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2021年年末，《科學》雜志提名了十項年度科學突破，其中不少進展與生命科學息息相關，而且充分展現了現階段科學突破中，生命科學與其他學科交叉碰撞出來的強大能量。
今天我們先來聊聊“古DNA”——生命科學技術與考古學能碰撞出什么火花。
說到DNA，大家或許都知道，DNA序列里的四種組成單位（堿基）A、T、C、G可以排列組合，組成復雜的生命遺傳密碼。
換句話說，解密了DNA里的遺傳信息，我們就能大概了解一個物種的全貌。
DNA簡單的結構卻蘊含了生命的大部分信息
對于現生的生物，我們可以通過直接觀察，知曉他們的長相和習性；但在生命的歷史長河中，還有很多生物是我們從來沒有見過的，比如已經滅絕了幾萬年的猛犸象、劍齒虎，或者是已經不復存在的古人類。
對于這些生物，我們只能通過有限的化石去推測、推想它們本來的樣貌，可能的生活習慣或者行為方式，這也是古生物學家和考古學家非常依賴化石、考古遺址的原因。
和你想象的不一樣，古生物學家面對的化石往往是像這樣殘缺的信息，甚至可能只有一小塊骨頭，圖為南方古猿“露西”的化石，通過這個化石古生物學家推斷出最早的直立行走人猿 | 圖源：Wikipedia
但這時候，生命科學家帶著DNA的研究橫空出世，通過采集木乃伊、化石這些考古材料上少量的DNA，還原出古生物的樣貌。從而能夠和考古學家們一起，回答一個我們熟悉的哲學問題：我，從哪里來？
古DNA的研究也就此誕生。
古DNA的研究方式其實和生物實驗室提取DNA差不多：從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，結合擴增技術，把微量的DNA提取出來。其中的區別就在于要確保實驗的高度潔凈，避免實驗人員和微生物的DNA污染，要不然就會掩蓋掉本就不多的古DNA信息。
古DNA研究流程 | 圖源見右下角
相比于考古學需要完整的化石才能研究不同，古DNA研究的優勢在于，只要有一小塊骨頭就能知獲取很多遺傳密碼、知道很多遺傳信息。
比如在西伯利亞發現的丹尼索瓦人化石，只有一塊小拇指指骨和一顆牙齒，但古生物學家通過古DNA測序，就能推測出她是個新發現的古人類女性，并構建出這種古人類丹尼索瓦人的基因組。
最早的丹尼索瓦人化石，除了一顆牙齒，只有這一小塊指骨 | 圖源：Wikipedia
雖然只要一小塊化石可以提供足夠的古DNA做研究，但符合條件的古人類化石并不多。
這也是為什么古DNA研究開展了幾十年，對于像丹尼索瓦人和尼安德特人這樣的古人類，目前只產生了23個基因組——能取的化石基本都取完了，古人類的化石保存下來的可能很少，或者說我們現在挖掘得到的就比較少。
所以這個時候，生物學家們就開始“另辟蹊徑”了：如果某個洞穴里確實有古生物生活過，那是不是就可以不從化石入手，而是從洞穴本身來研究呢？
于是他們嘗試從土壤里提取DNA。其實對生物學家來說，提取土壤里的DNA并不陌生，比如環境DNA的研究，就會依據土壤里殘留的動物DNA或植物DNA，或者海水里的生物DNA，來推斷這片環境有沒有生物存在過。
但是土壤里，會有古DNA嗎？
這個概念最早是環境DNA | 圖源網絡
2017年，研究者開始嘗試在土壤里提取DNA，再利用我們已經知道的DNA序列去設計探針，抓取到想要的古生物信息。
舉個例子來講，這就像是尋找關鍵詞——比如在下面這么一大堆文字里，你想要找到“帶你用生命科學的角度看世界”這行字，就可以搜“帶你用”和“看世界”，就能輕而易舉把類似的文字找出來。
提取古DNA的過程也是這樣的，在混雜了土壤微生物、現在的動物甚至是考古人員的DNA里，就要設計這樣的探針，來找到我們想要的古生物DNA。
隨著類似技術的不斷改進，生物學家和考古學家們也利用這些技術在不同的洞穴里發現了越來越多的古人類信息，也就向著“我從哪里來的”這個終極問題又邁進一步了。
這里給大家舉兩個有意思的例子，大家就知道這個技術為什么重要了。
一是去年我國研究古DNA的付巧妹團隊和考古方向的張東菊團隊的研究成果。在幾年前甘肅省青藏高原上的白石崖山洞里，他們發現了一塊古人類的下巴骨，但是上面幾乎沒有什么古DNA信息了，從形態上看也很難進行判斷。
研究團隊正在采集土層樣品 | 圖源：Science
因此2020年，通過剛剛我們說的洞穴土壤中提取古DNA的方法，提取到了242種不同時期哺乳動物的DNA，再通過抓取的方法，找到里面的古人類信息。
他們分析出了這個洞穴曾經居住過的古人類——竟然就是十幾年前在西伯利亞發現的丹尼索瓦人！這也說明這些古人類的生活蹤跡遠遠不止在歐洲和西伯利亞，可能早已在遷徙到了中國區域，而且還能在青藏高原這樣寒冷缺氧的環境生存。
比對結果發現非常接近古人類丹尼索瓦人
| 圖源：Zhang D, et al. Science, 2020.
另一項有意思的研究也是面臨著沒有化石的困擾：在西班牙的一個洞穴里，發現了五百多件古人類尼安德特人使用過的石器，以及一小塊古人類的腳趾頭化石，幾乎不可能從化石里提取古DNA來研究了。
但是通過土壤里的古DNA，研究者們發現了更多的尼安德特人個體，而且這些個體跨度從六七萬年前到十幾萬年前不等，非常豐富多彩。
通過和其他地方發現的尼安德特人基因組比較，研究者發現，十幾萬年的尼安德特人可能和現代人一樣有著不同的族群，遺傳多樣性很豐富，但是可能受到十萬年前一次冰川期的影響，結果只剩下一兩個群體了：而這樣復雜的古人類群體演變信息可以在一個洞穴的土壤里看到，這在幾年前是想都想不到的。
研究中的西班牙洞穴，以及土層中發現的兩個古人類群體 | 圖源：Vernot B, et al. Science, 2021.
當然，現在土壤里的古DNA研究仍然存在不少難題，需要生命科學和考古學一起來解決：如果只是隨便一抔土，可沒辦法提取有價值的古DNA；我們需要依靠考古學謹慎嚴謹的土層劃分，去區分不同土層的年代，才能在特定土層里提取到DNA；同時也需要生物學家構建更好的古人類基因組，設計更高效的探針，才能找到這些古DNA信息。
深挖土壤古DNA背后的遺傳密碼，未來我們或許就能真正探索到我們的祖先：他們是怎么在一眾古人類中脫穎而出？是什么獨特的特征使他們成就了現在的我們？相信考古學和生命科學的交叉可以告訴我們答案。
參考資料
Zhang D, Xia H, Chen F, et al. Denisovan DNA in late pleistocene sediments from baishiya karst cave on the Tibetan Plateau[J]. Science, 2020, 370(6516): 584-587.
Vernot B, Zavala E I, Gómez-Olivencia A, et al. Unearthing Neanderthal population history using nuclear and mitochondrial DNA from cave sediments[J]. Science, 2021, 372(6542).
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