青藏高原上16萬年前下頜骨或將重寫東亞古人類演化史
2019年05月02日10:18

  神秘古老的青藏高原註定這個5月再次震驚世界:通過對一塊殘缺不全的人類下頜骨化石的最新研究,東亞古人類史有望被改寫。

▲僅存的右半邊下頜骨化石。(張東菊供圖)
▲僅存的右半邊下頜骨化石。(張東菊供圖)

  此前尼阿底遺址的考古研究證實,人類最早在青藏高原活動的歷史是4萬年前。而最新研究一下子將青藏高原的早期人類活動痕跡又大幅提到了16萬年前。

  5月2日,《自然》雜誌在線發表了由中科院青藏高原研究所所長陳發虎院士、蘭州大學張東菊副教授等人與德國著名的馬普進化人類學研究所專家組成中外研究團隊的最新研究論文,論文公佈了關於丹尼索瓦人的最新重大研究成果。這塊發現於海拔3280米的青藏高原白石崖溶洞中殘缺的下頜骨化石,被確認是青藏高原上發現的已知最早的人類化石,代表了一直籠罩著神秘色彩的丹尼索瓦人在這個區域的首次出現。

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  高海拔環境適應基因的起源

  ▲根據西伯利亞丹尼索瓦洞穴的研究成果,專家複原的丹尼索瓦人頭像。(圖片來源於網絡)

  丹尼索瓦人已經滅絕,他們與尼安德特人屬於姐妹種群,因為西伯利亞南部阿爾泰山脈中丹尼索瓦洞里的部分化石碎片以及亞洲現代人體內保留下來的部分遺傳信息才為人所知。

  這個洞穴關於丹尼索瓦人的重要的發現始於2008年,當年考古學家在洞內發現一塊有4.1萬年歷史的少女指骨,將她命名為“X女人”。分析發現,X女人的DNA與尼安德特人及現代智人有分別,因此將她的物種命名為丹尼索瓦人。

  隨著人類學研究的不斷推進,科學家們發現藏族等高原人群的高海拔環境適應基因可能來自丹尼索瓦人。近些年來,國內外多個遺傳學研究都得到了這樣的結論。

  一些古人類學家和考古學家也讚成這樣的結論,但需要考古學證據予以證明。在青藏高原發現丹尼索瓦人的化石是最為直接可靠的證據。

  陳發虎、張東菊與馬普人類進化學研究所的讓-雅克·胡布靈(Jean-Jacques Hublin)教授、丹麥哥本哈根大學和馬普進化人類學研究所的弗里多·維爾克(Frido Welker)博士等人實現了這個突破,他們描述的這塊下骸骨,來自於青藏高原東北邊緣的一處洞穴內,屬於丹尼索瓦人。該化石外包裹的碳酸鹽結核的鈾系測年結果為化石的形成年齡提供了一個可靠的最小年齡,即距今16萬年前。

  這也是首次以考古化石證據的方式證明丹尼索瓦人曾出現在西伯利亞丹尼索瓦洞以外的地方。

  白石崖溶洞丹尼索瓦人生活年代的確定也得到了西伯利亞丹尼索瓦洞穴近些年新研究的印證。一些科學家們研究認為,保守估計丹尼索瓦人在28.7萬~5.5萬年前就佔據了西伯利亞的這個洞穴。另外,陳發虎等研究的這塊下頜骨的部分特徵(如牙齒)也與丹尼索瓦洞穴的發現描述的丹尼索瓦人化石類似。

  研究表明,現今的夏爾巴人、藏族人和鄰近種群都攜帶了有助於他們在高海拔環境生存的可能源自丹尼索瓦人的遺傳變異。這意味著藏族等高海拔地區居民生存和繁衍的秘密找到了源頭。

▲青藏高原上的藏族居民已經完全適應了高海拔生活環境。(攝影/李鵬)
▲青藏高原上的藏族居民已經完全適應了高海拔生活環境。(攝影/李鵬)

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  殘缺下頜骨背後曲折的故事

  這並不是一塊考古發掘出土的下頜骨。張東菊說,根據她瞭解到的信息,這塊化石早在1980年就被甘肅省甘南藏族自治州夏河縣當地的一個僧人在當地的一個山洞中修行時獲得,後捐獻給在當地很具有宗教威望、知識也比較淵博的六世貢唐活佛。根據僧人對發現地點的描述,六世貢唐活佛猜測其可能是一件與古人類有關的化石,於是後來將其交予原中科院寒區旱區環境與工程研究所的董光榮研究員。董光榮與此時在蘭州大學工作的陳發虎相熟,多次討論要一起開展化石的研究工作,但由於大家各自工作都比較忙,始終未找到集中的時間開始研究化石。

