青藏高原上的丹尼索瓦人｜张东菊 一席第824位讲者

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这块化石被鉴定为丹尼索瓦人的时候，我们非常兴奋，因为考古学家找了它十年 | 张东菊 一席第824位讲者

Original 一席YiXi 一席  2021-01-12

张东菊，兰州大学资源环境学院教授。

丹尼索瓦人在青藏高原上有没有跟现代人见过面，从而将他们可能携带的高海拔环境适应基因传给现代人，而进一步延伸到现在的藏族人群，这是我们下一步的一个工作计划。

青藏高原上的丹尼索瓦人

2020.12.13 广州

                             

大家好，我是来自兰州大学的张东菊，很高兴来一席跟大家分享我们团队近期在青藏高原上的研究成果。

我演讲的题目是：青藏高原上的丹尼索瓦人。我们首先了解一下谁是丹尼索瓦人。这要从俄罗斯南部一个重要的旧石器时代考古遗址——丹尼索瓦洞讲起。

 

▲ 位于俄罗斯南部的丹尼索瓦洞

这个洞穴位于西伯利亚南部，其实离我们中国的西北角——阿尔泰山北部区域非常近。

这个洞穴是1977年发现的，里面保存了大量的考古遗存。从1982年开始， 研究团队就对这个洞穴进行考古发掘，持续了几十年。

 

2008年的时候，这个洞穴里发现了一件骨骼化石。这件骨骼化石非常小，尺寸不足一厘米，但从形态上可以判断它是人类的骨骼化石，是人类小拇指骨骼的一小部分。就这么一点点大。

 

由于它的尺寸很小，所以研究人员只能判断它是人的骨骼，没有办法判断它属于哪种具体种属。

 

要鉴定它的种属，需要借助最先进的分子考古学方法。德国马普进化人类学研究所的Svante Pääbo团队是这方面最权威的一个团队，他们此前主要是专注于尼安德特人的研究。

 

▲ 尼安德特人复原像

尼安德特人是大约距今30万年到3万年之间，广泛分布于欧亚大陆西侧的一种古老型智人，我们看它的分布区域其实到达了南西伯利亚地区，就是丹尼索瓦洞所在的这个区域。

 

▲ Delson, Nature, 2019

当年Svante Pääbo团队在这个区域寻找尼安德特人，他们认为这个指骨化石很有可能是尼安德特人的，所以对它进行了DNA分析。

 

对于化石的DNA分析，我们一般会提取化石里面的两种DNA。一种是线粒体DNA，我们细胞质里面的线粒体上携带遗传信息，但是它只是母系遗传，也就是说它的遗传信息比较有限。另外就是细胞核中的染色体上的双螺旋结构上面的基因信息，它来自于父系和母系，可以反映完整的人类演化历史。

 

这个研究团队首先对这件化石进行了线粒体DNA的分析，发现它跟我们所有的现代人以及尼安德特人都不一样，可以说，他们发现了一个新的人种。

由于这个化石发现于丹尼索瓦洞，所以他们将这个新的人种命名为丹尼索瓦人。2010年，我们第一次知道了丹尼索瓦人这样一个新的人种。

随后研究团队对这个化石提取了核DNA，刚才说到，核DNA承载的遗传信息更为丰富。对这个化石的核DNA分析显示，丹尼索瓦人与刚才提到的尼安德特人有更紧密的遗传联系，与我们现代人在大约76万年到55万年之间分开，可以说丹尼索瓦人和尼安德特人是姐妹群。

 

▲ Douka, et al., Nature, 2019；Prüfer, et al., Nature, 2014；Jacobs, et al., Nature, 2019

丹尼索瓦人和尼安德特人一样，都属于人类演化历史当中的古老型智人，也就是现代人之前的一个人类演化阶段，是人类演化史的倒数第二个阶段。

 

