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古DNA研究领域,世界正在看中国
——访中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员付巧妹
日期:2021-05-10 作者:郭晓蓉 字号:[ ]

在中国科学院古脊椎动物与古人类研究所,有这样一支“中国制造”的古DNA研究团队,他们平均年龄仅33岁。

他们以蓬勃的朝气拥抱着国际前沿知识和古DNA实验技术,与国际顶尖实验室保持着频繁的科研交流与合作;他们充满着激情和创造力,在成千上万次的古DNA实验里寻找遗传信息。正是这样一支年轻的团队,在古遗传学,尤其是现代人起源与演化研究领域,让中国跻身世界前列。

今年的五四青年节,团队带头人——中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员付巧妹(见图),荣获共青团中央、全国青联共同颁授的第25届“中国青年五四奖章”。让我们跟随付巧妹的讲述,走近这位年轻的古遗传学家和她的团队,感受青年学人的初心和担当。

当考古邂逅古DNA

进入21世纪以来,考古学有很多发展和进步,其中自然科学技术广泛、深入运用到考古学研究中,发展出许多新的学科生长点,跨学科的融合是其最大的特点之一。我们是谁?我们从哪里来?为了回答人类本源这一“千古谜题”,新时代的科学家们孜孜以求,探索不止。

古DNA实验技术与研究方法的发展,通过观察过去人群的遗传成分,为揭示人类演化的过程细节提供了更全新而有力的手段。“简单地说,就是利用古代人类的DNA来了解当时人群的遗传关系,通过对古人骨样本DNA信息破译,包括提取、捕获、测序、重建古DNA片段、序列比对组装等,了解当时的人类发生过什么。”付巧妹说。

2020年5月15日,国际学术期刊《Science》在线发表付巧妹团队主导、与多家考古单位合作的一篇研究论文。该研究从遗传学角度揭开了有关中国南北方近万年来人群格局及迁移与混合这一重大学术问题上的若干谜团,是一项有关中国、东亚古人群遗传特点、基因交流与迁徙融合的重大科学发现和研究成果。

研究团队首次针对中国南北方早期人群展开时间跨度最大、规模性、系统性的古基因组研究,通过前沿实验方法成功获取我国南北方11个遗址25个9500年至4200年前的个体和1个300年前个体的基因组,揭示中国人群自9500年以来的南北分化格局、主体连续性与迁徙融合史。

研究发现,中国南北方人群早在9500年前已分化,两地人群分别携有不同的遗传成分;新石器时代以来,南北两地人群经过不断的双向迁徙和基因混合,遗传差异逐渐缩小,其中古北方人群成分的影响在现今人群更为显著,基本形成了现今中国人群的遗传结构。可见,南、北方同期人群的演化基本是连续的,没有受到明显的外来人群的影响,迁徙互动主要发生在东亚区域内各人群间。此外,研究明确以台湾岛原住民为代表、广泛分布在太平洋岛屿的南岛语系人群,与中国早期南方沿海地区人群直接相关,且可追溯至8400年前。

该研究工作自2012年起筹备开展,历经八年艰辛持续的科学探索。“中国南方大陆炎热潮湿的气候导致南方的样本材料不仅稀少,而且微生物DNA污染严重,酸性土使得人类古DNA被高度甚至完全降解。原本要从年代久远的人类骨骼遗骸中提取到内源DNA已是不易,而南方样本更是让相关实验和研究难上加难。”付巧妹坦言。

多年来,研究团队全力专注于南方样本的采集和古DNA实验,其间与我国南方多家博物馆及考古机构形成深度合作,深入南方30多个遗址采集257例古代人类样本,常常遇到样本完全不含古DNA或是保存条件太差而无法提取的情况。尽管如此,他们并没有放弃,而是不断摸索更有效获取古DNA,尤其是核基因组的实验方法。

经过多方努力和不懈探索,研究团队最终取得重大发现和突破成果,填补了东方尤其是中国地区史前人类遗传与演化的重要信息缺环,为阐明中华民族的形成过程及修正东亚南方人群演化模式作出重要科学贡献。该研究成果在《科学》期刊发表时,相关专家高度评价道,“研究提供了非常珍贵的基因组数据,其代表的时间和区域是前所未有而又必不可少的。”

