展，为探究已灭绝动植物的生存历史及重建远古生态环境提供了更多可能。2016年，科学家们通过对阿拉斯加圣保罗岛湖泊沉积物的研究，揭示猛犸象在此一直生存到约5600年前，因为气候变暖、海平面上升导致岛内淡水减少而灭绝。

通过沉积物古DNA重建相关地点的史前生态环境，研究也为探究人类的活动历史提供了重要线索。2014年，科学家们利用阿尔卑斯山上湖泊沉积物中的古DNA重建6000多年来此地家畜群体和植被群落的结构变化，揭示人类放牧活动的演变历史。2015年，通过提取分析英国怀特岛附近海底考古遗址沉积物里的古DNA，发现小麦在8000年前已传播到英国，反映此地狩猎人群和欧洲南部农业人群之间的交流活动。2016年，通过提取分析劳伦泰德和科迪勒拉冰盖之间的无冰走廊中部湖泊沉积物里的古DNA，发现这里直到1.26万年前才出现动植物，结合该地区人类存在的直接考古证据，表明人类最早并非通过这条走廊进入美洲。

从沉积物里“钓取”人类线粒体古DNA

虽然以上这些研究通过沉积物里的古DNA，从不同方面反映出过去人类的生存面貌，却并未提取到远古人类存在的直接DNA证据。因为相较于动植物和微生物来说，沉积物里的人类古DNA含量极其低微，还可能掺杂着大量现代考古发掘者的DNA污染，检测和识别的难度更大。对此，德国马克斯·普朗克进化人类学研究所的古遗传学家们开发了沉积物古DNA杂交捕获的方法，为这一领域带来新的突破。

2017年，马蒂亚斯·迈耶等针对已知有灭绝古人类（主要是指通过古DNA观察到与现代人在遗传上不同的人类群体，我们的近亲——尼安德特人和丹尼索瓦人）存在的地点开展沉积物古DNA的提取和研究。他们从欧洲和西伯利亚的7个洞穴遗址收集了85例距今55万年至1.4万年的沉积物样本，并成功通过杂交捕获的方法获取多例尼安德特人和丹尼索瓦人的线粒体DNA。

他们探索使用242种哺乳动物（包括人类）的线粒体DNA探针，从样本中吸附、富集、分离出与哺乳动物相似的DNA片段。这种技术的原理类似“钓鱼”，用特异性探针把目标DNA片段“钓取”出来。通过分析，他们识别出灭绝的猛犸象、披毛犀、穴熊、洞鬣狗等12种不同的哺乳动物。然而，要分离识别出灭绝古人类的线粒体DNA却非常困难。于是，他们改变了策略，重新使用专门针对人类线粒体DNA的探针对所有DNA文库重复了杂交捕获实验，最终从8例样本中分析识别出尼安德特人的线粒体DNA，从1例样本中分析识别出丹尼索瓦人的线粒体DNA，这些结果都得到了相关地点考古记录的验证。

2020年，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所付巧妹团队运用这一方法，从青藏高原白石崖溶洞10万年前至4.5万年前的数个地层沉积物里获取了丹尼索瓦人的线粒体DNA，这是首次从丹尼索瓦洞以外的地点发现丹尼索瓦人的DNA，证实这一灭绝古人类在晚更新世时期曾长期生存在青藏高原。有趣的是，线粒体DNA分析显示他们与丹尼索瓦洞的晚期丹尼索瓦人有最紧密的母系遗传联系，为进一步理解丹尼索瓦人的迁徙、演化和环境适应历史提供了重要依据。

2021年取得获取古核DNA巨大突破

不过，线粒体DNA能够提供的遗传信息非常有限，仅可追溯人类母系遗传的历史，并不足以反映更为复杂的祖源成分。科学家们仍在努力探索从沉积物捕获携有更为丰富遗传信息的核DNA，终于在2021年有了重要突破。

核DNA和线粒体DNA在结构、功能和保存上都有很大的差异。拿人体细胞来说，构成人类基因组的几乎所有DNA都存在于细胞核里，核DNA由近30亿个碱基对组成，每经过一次换代便发生一次重组，因此同时包含着父系和母系遗传信息。线粒体DNA则是由16569个碱基组成的环状DNA，在细胞核外大量存在，不过它们仅在母系遗传且不经过遗传重组。相比来看，线粒体DNA片段较小，受酶解及外界因素作用位点少，降解速度相对较慢；核DNA分子相对较大，降解速度快，因此核DNA片段提取的难度更大。

令人惊喜的是，维也纳大学和哥本哈根大学的科学家们用鸟枪法测序，成功从洞穴沉积物里提取到古代哺乳动物和人类的核DNA。2021年4月，哥本哈根大学维勒斯列夫等直接从墨西哥北部一个洞穴距今1.6万至1.4万年的沉积物样本里，获取古代黑熊和已灭绝的巨型短面熊的低覆盖度核基因组，这是从沉积物里首次获得核DNA，得以揭示熊科动物的种群分化及美洲黑熊的起源与迁徙历史。2021年8月，维也纳大学佩雷·格拉伯特等从美国佐治亚州一个洞穴距今2.5万年的沉积物样本中提取到携有尼安德特人基因成分的古欧亚人、已灭绝狼和野牛的核基因组，并揭示这三个物种晚更新世时期的遗传历史。

不过，最重要的一项进展还是马蒂亚斯·迈耶等对沉积物中捕获核DNA的方法上的巨大突破，他们开发了一组针对人类基因组中160万个可能的变异位点进行杂交捕获的探针，从西班牙一个洞穴沉积物里成功捕获到多个尼安德特人的核DNA。通过与其他地点尼安德特人基因组的比较分析，研究发现他们来自不同的遗传谱系，最深处约11.3万年前的尼安德特人与欧洲早期尼安德特人关系密切，而其他地层约10万年前的尼安德特人却与欧亚西部（包括欧洲和高加索地区）晚期尼安德特人有更近的遗传联系，结果表明大约10万年前在西班牙北部发生了尼安德特人群的更替，而在晚更新世早期，可能因为末次冰期环境和气候条件的变化，曾出现过两次明显的尼安德特人向外扩散的事件。

这三项最新成果标志着沉积物古DNA研究的跨越式发展，它们被共同列入《科学》杂志“2021年度十大科学突破”，似乎也意味着沉积物古DNA作为新的研究方向的正式成型，得以使古DNA研究真正摆脱生物骨骸或化石材料的限制，从此使世界各地遗址轻易可得的沉积物成为最常规而无限量的古DNA研究材料以至古生物基因组的来源，为远古世界的探索开启新的征程。