在这个研究之后，研究人员在丹尼索瓦洞陆续发现了更多的丹尼索瓦人化石。

除了刚才说的这件手指骨的碎片之外，他们还发现了另外三件丹尼索瓦人的牙齿以及牙齿碎片。同时在这个洞穴里面还发现了三件尼安德特人的骨骼，他们在这个洞穴里生活的时间是距今19万年到10万年之间，和丹尼索瓦人有大约10万年的共存时间。

 

▲ 丹尼索瓦洞发现的古人类化石

另外，这个洞穴里还发现了丹尼索瓦人和尼安德特人的第一代混血儿——也就是他的父亲是丹尼索瓦人，母亲是尼安德特人。可见丹尼索瓦人和尼安德特人是有基因交流的。

 

但是2019年之前，全世界已发现的所有丹尼索瓦人化石只限于这四件。这些化石不仅数量少，而且个体非常小，一个火柴盒就可以放下所有化石。所以，尽管我们有了很完备的丹尼索瓦人的遗传信息，知道了他跟其他古人类之间的关系，但是我们根本不知道他长什么样子，所以我们称丹尼索瓦人为神秘的古人类。

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丹尼索瓦人生活在哪些区域？

除了丹尼索瓦洞，在其他区域有没有发现丹尼索瓦人呢？2019年之前，在其他遗址没有发现过丹尼索瓦人的化石，也就是丹尼索瓦人曾经生活在哪些区域，这个我们是不知道的。

 

丹尼索瓦人留下了非常好的遗传信息，那么我们是否能从遗传信息上得出它的空间分布范围？

通过与所有的现生人群进行基因对比发现，丹尼索瓦人对于东亚、东南亚、南亚以及大洋洲人群，还有美洲土著人群，都有不同程度的基因贡献，但是对于欧亚大陆西部的欧洲和非洲人群都没有基因贡献。从这个研究结果推测，丹尼索瓦人是否曾经广泛分布在欧亚大陆东侧这个区域呢？

 

遗传学家在丹尼索瓦人的基因里面还发现了一个独特的基因，叫做EPAS1，我们称它为高海拔环境适应基因，这个基因在80%的藏族人群体内都有发现。

 

藏族人群因为具有了这样一个基因，他们不会像我们生活在低海拔区域的人群一样，在高原上会出现头疼、恶心、睡不着觉这样一些反应。

 

那么生活在海拔只有700米的丹尼索瓦洞的丹尼索瓦人，他们为什么会携带高海拔环境适应基因？现代藏族人群携带的高海拔环境适应基因，是否就来自丹尼索瓦人呢？从2014年研究人员发现这个现象开始，到2019年，大家一直有这样的困惑。

 

一块人类下颌骨化石的发现

上个世纪80年代，一位僧人在甘肃省南部的夏河县发现了一件人类下颌骨化石。

 

▲ Chen et al., Nature, 2019

这个化石发现于白石崖溶洞。

这个洞穴是当地有名的佛教神洞，很多僧人和群众会在里面修行或者朝拜。那位僧人在修行的时候发现了这件骨骼化石，他觉得这件化石非常珍贵，就将它赠给了当时非常有名的六世贡唐活佛。

 

六世贡唐活佛非常有学识，认得这是一件人类的化石，所以他觉得这个化石对于人类的演化历史研究非常有意义，就一直想把这件化石交给研究人员。通过朋友介绍，活佛认识了当时在中科院寒旱所工作的董光荣研究员，他将这件化石交给了董先生。

 

董先生和陈发虎院士都对环境考古非常感兴趣，董先生跟陈老师提起这样一件化石，两人就商量要对这个化石进行研究。但是两个人的研究重点更多地侧重于环境变化，所以这个化石就搁置了很多年。

 

直到2010年我博士毕业了，由于我具有考古学的学科背景，陈老师安排我带领学生具体着手这件化石的研究。拿到这件化石的时候，我第一感觉是这件化石应该非常古老。

 

首先这个化石的石化程度很深，所以它很沉，上面还包裹了一些溶洞里面经常见到的那种固化的碳酸盐结核，它的牙齿很大，还有很明显的一个特征就是它没有下巴颏。下巴颏是我们现代人的特征，说明这个化石是一个古老型人类化石。

