夏河丹尼索瓦人研究入選《科學(xué)》雜志“2019年十大科學(xué)突破”

青藏高原人類史前推12萬年(解碼)

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丹尼索瓦人是已滅絕的古人類種群。關(guān)于這個神秘的“全新”人種，各國的科學(xué)家和考古學(xué)家一直在努力揭秘。中國科學(xué)家的研究成果，證實了青藏高原一處洞穴內(nèi)發(fā)現(xiàn)的人類下頜骨化石屬于丹尼索瓦人，將青藏高原上的人類活動歷史由從前的3萬—4萬年前，提前至距今16萬年。這個發(fā)現(xiàn)刷新了人們對青藏高原最早人類活動歷史和史前人類高海拔環(huán)境適應(yīng)的認識，更為人類演化史拼圖補上了關(guān)鍵一塊。

日前，美國《科學(xué)》雜志公布了其評選的2019年十大科學(xué)突破，由中國科學(xué)院青藏高原研究所研究員陳發(fā)虎院士和蘭州大學(xué)張東菊副教授領(lǐng)銜的夏河丹尼索瓦人研究成果入選。在此之前，該成果還曾相繼入選美國《考古學(xué)》雜志評選的2019年度世界十大考古發(fā)現(xiàn)、《科學(xué)新聞》雜志評選的2019年度十大科學(xué)新聞。

夏河丹尼索瓦人是如何被發(fā)現(xiàn)的？它的發(fā)現(xiàn)有何重要意義？

發(fā)現(xiàn)神秘人種的重要線索

冰河時代，曾有一個神秘的人類種群與我們的祖先共同生活在這個世界上。

2008年，在俄羅斯西伯利亞南部阿爾泰山脈的一個名叫“丹尼索瓦”的山洞里，人們首次發(fā)現(xiàn)了他們的“蹤跡”——一截指骨化石和兩顆牙齒化石。

兩年后，科研人員從這截指骨化石中提取到了古DNA，分析研究后發(fā)現(xiàn)這些化石來自4萬年前，主人是一個5—7歲的小女孩。最特別的是，她不同于此前發(fā)現(xiàn)的早期現(xiàn)代人、尼安德特人以及弗洛勒斯人，屬于一個“全新”人種。于是，依據(jù)發(fā)現(xiàn)地的地名，將其命名為“丹尼索瓦人”。

隨后，通過DNA檢測和比對，科研人員發(fā)現(xiàn)丹尼索瓦人的基因廣泛散布在現(xiàn)代亞洲人、澳大利亞土著人群和大洋洲的美拉尼西亞人群中。“尤其是青藏高原上的藏族人群和夏爾巴人群，丹尼索瓦人可能給他們貢獻了一種名為EPAS1的變異等位基因。這一等位基因為其提供了適應(yīng)高海拔缺氧環(huán)境的能力。”陳發(fā)虎說。

發(fā)現(xiàn)丹尼索瓦人的西伯利亞丹尼索瓦洞海拔并不高，僅有700米，為何丹尼索瓦人化石里能檢測到這種適應(yīng)高原缺氧的EPAS1基因？而且，除了這個山洞之外，此前在其他地方未曾發(fā)現(xiàn)過任何丹尼索瓦人的存在蹤跡。

各國的科學(xué)家和考古學(xué)家們一直在尋找答案。

2019年5月，這一謎題有了被解開的希望。陳發(fā)虎、張東菊團隊從來自甘肅省夏河縣白石崖溶洞中的一塊古人類下頜骨化石上找到了新線索。這塊古人類右側(cè)下頜骨化石，長約12厘米，包括第一和第二臼齒兩顆完整牙齒。通過對化石進行測年、體質(zhì)形態(tài)和古蛋白質(zhì)等分析，研究人員確定其為丹尼索瓦人或其近親種，是一個青少年個體。

陳發(fā)虎說：“白石崖溶洞海拔3280米。只有長時間生活在高海拔地區(qū)，才可能選擇出耐低氧基因。丹尼索瓦人可能最早生活在包括青藏高原以內(nèi)的廣大東亞地區(qū)，在向青藏高原擴散的過程中，獲得了適應(yīng)高寒缺氧的基因，然后傳給了現(xiàn)在的藏族人群和夏爾巴人群。”

當然，上述結(jié)論目前還只是在前期科學(xué)研究的基礎(chǔ)上進行的邏輯推理，未得到進一步考古學(xué)的驗證。“這也是我們接下來要做的工作之一，就是綜合運用環(huán)境考古學(xué)和遺傳學(xué)等多學(xué)科研究來追蹤EPAS1基因的來源。”陳發(fā)虎說。

判斷驗證古老化石的種屬

此次發(fā)現(xiàn)的夏河丹尼索瓦人化石，最早“現(xiàn)身”還要追溯到1980年。

那年，有人在甘肅夏河甘加鄉(xiāng)的白石崖溶洞里意外發(fā)現(xiàn)了一塊人骨，幾經(jīng)輾轉(zhuǎn)，這塊化石被交到了原中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所研究員董光榮手上。董光榮原本計劃與當時還在蘭州大學(xué)任教的陳發(fā)虎一起商量如何展開進一步研究，后來擱置了。直到2010年，針對化石的研究工作才得以正式啟動。

