巧妙方法揭示化石“垃圾”中隐藏的珍贵人类遗骸  

抵达西伯利亚南部的丹尼索瓦洞穴总是令人欣慰。从新西伯利亚出发，沿着颠簸的道路向东南行驶11个小时，穿过草原和阿尔泰山脉的山麓，野外营地突然出现在土路的拐弯处，长途旅行的疲惫感顿时烟消云散。陡峭的山谷、湍急的河流和当地阿尔泰人民传统的木屋构成了这里的景观；金雕在头顶翱翔。几百米外，石灰岩洞穴本身高耸于阿努伊河之上，以其正在进行的最激动人心的人类起源领域研究向人们招手。

丹尼索瓦洞穴是科学家们理解旧石器时代祖先行为和互动方式的一场革命的中心。我们的物种，智人，起源于数十万年前的非洲。当它最终开始向欧洲和亚洲传播时，遇到了其他人类物种，例如尼安德特人，并在这些古老物种消失之前与他们共同生活了数千年。科学家们知道这些群体彼此相遇，因为今天的人们携带来自我们已灭绝亲属的DNA——这是早期智人与那些其他群体成员杂交的结果。我们尚不清楚并且渴望确定的是他们何时何地相遇，他们杂交的频率以及他们可能在文化上如何相互影响。我们实际上有很多来自过渡时期的重要考古遗址，其中包含石器工具和其他人工制品。但许多这些遗址，包括丹尼索瓦，都缺乏足够完整的人类化石，无法根据其身体特征归因于特定物种。这种缺失阻碍了我们确定哪些物种制造了什么以及何时制造的能力。

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现在，一种用于识别古代骨骼碎片的技术，称为动物考古学质谱法 (ZooMS)，终于让研究人员开始回答这些长期存在的问题。通过分析保存在这些看似无信息量的化石碎片中的胶原蛋白，我们可以识别出那些来自人类/大型猿类家族的碎片，然后尝试从这些标本中提取DNA。这样做可以揭示它们所属的物种——无论是尼安德特人、智人还是其他物种。更重要的是，我们可以进行测试来确定碎片的年代。

直接测定化石年代是一个破坏性过程——必须牺牲一些骨骼进行分析。因此，博物馆馆长通常不愿意对更完整的骨骼进行这些测试。但他们对碎片没有这种顾虑。

对于丹尼索瓦和其他我们知道过去曾庇护多个人类物种的遗址来说，直接测定与人工制品相关的化石年代的能力尤其令人兴奋。许多研究人员认为，象征性和装饰性人工制品是现代认知能力的代表，是智人独有的。其他人则认为，尼安德特人和其他物种也制造了此类物品，甚至可能将他们的一些传统传递给了他们遇到的智人。识别和测定这些化石碎片年代的能力意味着研究人员可以开始更详细地重建这些遗址的年代顺序，并阐明人类史前史的关键篇章。

不可能完成的任务

俄罗斯考古学家自 20 世纪 80 年代以来一直在挖掘丹尼索瓦洞穴。但 2010 年的一项公告使该遗址名声大噪。那一年，德国莱比锡马克斯·普朗克进化人类学研究所的科学家报告了他们对 2008 年在丹尼索瓦发现的一块骨骼进行的基因分析结果。他们从化石（一小块指骨）中获得的DNA揭示了一种以前未知的人科动物类型，一种与尼安德特人的亲缘关系与我们一样密切的类型。这块骨骼来自一位年轻女孩，最初被称为“X 女士”，她属于一群科学家现在称为丹尼索瓦人的人群。此后，在挖掘出的遗骸中又发现了少数其他人科动物的骨骼和牙齿，包括丹尼索瓦人和尼安德特人。

丹尼索瓦的这些发现说明了使用现代遗传方法从化石中获取的强大信息，不仅告诉我们迄今为止未知物种的存在，还告诉我们它们与我们的互动性质。例如，我们从基因分析中得知，尼安德特人和现代人类在过去 10 万年中至少杂交了三次，尼安德特人和丹尼索瓦人以及现代人和丹尼索瓦人也发生了混血。因此，长期以来认为智人走出非洲并简单地消灭了这些古代人群的观点，在转瞬之间让位于一个更复杂的群体间杂交和基因流动的场景——现代人类起源的“渗漏替代”模型。然而，丹尼索瓦的大多数化石都不完整，我们无法辨别哪些化石可能属于人类物种。而且该遗址的年代测定非常困难。