 

要弄清楚它的具体种属以及形成年代，就要做一系列的研究。首先我们对这个化石进行的是传统的体质形态的研究，包括对它的颌骨形态和牙齿形态进行分析。

 

这是其中一个分析。

▲ Chen et al., Nature, 2019

这个红色五角星所在的位置，就是这块下颌骨所处的位置。这几个不同的方块代表什么呢？蓝色区域是我们所有现代人以及化石现代人所分布的区域，粉色区域是尼安德特人分布的区域，绿色区域是直立人分布的区域，比如我们中国发现的北京猿人、蓝田人，都是分布在绿色这个区域的。

 

而黄色区域，就是我们说的中更新世古人类，除了尼安德特人以外的古老型智人都分布在这个范围。这个下颌骨化石是属于这个范围里的，但是它又不属于任何一个已知的古老型智人。

 

它的牙齿有什么特征呢？最明显的就是这个下颌骨带有两颗牙齿，是我们的第一和第二磨牙。第二磨牙也叫第二臼齿，这个化石的第二臼齿个体比较大，比所有的前面提到的直立人化石以及尼安德特人的第二磨牙都大。

▲ Chen et al., Nature, 2019

另外我们可以注意到这个第二臼齿有三个齿根。在现代人当中，三个齿根的现象只在我们亚洲人群里才有较高的比例，这显示这个下颌骨跟我们亚洲人群有更密切的遗传联系。

从体质形态上来说我们知道了他的这些特征，但并不能把它归类到任何一个已知的古人类里面去。我们还尝试了更为先进的两种方法来鉴定它的种属，一种是古DNA的方法，另外一个是古蛋白的方法。

 

但很可惜的是我们这件化石里面没有保存古DNA，我们尝试一次没有成功提取到古DNA，不甘心又尝试了一遍，还是没有提取到。

 

比较幸运的是，在这个化石里面发现了古蛋白。蛋白是由DNA来编译的，所以它也是遗传物质，也可以用来鉴定人的种属，只是它的分辨率相对低一些，但是它的结构更为稳定，比DNA保存的时间更久。

 

我们这块下颌骨里面的蛋白降解非常严重，但是它保存了只有丹尼索瓦人才有的变异蛋白，从而可以将它鉴定为丹尼索瓦人或其近亲种。

 

▲ Chen et al., Nature, 2019

获得这个结果的时候我们非常兴奋，因为距离2010年丹尼索瓦人的发现将近10年过去了，考古学家、古人类学家在世界各地都在寻找丹尼索瓦人，都没有结果。2019年我们这件下颌骨化石鉴定为丹尼索瓦人，我们觉得非常非常幸运。

 

种属的问题解决了，下一个就是关于它的形成时间的问题。对于化石的直接测年是非常难的，刚才我们提到，这个化石外面包裹了一些碳酸盐结核，我们可以像测石笋一样，对碳酸盐结核进行铀系测年。

 

我们采了三个样品，测的结果都在距今16万年左右，也就是这个结核形成的时间是距今约16万年。化石肯定比这个结核形成的时间更早，结核才能粘在上面。所以我们得出的结论就是：这件化石是发现于青藏高原上的距今至少16万年的丹尼索瓦人的化石。

 

2019年，我们的成果在Nature发表之后，影响非常大。这跟刚才讲的丹尼索瓦人的研究进展是有关系的。首先我们这件化石是除了丹尼索尔洞以外发现的第一件丹尼索瓦人化石，并且它还发现于东亚青藏高原上。前面我们说丹尼索瓦人很可能分布在这个区域，可以说它验证了这种推测。

 

其次这件化石发现于青藏高原上，为藏族人群的高海拔环境适应基因提供了一个可能的本地来源。另外一点就是，这件化石是目前已知的丹尼索瓦人化石中个头最大的，这个体积最大其实并不重要，更重要的是它包含了更多的体质形态信息。

 