“光有化石是不夠的，我們要對化石出土的具體層位、地點和區(qū)域進行深入研究，才能獲得化石所代表的古人類更準確的時空生存信息。”陳發(fā)虎說。因為發(fā)現(xiàn)年代久遠，該化石在白石崖溶洞的具體出土地點和層位信息不得而知，關(guān)于化石發(fā)現(xiàn)地的信息僅來自于發(fā)現(xiàn)人所述。過去10年，研究團隊考察了甘加盆地的20多個洞穴，最終確定了白石崖溶洞為化石出土地點。

“由于該化石并非正式發(fā)掘出土，而且發(fā)現(xiàn)時間久遠，盡管出土地點確定，但仍無法獲得其埋藏地層信息，很難進行年代測定。”張東菊說。慶幸的是，化石外包裹著一層碳酸鹽。研究人員對其進行了鈾系測年，結(jié)果顯示該化石形成于至少距今16萬年前。

時間確定后，如果再能夠從化石中提取出有效的DNA，就可以從分子層面做出準確判斷，確定這塊下頜骨的主人是誰。遺憾的是，研究人員最終未能從樣本中提取出古DNA來。

張東菊解釋說：“在生物死亡過程中，細胞會逐漸發(fā)生自溶。在高溫和潮濕的條件下，DNA也容易發(fā)生水解、斷裂。此外，許多微生物也會污染吞噬DNA。即使在理想的寒冷環(huán)境下，能留存下來的古DNA也不會超過100萬年。”

為進一步確定化石種屬，研究團隊利用了古蛋白質(zhì)分析。“人體中蛋白質(zhì)的氨基酸序列及其結(jié)構(gòu)同樣記錄著人類遺傳信息，雖然其分辨率比DNA小得多，但其保存時間往往比DNA更長，因此對于判斷時間較長或出土于濕熱環(huán)境的古老化石種屬非常有效。”張東菊說。

很幸運，這次研究人員在化石中發(fā)現(xiàn)了丹尼索瓦人特有的蛋白質(zhì)。通過古蛋白質(zhì)分析，研究人員最終發(fā)現(xiàn)該化石在遺傳學(xué)上與阿爾泰山地區(qū)丹尼索瓦洞的丹尼索瓦人親緣關(guān)系最近，可以確定為青藏高原的丹尼索瓦人，稱為夏河丹尼索瓦人。

補上人類演化史拼圖的關(guān)鍵一塊

人類何時登上青藏高原和如何適應(yīng)高原環(huán)境，一直是古人類學(xué)界和青藏高原科學(xué)考察的重點。

此前，考古學(xué)家認為青藏高原有明確記錄的人類遺址最早也就到1.5萬年前。2018年底，中科院古脊椎動物與古人類研究所研究員高星和副研究員張曉凌在尼阿底遺址(海拔4600米)的新發(fā)現(xiàn)將人類登上青藏高原的歷史推至3萬—4萬年前。

陳發(fā)虎說：“夏河丹尼索瓦人下頜骨化石的發(fā)現(xiàn)將青藏高原上的人類活動歷史提前至距今16萬年，向前推進了12萬年，刷新了人們對青藏高原最早人類活動歷史和史前人類高海拔環(huán)境適應(yīng)的認識，更在人類演化史‘拼圖’中拼上了關(guān)鍵的一塊。”

雖然新發(fā)現(xiàn)的化石僅保存了下頜骨右側(cè)，但已是目前發(fā)現(xiàn)的體積最大的丹尼索瓦人化石，為丹尼索瓦人體質(zhì)形態(tài)研究提供了重要證據(jù)。

“下頜骨的形態(tài)表現(xiàn)出一些古老性，更接近中更新世的化石人類，其下頜骨粗壯，低厚，尤其是缺少下巴頦。”陳發(fā)虎說：“通過下頜骨幾何形態(tài)測量，我們也發(fā)現(xiàn)了一些原始性，包括變異在中更新世化石人類范圍內(nèi)，而在直立人變異范圍的邊緣，更接近中國藍田人、周口店人。但相反的是，從牙齒排列的形態(tài)來看，與直立人有所差別，不像直立人那么長，而更接近于中更新世尼安德特人和現(xiàn)代智人的一些標本。”

團隊研究人員透露，接下來還將對丹尼索瓦洞丹尼索瓦人和夏河丹尼索瓦人的交流、遷移、擴散問題，夏河丹尼索瓦人的遺傳特征、體質(zhì)形態(tài)特征及文化特征，夏河丹尼索瓦人在青藏高原上的時空分布、與東亞其他古人類以及現(xiàn)代人的關(guān)系等問題，開展進一步研究工作。