  直到2010年,該文的研究團隊才開始著手系統研究化石本身及其出土地。在隨後幾年中,經過一系列分析,研究者確定這塊古人類下頜骨右側的一半、帶有完整的第一臼齒、第二臼齒的下頜骨屬於一個古老型人群。

  “這塊下頜骨看起來比較原始,要比我們現在人類的厚,特別明顯的是上面的臼齒比較大。”張東菊表示。但是當時這塊下頜骨單純從形態上還無法確定是屬於哪一個古人類群體,

  化石的發現地的研究同樣重要,從2010年開始張東菊等在夏河縣境內及周邊地區開展廣泛的考古調查,綜合多方面的調查和瞭解,結合當年發現化石那個僧人的一些描述,到2016年時張東菊等研究人員確定當年僧人發現化石的地方應該就是當地海拔3280米的白石崖溶洞。

  這個溶洞位於夏河縣甘加鄉江拉河穀,這裏風景秀麗,溶洞是夏河縣旅遊觀光風景之一,也是當地一些僧人的修行之所。

▲白石崖溶洞所在的江拉河穀秋景。(張東菊供圖)
▲白石崖溶洞所在的江拉河穀秋景。(張東菊供圖)

  ▲這個溶洞的洞口面向東南,在江拉河河床上方約40米,洞口很大,裡面曲徑通幽,未知其深。該溶洞在當地是一個有名的佛洞景點。(張東菊供圖)

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  牙本質層成了重大科學發現的關鍵

  2016年,蘭州大學資源環境學院與馬普人類進化學研究所的正式合作推動了這塊下頜骨的深入研究。此時,剛剛在資源學院攻讀博士學位的博士生夏歡的主要研究方向是古蛋白質研究,在陳發虎院士、張東菊老師的支援下,她與弗里多·維爾克博士一起進行下頜骨的古蛋白分析。

  古DNA是確定古人類群體更好的手段,但由於化石的年代過於久遠,加上保存的原因導致古DNA遭到毀壞,古蛋白質分析就成了分析下頜骨所屬人種最為重要的手段。

  蛋白質作為生物體內最為重要的一類生物大分子,會在一些古生物殘骸或者化石中殘留下來,現在通過質譜法,就是將蛋白質降解、分離後進行檢測的方法,可以完整和容易地分析出氨基酸序列,而後研究人員就能夠進一步推測出蛋白質的結構,再與具體的物種聯繫起來。

  最近一些年來,這種方法在考古學研究中開始得到越來越廣泛的應用,其留存信息的可靠性也在科學界得到越來越多的認同,因此被很多古人類研究人員用來分析古人類的人種、以及與之相關的一些物種。

  這個下頜骨牙齒中得到很好保護的牙本質層是提取蛋白質的目標,十分幸運他們成功了。而後,根據提取古蛋白質的研究結果,結合化石形態方面的研究,弗里多·維爾克、夏歡等研究人員在和丹尼索瓦人已有的研究成果進行比對後,2017年確定這塊下頜骨屬於丹尼索瓦人。

  最近一些年,在整個人類學界,丹尼索瓦洞穴的丹尼索瓦人研究進展迅速,其在分子人類學方面也獲得了更多的重要信息,其特有的變異蛋白質就是其中的典型,這也為夏歡、弗里多·維爾克進行信息的比對提供了方便。

  在結果最終得到確定時,他們自己也震驚了,差一點兒錯過了一個震驚的發現。此前通過對古代遺留的牙齒和指骨化石提取的古DNA進行分析,科學家已經證明了丹尼索瓦人的存在,該研究甚至被《科學》雜誌評為2012年度十大科學突破之一。而後因為在東南亞、大洋洲現代人身上也發現丹尼索瓦人的基因證據以後,學界就有猜測認為遠古時代可能青藏高原是丹尼索瓦人通往大洋洲的遷徙通道。

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  為古東亞人的遷徙演化之路提供了新的視角

  幾十萬年以前至萬年以前東亞人究竟如何遷徙和演化?通過不斷的考古發現和分子人類學研究,現在已經取得了很多突破,但很多問題依舊迷霧重重。尤其尼安德特人、丹尼索瓦人生存痕跡的發現,讓這片古老土地的人類遷徙和演化史變得更為複雜。

  ▲用數字化方法去除表面附著的鹽酸鹽後虛擬重建的下頜骨圖片1。(讓-雅克·胡布靈供圖)

  ▲用數字化方法去除表面附著的鹽酸鹽後虛擬重建的下頜骨圖片2。(讓-雅克·胡布靈供圖)

  “在我們的成果發表之前,只是在西伯利亞的丹尼索瓦洞發現了一些丹尼索瓦人的骨骼碎片,我們只是知道他們在阿爾泰山地區有分佈,其他地區有沒有分佈並不清楚。”張東菊說他們的研究成果顯然表明在16萬年以前丹尼索瓦人曾經分佈在一個更為廣闊的區域。