遗传学家基于丹尼索瓦人的DNA信息，以及我们这件化石，为丹尼索瓦人画了第一幅画像，就是这个小女孩的样子。

 

▲ CREDIT: MAAYAN HAREL

由于这些重要意义，2019年，我们这个研究在国内外产生了比较大的影响，在世界上获得了三个“十大”， 世界“十大考古发现”、“十大科学突破”，以及“十大科技新闻”。

 

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丹尼索瓦人曾长期生活在青藏高原上吗？

通过对这块下颌骨化石的研究，我们知道在青藏高原上出现了丹尼索瓦人。丹尼索瓦人代表了一个古老型智人人群，这件化石其实相对来说是一个孤立的证据，还有没有更多的证据呢？需要更多的研究。

 

实际上在研究化石的同时，从2010年开始，我们就对青藏高原东北部以及下颌骨发现地——白石崖溶洞，进行了一系列的考察和研究。这个溶洞位于甘肃夏河县甘加盆地的北侧，因为石灰岩的山体是灰白色的，所以当地人叫白石崖。

 

2010年开始，我们对这个溶洞进行了二十几次考察。因为它是一个佛教神洞，所以平时有很多僧众、群众到洞穴里面朝拜修行，夏天还有很多游客去旅行参观，所以我们在这里的考察只能用眼睛看，不能做任何试掘，不能有任何勘探。

大家知道考古学家很多时候需要挖开地层，才能知道古人类到底有没有生活在这儿。十几次考察之后，2016年我带着三个学生到洞穴再次考察的时候，在游客踩坏的地层剖面上捡到了一些石片。我们就迅速把这些石片和土带回了宾馆，迫不及待地把它清洗出来。

 

非常惊喜的是，我们在洞穴里面发现了第一件有明确人工痕迹的石片，我们叫做石器。所以2016年是一个大的工作突破，我们确定了这个遗址里面是保存有史前人类活动遗存的。接下来我们就要对这个洞穴进行正式的考古发掘和系统研究。

 

这个洞穴进深有几百米长，并且结构非常复杂，里面有多个洞室，光入口的通道部分大约就有100米长。我们首先要选择的就是发掘的位置。

 

那么大的一个洞穴，古人类会选择什么样的地方生活？可以说洞口部位是最为理想的。首先它相对平缓，其次离洞口近的地方光线进入会比较多，可以照明，另外由于洞口是倾斜向上的，所以里面会比较温暖。

2018年我们在洞穴进行发掘的时候，洞外面零下15到18度，而洞内这个部位平均温度大约是8到10度的样子，也就是说古人类在这个地方生活，尤其在冬天，是非常理想的地方。

 

这是2018、2019年进行发掘的位置，这四个红的方框就是我们发掘的地方，每一个方框只有两平米，所以我们整个发掘面积也只有8平米而已。发掘面积很有限，但是我们的收获还是比较大的。

 

我们在对整个发掘区域进行布方之后，从上到下逐层地清理，在清理过程中发现的两厘米以上的石器以及动物骨骼，我们用全站仪测量记录它们的三维坐标，然后单独装袋收集。

在整个过程当中，我们收集了上万件标本。

 

同时所有的出土都要进行过筛，这样可以收集两厘米以下的所有石制品以及动物骨骼用于统计分析。

 

此外我们还采集了大量用以测年的样品、环境重建的样品，以及沉积物DNA的样品，因为我们尝试在地层里面提取人类的DNA。现在有一个新的技术出现了，我们不仅能从古人类化石里面提取人类的DNA，还可以从沉积物当中提取DNA。

 

因为一个考古遗址的发掘，人骨化石是可遇不可求的，但是只要人类在这个地方生活，那人的DNA就有可能会保存在沉积物当中。

 

当然这个难度会高很多，因为沉积物里面包含了大量动物的DNA，还有大量微生物的DNA，还有人类DNA，它是多个个体的DNA，不是一个个体的，所以这个提取过程就会非常复杂。

 

这是2018年我们的发掘现场。我们的工作队员平时一般都是四、五个人，发掘工作是在12月的冬天进行的，我们一般晚上七八点就会进到洞穴，凌晨四五点才收工。

 

