常见的碎骨化石中可能藏有宝贵的人类遗存，窍门在于如何把它们挑出来。科学家发明了一项新技术，能够鉴定出微小的人科骨头化石碎片，帮助我们了解史前不同人种的战争、交融和消亡。撰文 | 托马斯 · 海厄姆（Thomas Higham）、卡特琳娜 · 杜卡（Katerina Douka） 抵达西伯利亚南部的丹尼索瓦洞穴后，我们感觉如释重负。经过11个小时的颠簸车程，从新西伯利亚市往东南方向开，穿过草原，再越过阿尔泰山脉的山麓丘陵，当野外营地突然出现在泥巴路的一个拐弯后面时，所有关于长途旅行的不快全都消失了。目之所及，只见陡峭的山谷、湍急的河流和当地阿尔泰人的传统木屋在眼前展开，还有金雕在天上翱翔。几百米外，一个石灰岩洞穴坐落在阿努伊河上方，在那里，科学家正进行着最令人激动的研究，有望揭开人类起源的谜题。要了解在旧石器时代，人类祖先有着什么样的行为以及如何互动，丹尼索瓦洞穴无疑是最热门的研究地点。我们所属的智人，几十万年前起源于非洲，当他们后来开始扩散到欧洲和亚洲时，遭遇了其他人种，比如尼安德特人，并与之一起在地球上生存了几千年，直到这些人种最终灭绝。科学家之所以知道这些不同的人种有过交集，是因为今天的人类携带着来自我们已经灭绝的亲戚的DNA——这正是早期智人与其他人种杂交的结果。我们不知道的，也是我们迫切想了解的是，这些不同的人种在什么时候、什么地方相遇，混种的程度有多高，以及他们在文化上对彼此的影响。事实上，一些重要的考古遗址正是属于这一过渡时期，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内的许多遗址都缺少足够完整的人类化石，让科学家能够根据骨骼的形态特征判断它所属的人种，正是这种缺失让我们无法确认各个人种制作了哪些工具，以及在何时制作的。
在采集样本进行ZooMS 分析和放射性碳-14 测年之前，考古学家先检查丹尼索瓦洞穴中的考古沉积物。
辨别人科化石的利器
从上世纪80年代开始，俄罗斯的考古学家就一直在发掘丹尼索瓦洞穴遗址。但2010年的一项发现，才真正让丹尼索瓦洞穴名声大噪。那一年，德国马普进化人类学研究所的科学家，公布了他们对2008年在丹尼索瓦洞穴出土的一块人骨的DNA分析结果。他们从这块人骨化石（一块指骨）提取的DNA，揭示了一个前所未知的人种（或者说人科成员）。这个人种和我们一样，与尼安德特人的关系非常密切。这块骨头来自一位年轻的女性，最初被称作“X女人”，她属于科学家现在称为丹尼索瓦人的人种。从那以后，考古学家继续发掘出一些人类的骨头和牙齿化石，它们来自于丹尼索瓦人和尼安德特人。来自丹尼索瓦洞穴的发现表明，现代基因鉴定技术能够从骨头化石中收集到非常有用的信息：不仅能发现未知人种的存在，还能告诉我们，这些人种如何与人类祖先互动。举例来说，通过DNA分析，我们知道在过去10万年里，尼安德特人和现代人的祖先至少杂交了三次，而且尼安德特人和丹尼索瓦人，以及现代人的祖先和丹尼索瓦人之间也发生了杂交。这样一来，关于现代人的起源，我们长期公认的理论——智人走出非洲并轻松取代了其他的古老人种，很快就让位于一个更加复杂、还不太完善的理论，即不同人种群体之间进行杂交和基因流动。然而，丹尼索瓦洞穴出土的大多数骨头化石都非常破碎，我们无法分辨出它们属于哪些人种。除此之外，丹尼索瓦洞穴的年份是出了名的难以鉴定。2014年，本文作者都来到当地，参加了丹尼索瓦洞穴遗址研究团队的一次会议。