  多年來,中國各地都發現了數萬年到數十萬年以前的不同人類化石,儘管根據地域命名的群體眾多,但是這些人群都屬於什麼人種,他們之間是什麼演化關係,一直處於模糊狀態。雖然最近一些年已經有學者提出國內命名的一些人種極有可能就是丹尼索瓦人,但是由於缺少分子人類學的證據,一直無法證實。

  另外,雖然丹尼索瓦洞發現的丹尼索瓦人提取了十分豐富的基因信息,但是張東菊表示由於那裡截止目前發掘出來的只是一些骨頭的碎片,以及兩顆脫落的牙齒,缺乏重要的體質形態方面的信息,這讓東亞地區的其他一些古人類化石也無法和丹尼索瓦人進行形態對比。

  “我們的這件化石第一次從體質形態方面為丹尼索瓦人提供了比較豐富的信息,研究成果使將丹尼索瓦人與其他古老型人種進行體質形態對比成為可能,為神秘的丹尼索瓦人的研究開啟了更為廣闊的空間,也為深入瞭解東亞直立人、古老直立人和現代智人演化及其相互關係提供了新的視角。”張東菊表示。

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  後續發掘可能有更大發現

▲在江拉河穀上方眺望整個河穀。(張東菊供圖)
▲在江拉河穀上方眺望整個河穀。(張東菊供圖)

  夏河縣的江拉河穀中極有可能還藏著不少丹尼索瓦人的秘密。

  通過比較可靠的年代學檢測技術和古蛋白質提取和分析技術,陳發虎等已經確定,至少在16萬年以前丹尼索瓦人就已經活躍在包括青藏高原在內的東亞這片廣闊的土地上,也為西伯利亞丹尼索瓦洞關於丹尼索瓦人的生存和活動年代提供了印證和支撐的證據。

  但是由於這個下頜骨並不是考古發掘出土,發現年代較早,具體出土層位缺失,從而也導致缺乏相關文化信息。幸好化石出土地已經找到,有可能填補信息空白。

  2018年,國家文物局批準了白石崖溶洞的發掘申請,蘭州大學聯合甘肅省文物考古研究所在年底對該洞穴進行了小面積的發掘,發現一些新的骨頭碎片及文化遺存,目前正在進行相關發掘材料的整理和分析工作。

  ▲張東菊(右上探方內)帶領團隊2018年在白石崖溶洞中進行考古發掘。(張東菊供圖)

▲溶洞入口較為平緩,一個緩坡下去後是兩個2018年發掘小探方。(張東菊供圖)
▲溶洞入口較為平緩,一個緩坡下去後是兩個2018年發掘小探方。(張東菊供圖)

  “這個洞中有豐富的舊石器時代文化遺存,我們的發掘也還沒有到底,目前還不能確定哪一層是和這個化石是同時期的。”

  並且考察發現,白石崖溶洞裡面空間極其龐大,洞穴錯縱複雜。張東菊表示,他們也希望在隨後的工作中能夠發現更多的丹尼索瓦人化石及其文化遺存。

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  仍有新的謎團待解

  現在這塊下頜骨的研究成果也留下了一個很大的謎團。

  這裏的丹尼索瓦人是從哪裡遷徙過來的?他們為何會選擇環境更為惡劣的青藏高原3200米海拔的地方居住下來?依舊迷霧重重。

  古氣候資料表明,16萬年以前青藏高原處在一個比現在更冷的冰期環境,這一海拔並不合適古人類長期生活。

  不過張東菊表示,這個溶洞還沒有達到海拔4000米以上環境更為嚴酷的地域,並且是一個恒溫恒濕的大溶洞。

▲這個溶洞入口高5米寬7米,洞口擺放著各種給佛祖的供品。(張東菊供圖)
▲這個溶洞入口高5米寬7米,洞口擺放著各種給佛祖的供品。(張東菊供圖)

  “我們做了一個初步的觀察,在距離入口80米的範圍之內,冬天裡面每天的溫度也都在8-9度,在特別冷的環境中,在這個洞穴中居住是比較有利的。”張東菊表示。

  但新的問題也隨之而來,當時丹尼索瓦人又是如何對這裏的海拔產生適應性的呢?畢竟此前有關丹尼索瓦人的化石證據一直局限於海拔只有700米的西伯利亞丹尼索瓦洞穴。

  夏歡認為,夏河縣的丹尼索瓦人極有可能是他們在向青藏高原擴散的過程中獲得了適應高海拔、低氧環境的基因。

  “當然這種推測還需要更多的工作予以驗證。”夏歡表示。

  文章來源:科普中央廚房 | 北京科技報

  文/記者 李鵬 編輯/吉菁菁

  新媒體編輯/聶淑芳

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