前面提到，这个洞穴是一个佛教神洞，为了不打扰僧众的朝拜或者修行，我们的工作都选择在冬季的晚上进行，因为夏季的晚上是有人在洞穴里睡觉的，他们认为在这个洞穴里睡觉可以治病。

 

2019年的发掘，整个条件都好了很多，可以看出我们的团队成员也增加了一倍，工作是在白天进行的，当然还是在冬天，12月份。

 

发掘结束之后我们要进行研究，第一项就是对遗址的形成过程和它的地层进行研究。

 

这是当时的T2、T3探方的发掘剖面，可以看出我们可以分出十个地层，这十个地层都是文化层，因为每一层都出土了大量的古人类留下来的石器以及动物骨骼。

 

▲ Zhang et al., Science, 2020

我们用碳十四和光释光的测年方法，显示这十个文化层形成于距今19万年到3万年之间。

我们在这个遗址里发掘出最主要的考古遗存，就是这些大家看起来是石头的东西，其实它们都是古人类打制的石器。洞穴前面有一条小河，一般是从河床上搬来砾石，然后打制成他们所需要的带有锋利边缘和锋利的尖的工具。

 

▲ Zhang et al., Science, 2020

所有这些工具以刮削器为主，就是人打出一个薄片来，将它用于切、割、刮等功能，其实就相当于现代的刀的功能。这跟遗址里面发现了大量的动物骨骼也有关系，也就是说从这个遗址我们能判断他们吃了大量的肉类食物。

 

对这些动物骨骼，我们进行了初步的分析。整个地层可以分为两部分，7层以上的上部地层，出土的动物骨骼以羚羊、狐狸等中小型动物为主；而下部地层，7层以下，尤其是第10层，出土了一些大中型动物骨骼，比如说犀牛、野牛，还有鬣狗的骨骼。

 

▲ Zhang et al., Science, 2020

这就显示人类生活在这个洞穴里面，在十几万年的时间里，他们的捕猎对象发生了很大的变化，而这种变化是因为人类捕猎行为变化了，还是环境变化了，还是动物组成变化了，这些问题我们正在研究。

 

还需要提及的一点是，我们发现在大量的动物骨骼上面，都有这种切割砍砸的痕迹，尤其是这一件比较清楚，这是鬣狗的颈椎。

 

▲ Zhang et al., Science, 2020

大家知道鬣狗是非常凶猛的食肉类动物，在非洲和欧洲的很多洞穴里面，经常会发现鬣狗和人类的化石共存。但是大家经常会去争论的一点——谁是捕猎者，谁是被捕猎者？在这个洞穴里面，我们看出鬣狗的化石上是有明显的切割痕迹的，说明鬣狗是被人捕猎的。

 

另外一个工作，就是我们提取了沉积物样品用于古DNA的分析，这项分析是我们跟中科院古脊椎动物与古人类研究所的付巧妹团队一起合作的，我们在多个地层里面获得了大量多种动物的DNA，并且还提取到了丹尼索瓦人的线粒体DNA。

 

▲ Zhang et al., Science, 2020

结合丹尼索瓦人DNA出土的地层，2层、3层、4层还有7层，以及它的测年结果可以看出，丹尼索瓦人在距今10万年、6万年，甚至晚到距今45000年都生活在这个洞穴里面。而我们那件下颌骨化石距今至少16万年，所以对地层的研究就将丹尼索瓦人在洞穴生活的时间，进一步延伸到距今6万年。

 

前面提到，丹尼索瓦洞发现了四件丹尼索瓦人化石，这四件化石可以分为早期和晚期两波。早期的丹尼索瓦人大约是在10万年之前，晚期的丹尼索瓦人大约是在距今8万年到5万年之间，他们在遗传信息上是有区别的。

 

我们将地层中提取到的线粒体DNA和这两波丹尼索瓦人的DNA对比之后发现，白石崖溶洞的丹尼索瓦人DNA和丹尼索瓦洞晚期丹尼索瓦人有更紧密的遗传联系。

 