六年前，我们通过我们在年代学方面的专业知识，特别是使用放射性碳年代测定法来确定考古遗址的时间框架，参与了丹尼索瓦项目。对于来自中旧石器时代和旧石器时代晚期（大致分别跨越 25 万至 4 万年前和 4 万至 1 万年前的时间）的材料，年代测定非常重要，因为这些遗址本身通常缺乏与严格定义的时期相关的独特工具类型。我们正在努力为欧亚大陆的丹尼索瓦和其他旧石器时代遗址提供可靠的年代顺序。

2014 年，我们都在丹尼索瓦遗址参加丹尼索瓦团队的会议，当时我们想出了一个想法，我们认为这可能有助于我们更细致地了解我们的物种、尼安德特人和丹尼索瓦人之间发生的互动。丹尼索瓦的一个明显现象是，所有已知的人科动物遗骸都非常小，只有三到五厘米长。例如，X 女士的指骨大约只有小扁豆大小，重量不到 40 毫克。该遗址的大部分骨骼材料都已破碎，主要是因为鬣狗等捕食者的活动，它们在洞穴中筑巢以繁殖幼崽并在进食时咀嚼骨骼。自 2008 年以来，丹尼索瓦已挖掘出超过 135,000 块骨骼，但其中 95% 的骨骼无法进行分类学鉴定，因为它们太碎片化了。相比之下，这些碎片中生物分子的保存情况——包括构成 DNA 的那些分子——非常惊人：有史以来回收的最完整的两个古代人科动物基因组来自丹尼索瓦化石。我们想知道，是否有一种方法可以筛选该遗址的数千块骨骼碎片，以找到更多的人类骨骼？如果我们能够做到这一点，也许我们可以生成更多的遗传和年代学数据，甚至在洞穴中找到一种新型的人科动物。那时我们意识到，我们或许可以使用 ZooMS 来进行这种筛选。

ZooMS，也称为胶原肽质量指纹图谱分析法，允许调查人员通过分析骨骼中的蛋白质将骨骼碎片分配到正确的分类群组。骨骼胶原蛋白由数百种称为肽的小化合物组成，这些肽在不同类型的动物之间略有不同。通过将神秘骨骼的肽谱与来自已知动物的此类谱库进行比较，可以将未鉴定的骨骼分配到正确的科、属，有时甚至是物种。ZooMS 最初由迈克尔·巴克利（现任职于曼彻斯特大学）和约克大学的马修·柯林斯（均在英国）开发，十多年来一直被用于识别考古遗址的动物骨骼。它相对便宜，每个样本的成本约为 5 至 10 美元，并且具有最小的破坏性——分析仅需约 10 至 20 毫克的骨骼。它也很快捷；一个人每周可以筛选数百块骨骼。

据我们所知，以前没有人使用 ZooMS 搜索人类骨骼。但我们认为我们有机会。我们推断，即使是小碎片也可能有用，因为丹尼索瓦的骨骼胶原蛋白和 DNA 保存完好，这得益于其稳定且非常低的年平均气温（零摄氏度以下）。我们知道我们无法通过 ZooMS 获得物种级别的鉴定。人类物种和大型猿类的胶原肽谱太相似，无法区分。但在旧石器时代，已知没有大型猿类在世界这个地区漫游。因此，如果我们能够将一块骨骼识别为属于由大型猿类和人类组成的群体（统称为人科动物）的成员，我们就可以相当肯定它属于某种人类，并对其进行基因分析，从而提供物种鉴定。

马克斯·普朗克进化人类学研究所的古代 DNA 专家斯万特·帕博（Neandertal Genome Project 的负责人，其团队于 2010 年发表了丹尼索瓦人基因组）出席了 2014 年的丹尼索瓦会议。我们以前没有正式见过帕博，我们很想知道他对我们筛选骨骼碎片的想法有何看法，以及他是否有兴趣合作开展这项工作。他欣然接受了这个机会，并立即表示支持。然后，我们与负责丹尼索瓦工作的俄罗斯科学院的阿纳托利·德雷维扬科和挖掘主任米哈伊尔·顺科夫讨论了我们的计划。两人都对此感兴趣。因此，在那年晚些时候，我们开始对从该遗址新近挖掘出的数千块小碎片（实际上是“毫无价值”的骨骼）进行采样。