我们当时提出了一个想法，可能有助于了解现代人祖先、尼安德特人和丹尼索瓦人之间互动的细微场景。丹尼索瓦洞穴遗址最明显的一点就是，所有已知的人属骨头化石都非常破碎，只有3～5厘米长，主要原因是鬣狗等食肉动物的活动：鬣狗在洞穴中抚养幼崽并嚼碎骨头喂食。2008年以来，丹尼索瓦洞穴遗址发掘出了超过135 000块骨头，但95%的骨头都因为过于破碎，而无法根据形态学特征来判断其所属物种。相比之下，这些碎骨中生物分子——包括构成DNA的分子——却保存得异常完好。我们在想，有没有一种方法能从这些骨头碎片中筛选出更多的人属骨头？如果有的话，也许我们就能获取更多的DNA数据和测年数据，甚至还能发现隐藏在这个洞穴遗址里的新人种。就在那时，我们意识到ZooMS技术是开展这项筛选工作的不二人选。
这块来自西伯利亚丹尼索瓦洞穴遗址的碎骨，是通过ZooMS技术鉴定为人类或类人猿种属的最新标本。ZooMS技术，也叫胶原蛋白肽质量指纹图谱，可以通过分析胶原蛋白（一种对骨骼、毛发和指甲形成至关重要的蛋白质），来确定碎骨的种属。胶原蛋白是由几百个被称为多肽的化合物组成，在不同种类的动物身上，这些多肽的种类也有少许差异。将未知种属的骨头的肽段特征与已知种属动物的肽段特征库进行比较，就有可能对未知骨头进行正确鉴定，弄清楚它们在分类学意义上的科、属，有时甚至可以鉴定出它们属于哪个种。据我们所知，当时还没有人用ZooMS技术来筛选人类骨头。但我们相信这值得尝试。根据我们的判断，即使是小碎骨也可能有用，因为在丹尼索瓦洞穴遗址，里面的年平均气温很低，在零摄氏度以下，所以骨头中的胶原蛋白和DNA都保存良好。我们也清楚，仅利用ZooMS技术是无法鉴定样本属于哪一个物种。比如，人类和类人猿骨头胶原蛋白的多肽特征就因为太相似而无法区分。但在旧石器时代，没有类人猿曾在这一地区活动。因此，如果我们能鉴别出一块骨头属于包含类人猿和人类的人科，我们就可以相当肯定地说，它属于某种人类，然后开展后续的DNA分析，从而确定它属于哪个人种。
使用ZooMS 技术，需要从每个小样品上锯下20 毫克样品
马普进化人类学研究所的古DNA专家斯万特·帕博（Svante Pääbo）也参加了2014年在丹尼索瓦洞穴的会议。我们一拍即合，他立即给予了支持。随后，我们与俄罗斯科学院、主管丹尼索瓦洞穴遗址研究的阿纳托利·德列维扬科（Anatoly Derevyanko），以及此次发掘工作的负责人迈克尔·顺科夫（Michael Shunkov）讨论了我们的计划。他们两人都很感兴趣。同年晚些时候，我们便开始了取样，从该遗址最近发掘出来的、从哪个角度看都“无用”的骨头中，采集了大约3000块小碎骨。从理论上说，这项工作似乎很快就能做完。但实际上，我们面临的是一项大型工程：我们必须费力地从每块碎骨上抠出一小块样本进行分析，小心翼翼地避免使用任何有可能带来污染的材料来接触有潜在价值的样本。当我们准备好了700～800个骨头样本时，布朗就把它们送往巴克利的实验室进行分析。结果很有趣：样品中有猛犸象、鬣狗、马、驯鹿和披毛犀——典型的冰河时代动物，但遗憾的是，没有一个样品的多肽特征与人科相符。尽管结果令人失望，但我们还是决定再试一批样品，看能否从这一大堆碎骨中找到哪怕一块人骨。2015年夏天的一个晚上，我们收到了巴克利的一封电子邮件。他注意到，我们的一个样本——DC1227有着人科特有的多肽特征。