也就是说在晚更新世的早中期，距今13万年到距今5万年之间，一群遗传特征非常近的丹尼索瓦人，广泛分布在南西伯利亚到青藏高原这个区域。这个研究成果2020年10月30号发表在Scinece上。

 

▲ Zhang DJ*, Xia H, Chen FH… Li B*…Pääbo S*, Fu QM*, Science, 2020

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青藏高原上的人类活动历史

综合来看，我们这件下颌骨化石和下颌骨出土地的研究对于青藏高原的研究有什么重要的意义呢？

此前多个团队在青藏高原上研究史前人类活动的历史，在2019年之前，青藏高原上发现的最早人类活动遗存只有尼阿底遗址，在色林错的湖盆。这个遗址的测年是距今4万到3万年左右，由于这个遗址出土的石器是细长的，叫石叶石器，

▲ Zhang et al., Science, 2018

也就是说，它应该代表的是现代人在距今4万年左右，才开始到达青藏高原这个高海拔区域。

除了青藏高原，安第斯山还有埃塞俄比亚高原也是这种高海拔区域，这两个地方的人类活动时间也不超过5万年。

 

而现在我们在青藏高原上发现了更早的人类活动的遗存，就是白石崖溶洞遗址。首先这件下颌骨化石将青藏高原的人类活动历史，从距今4万年推早到了距今16万年，今年我们又把这个时间推早到距今19万年。

 

▲ ZhangDJ et al., Science, 2018; Chen FH et al., Nature, 2019; Zhang DJ et al., Science, 2020

另外一点就是，我们之前认为只有现代人才有能力适应高海拔的环境，实际上我们新的证据显示，在现代人之前，古老型智人——丹尼索瓦人已经长期生活在青藏高原上，他们应该已经适应了高海拔环境。所以这个研究对青藏高原的人类活动历史，对整个东亚人类演化来说都非常有意义。

 

在整个东亚地区，特别是中国，我们发现了很多同时期的古人类化石和考古遗址，就是距今十几万年和二十几万年之间的，这些化石并没有被鉴定为某一个具体的种属。

 

现在我们从体质形态上、从遗传学上新鉴定了一个古老型智人的种属，为其他考古遗址出土的这些人类化石的形态对比、种属鉴定，提供了非常关键的对比材料。

 

▲ Zhanget al., NC, 2015; Xing et al., AJPA, 2015; Chen et al., Nature, 2019

实际上我们这两项工作对于青藏高原上的丹尼索瓦人的研究只是一个开端，比如白石崖溶洞遗址目前并未发掘到底，也就是丹尼索瓦人在青藏高原生活的时间还有可能会进一步延伸。

 

另外丹尼索瓦人在青藏高原上生活了十几万年的时间，他作为古老型智人，如何适应过去两个冰期青藏高原的高海拔环境，比如他生存在一个什么样的环境里面，他们的食物是什么，这个工作需要我们详细地研究石制品还有动物骨骼来回答。

 

还有一点就是，丹尼索瓦人有没有延续至现代人扩散到青藏高原上，也就是说丹尼索瓦人在青藏高原上有没有跟现代人见过面，从而将他们可能携带的高海拔环境适应基因传给现代人，而进一步延伸到现在的藏族人群，这个研究也是我们下一步的一个工作计划。

 

此外我们所有的工作不光是局限于这一个遗址的，其实我们的工作区域在整个青藏高原东北部，我们在这个区域做了大范围的考古调查，并且发现了多个重要遗址，进行了考古发掘。

 

我们所要理解的不光是青藏高原上的丹尼索瓦人的事情，而是要理解整个青藏高原的史前人类活动历史，以及古人类对高海拔环境适应的问题。

希望我们将来的工作能更全面、更准确地回答史前人类向青藏高原扩散以及对高海拔环境适应的问题。

 

好，谢谢大家。

源济

张东菊：青藏高原上的丹尼索瓦人