从理论上讲，这似乎是一项快速的工作。但实际上，我们面临着一项艰巨的任务，即从每个碎片中细致地移除微小的骨骼样本进行分析，同时注意不要用任何可能污染它们的物质接触这些可能很有价值的标本。我们的一位学生萨曼莎·布朗承担了她的硕士研究论文项目中的大部分这项工作，在牛津大学的实验室里花费了无数的时间。

巴克利与我们在这个项目上合作。当我们准备好 700 到 800 个骨骼样本后，布朗去了他的实验室准备和分析它们。结果很有趣：我们发现了猛犸象、鬣狗、马、驯鹿、披毛犀——完整的冰河时代野兽阵容——但不幸的是，没有一个肽谱与人科动物相符。这令人失望，但我们决定尝试第二批，看看我们是否能从大量的碎片中找到哪怕一块人类骨骼。虽然我们不认为我们有机会，但我们希望被证明是错的。

然后在 2015 年夏天的一个晚上，我们收到了巴克利发来的一封电子邮件。他注意到我们的一个样本 DC1227 具有编码人科动物的特征性肽标记。我们找到了一块人类骨骼碎片——名副其实的沧海一粟！我们欣喜若狂；我们疯狂的想法似乎真的奏效了。

第二天一大早，我们去了牛津的实验室，在存档样本中找到了这块骨骼。当我们看到我们找到的骨骼即使对于丹尼索瓦标本来说也很小——只有 25 毫米长——这让我们有些泄气，这意味着没有剩下多少可用于进一步研究。但鉴于丹尼索瓦遗骸出色的生物分子保存情况，我们相信这足以让我们应用我们想要使用的技术来尽可能多地了解这块骨骼。我们在高分辨率下拍摄了它的照片，对其进行了 CT 扫描，并钻取了额外的样本用于年代测定和同位素分析，然后布朗将骨骼带到莱比锡的帕博实验室进行 DNA 分析。

几周后，年代测定结果出来了。样本中没有任何可追踪的放射性碳，这意味着我们的小骨骼已有 5 万多年的历史。不久之后，我们从帕博那里得知，它的线粒体 DNA——存在于细胞的能量产生细胞器中，并从母亲传给孩子——表明这块骨骼来自一位尼安德特人母亲的个体。我们找到了一块隐藏在数千块“垃圾”骨骼中的人科动物骨骼碎片，并证明了这个概念是可行的。帕博的团队正计划从这块现在以遗址化石 I.D. “丹尼索瓦 11”或我们昵称的 “丹妮”命名的骨骼中提取信息量更大的核基因组。与此同时，我们决定在另一个遗址测试我们的方法。

我们 VS. 他们

克罗地亚的温迪亚洞穴是了解欧洲晚期尼安德特人的关键遗址。多年来的放射性碳年代测定表明，那里的尼安德特人可能一直存活到 3 万年前，这为与解剖学意义上的现代人类（他们在 4.2 万至 4.5 万年前到达该地区）的潜在重叠阶段提供了证据。如此漫长的共存暗示，尼安德特人不是被现代人类驱赶至灭绝，而是被同化到他们的人群中。在重新评估温迪亚年代顺序时，我们决定使用 ZooMS 评估该遗址未鉴定的骨骼可能很有趣。先前对温迪亚更完整骨骼的研究表明，洞熊在遗骸中占主导地位，约占骨骼的 80%，因此我们并不期望找到我们在丹尼索瓦检测到的动物群的多样性和广度。然后，我们的另一位学生卡拉·库比亚克承担了这个项目。

令人惊讶的是，在我们分析的 383 个样本中，第 28 个样本产生了与人科动物一致的肽序列。后来，帕博的团队在基因上证实它是尼安德特人。这块骨骼大约有七厘米长，有趣的是，它表现出切割痕迹和其他人为改造的迹象。尼安德特人骨骼有时带有这些标记，这很可能是屠宰和同类相食的证据。

被称为 Vi-*28 的标本被证明对我们的年代学工作至关重要。从历史上看，考古学家和准备人员使用保护产品处理来自温迪亚的骨骼以保护它们。这种做法使得放射性碳年代测定非常困难，因为这些产品会向骨骼中添加碳。与该遗址的其他人类骨骼不同，Vi-*28 没有被保存；由于被误认为动物骨骼，它逃过了处理——这对我们来说是一个福音。对 Vi-*28 的放射性碳年代测定显示，它属于 4.7 万多年前的尼安德特人。这一发现与我们从其他尼安德特人那里获得的年代数据一起于 2017 年发表，表明他们早在 4 万多年前就从温迪亚消失了，早于现代人类到达该遗址的时间。早期的年代测定结果表明他们持续到至少 3 万年前，这是一种虚构，受到了未被有效去除的污染碳的影响。ZooMS 再次证明了它的价值。