我们终于找到了一块人类碎骨，真像是大海里捞着了针，我们为此欣喜若狂：疯狂的想法奏效了。第二天一早，我们就去了牛津大学的实验室，在存档的标本中找到了样本DC1227对应的骨头。当看到那块碎骨时，我们有点失望，因为即使按照丹尼索瓦洞穴的标准，它也太小了，只有25毫米长，都可能不够后续研究。但考虑到丹尼索瓦洞穴遗址出土的骨头中的生物分子保存得十分完好，我们认为这足以让我们使用其他技术从这块碎骨上获取更多信息。我们拍摄了骨头的高分辨率照片，对它进行了CT扫描，还钻取了一些粉末样品用于年代测定和同位素分析，然后布朗把这块骨头的剩余部分拿到帕博的实验室进行DNA分析。几周后，测年结果出来了。样品中没有任何可追踪的碳-14，这意味着我们这块小骨头的年代已经超过5万年了。不久，帕博告诉我们，这块碎骨的线粒体DNA（位于细胞中制造能量的细胞器中，并由母亲传给孩子）表明，这块骨头的主人有一位尼安德特人妈妈。接着，帕博的团队计划从骨头中提取细胞核基因组，以获取更多信息。现在，这块人骨在该遗址中被命名为“丹尼索瓦11号”化石，我们也叫它“丹尼”。
混血儿的发现
最令人兴奋的发现来了。2017年5月，我们在马普进化人类学研究所会见了帕博实验室的资深成员，其中包括马蒂亚斯·迈耶（Matthias Meyer）和珍妮特·凯尔索（Janet Kelso）。我们想知道丹尼索瓦11号骨头化石的进展，以及他们是否成功地提取了它的细胞核基因组，后者将提供更详细的信息，告诉我们丹尼索瓦11号到底是谁。
用于碳-14 测年分析的样品
在科学界，“大新闻”可遇而不可求。但这次，迈耶和凯尔索就弄出了这样一个大新闻。他们说，丹尼索瓦11号的细胞核基因组很奇怪，有两个来源：一半属于尼安德特人，另一半属于丹尼索瓦人。他们就此认为丹尼索瓦11号是两种古人类的混血后裔。为了排除所有可能的错误，他们再次分析了样本来确认这个惊人的发现。几个月后，他们获得了最终数据，并证实了最初的发现。起初，线粒体DNA只提供了母系遗传信息。但细胞核DNA表明，我们发现的并不是一个尼安德特人，而是一位拥有尼安德特人母亲和丹尼索瓦人父亲的个体——用遗传学家的话说，丹尼索瓦11号是第一代混血儿。DNA分析告诉我们，丹尼索瓦11号人是一名女性，生活在距今9万～10万年前。我们在多伦多大学的同事本斯·维奥拉（Bence Viola）利用CT扫描分析了样本的骨密度，初步估计她的死亡年龄为至少13岁。她的丹尼索瓦人父亲，有一个几百代之前的尼安德特人远亲。当然，我们永远无法知道史前时期这些结合是怎么发生的，只知道它们确实发生了。我们也无从知道丹尼索瓦11号是如何死亡的，只知道她的遗骸可能是被一种食肉动物（可能是鬣狗）带入到洞穴，进入了沉积层。我们永远无从知道她是死后被亲人举办仪式埋葬，后来又被鬣狗抢食，还是被食肉动物夺去了生命。上万年来，她的一小片遗骸就静静地埋在洞穴里。如果不是最新的技术让我们得以讲述她的故事，她可能还要继续默默无闻下去。我们期待着ZooMS技术将帮助我们解开更多像这样的骨头中的秘密。托马斯·海厄姆是牛津大学牛津碳-14加速器质谱部的负责人，他主要研究欧亚大陆旧石器中晚期考古遗址的骨骼年代测定。卡特琳娜·杜卡是德国马普人类历史科学研究所的科技考古学家，她正带领一个团队，从亚洲遗址出土的种属不明的碎骨中寻找尼安德特人和丹尼索瓦人的骨头。
《环球科学》10月新刊正在热卖
各电商平台均有销售