其他团队也成功地运用了这项技术。2016 年，现在丹麦自然历史博物馆的弗里多·韦尔克和他的同事报告说，他们使用 ZooMS 在法国勃艮第地区著名的格罗特杜雷恩遗址未鉴定的骨骼碎片中识别出 28 块以前未被识别出的人科动物化石。几十年前，在那里工作的研究人员发现了与一系列令人惊讶的精巧人工制品相关的尼安德特人骨骼，包括骨器工具，以及吊坠和其他身体装饰品——所谓沙泰勒佩隆文化的要素，据说该文化是中旧石器时代和旧石器时代晚期之间的过渡文化。这一发现与长期以来认为只有智人才具有如此独创性的观点背道而驰。这样做，它引发了一场持久的辩论，即尼安德特人是否真的与先进的人工制品有关，或者该遗址的考古层面是否受到某种程度的扰动，将尼安德特人骨骼与后来智人留下的文物混合在一起。

韦尔克和他的同事使用 ZooMS 鉴定为人类的 28 块骨骼碎片都清楚地来自与先进工具和装饰品相同的地层。当他们对这些骨骼进行测序时，结果是不言而喻的：这些标本是尼安德特人，而不是智人。这项工作为尼安德特人确实制造了沙泰勒佩隆和其他过渡产业，并且他们比通常认为的更聪明这一观点提供了相当大的支持。

混血儿童

在我们温迪亚的工作中，我们继续分析来自丹尼索瓦的样本，希望我们能为我们的收藏增加更多的人类化石。我们的努力又获得了两个人科动物的命中：DC3573，结果证明它属于 5 万多年前的尼安德特人；以及 DC3758，一块 4.6 万年前的骨骼，不幸的是，它没有保存任何古代 DNA。超过 5000 块骨骼碎片现在总共给了我们五块人科动物骨骼，如果不是 ZooMS，它们可能会永远默默无闻。

但最激动人心的发展还在后头。2017 年 5 月，我们在马克斯·普朗克进化人类学研究所会见了帕博实验室的高级成员，包括马蒂亚斯·迈耶和珍妮特·凯尔索。我们想知道丹尼索瓦 11 的状况，以及他们是否设法提取了核 DNA，这将为我们提供关于丹尼索瓦 11 是谁的更详细的图景。

在科学领域，人们并不经常收到完全令人震惊的消息，但迈耶和凯尔索确实带来了这样的消息。他们说，核 DNA 奇怪地分裂了：一半与尼安德特人一致，另一半似乎来自丹尼索瓦人。他们认为丹尼索瓦 11 是 50-50 的混血儿。为了排除所有出错的可能性，该团队正在再次运行样本以验证这一惊人的结果。几个月后，最终数据证实了最初的发现。线粒体 DNA 只给了我们一半的图景。我们发现的不是尼安德特人，而是一个母亲是尼安德特人，父亲是丹尼索瓦人的个体——在遗传学家的术语中，这是一个第一代混血儿。丹尼索瓦团队在 9 月 6 日的自然杂志上宣布了这一惊人的发现，论文由马克斯·普朗克进化人类学研究所的维维安·斯隆领导。

我们现在从 DNA 中得知，丹尼索瓦 11 是一位女性，她可能生活在大约 9 万到 10 万年前。我们进行的 CT 扫描生成的骨密度分析使多伦多大学的同事本斯·维奥拉能够初步估计她去世时的年龄至少为 13 岁。她的丹尼索瓦父亲本人在几百代以前有一位遥远的尼安德特人亲戚。当然，我们永远无法知道这些结合在史前史中是如何发生的，只能知道它们确实发生过。我们也不能确定丹尼索瓦 11 是如何死亡的，只知道她的遗骸很可能是被捕食者（可能是鬣狗）沉积在洞穴沉积物中的。

我们永远不会知道她是否死后被亲人举行仪式埋葬，只是后来被鬣狗清扫了，还是死于捕食者。数万年来，她身体的这块微小碎片一直静静地躺在洞穴中，如果不是因为尖端科学让我们能够为她的故事注入活力，它很可能还会在那里待上很多年。我们希望 ZooMS 将帮助我们解开更多此类档案在骨骼中的秘密。