寻踪丹尼索瓦人

在古DNA研究领域,还有一项研究成果不得不提,就是通过沉积物DNA分析,在青藏高原上成功获取丹尼索瓦洞以外的首个丹尼索瓦人线粒体基因序列。

20世纪后半叶,俄罗斯科学家在位于西伯利亚阿尔泰山脉的丹尼索瓦洞内发现了丰富的古生物遗存。2008年,考古学家在这个洞穴找到一截人类指骨和一颗牙齿。两年后,来自德国马普所等机构的科学家从这截约5万前年的指骨上成功提取出DNA,认为其属于一个已经灭绝的人类分支,并将其命名为“丹尼索瓦人”。

在德国马普所求学期间,付巧妹曾深度参与丹尼索瓦人的研究。她介绍说,丹尼索瓦人,与曾广泛分布在欧洲的尼安德特人是姐妹群,对现代大洋洲、东亚、南亚和美洲原住人群有遗传贡献,是国际广泛关注的研究热点。但除了丹尼索瓦洞,研究人员未曾在其他地方找到过丹尼索瓦人的痕迹。

青藏高原上是如何发现丹尼索瓦人痕迹的呢?在20世纪80年代,一位修行的僧人意外在位于青藏高原东北部的白石崖溶洞中找到一块半截带着牙齿的下颌骨。2010年开始,兰州大学环境考古团队开始对这件化石和它的出土地——白石崖溶洞遗址进行研究。古蛋白组学表明,这块神秘的白石崖溶洞下颌骨属于一位16万年前的丹尼索瓦人,学界称为“夏河人”。遗憾的是,当时研究人员在这块下颌骨上没有发现古人类DNA。

为全面了解夏河人下颌骨所代表人群在青藏高原生活的情况,兰州大学团队在白石崖溶洞遗址及周边开展了多年研究。在2018年白石崖溶洞遗址首次考古发掘前,兰州大学教授张东菊带领的团队邀请付巧妹团队一起开展沉积物DNA分析,他们一起制定了古DNA分析沉积物样品的采样计划。

为了把目标DNA从海量环境微生物DNA中识别、分离出来,付巧妹团队通过高效的古DNA捕获技术,对35例沉积物样品展开实验和分析,尝试钓取242种哺乳动物和人类的线粒体DNA,并使远古人类的相关DNA得以富集。激动人心的是,在这次的沉积物样品中,他们发现了古人类的线粒体DNA,并进一步分析显示其为丹尼索瓦人。这是在中国考古遗址沉积物中提取古人类DNA的第一个成功案例。

“综合夏河人下颌骨化石和白石崖溶洞的最新研究结果来看,丹尼索瓦人自倒数第二次冰期至末次冰期都生活在青藏高原,并且与阿尔泰山脉地区的晚期丹尼索瓦人有最紧密的遗传联系,进一步证实丹尼索瓦人曾广泛分布于欧亚大陆东侧。”付巧妹说。

2020年12月30日,张冬菊和付巧妹共同主导合作的“甘肃夏河首次在距今6万~10万年前洞穴沉积物中发现丹尼索瓦人古DNA”,入选国际权威研究机构美国史密森研究院杂志和网站评选的“2020年度人类起源研究十大新认知”。 

潜心专研 冷门不“冷”

2020年9月11日,“80后”付巧妹作为现场最年轻的科学家参加了习近平总书记主持召开的科学家座谈会,并在会上讲了一个最古老的研究课题。她向总书记汇报了这些年常被问到的一个问题:“经常有人问,‘你的研究有什么用?’我曾在很难维持实验室的时候,也想过要不要去做热门研究。希望国家进一步引导不以‘有没有用’评价和发展基础研究……”

总书记听了以后深有感触:“对冷门怎么看?按一般概念,一些冷门的东西没有用。这种认识可能把一个领域的事业耽搁了。做科研事业的评估,要有长远的眼光、世界的眼光、科学的眼光。”总书记的话,对包括付巧妹在内的从事基础研究的科研工作者而言,是极大的鼓舞。

值得一提的是,付巧妹实验室所延展或创新的这些古DNA关键技术,有着非常重要的应用前景。如共同开发的古DNA捕获技术,实现从大量微生物DNA里“钓取”极其微量的内源DNA(曾成功捕获仅占0.03%的人类核DNA);参与的古DNA短片段提取技术,将非冰冻层人类古DNA破译的时间推进到40万年前。这些技术极大扩展了可用于古DNA研究的样本范围,将有力推动人类学、进化遗传学与群体遗传学等相关学科的发展。

付巧妹的研究成果具有重要国际影响力。在《Nature》《Science》《Cell》等权威期刊发表论文20余篇,相关成果入选《Nature》“年度十大科学事件”以及“中国古生物学十大进展”“中国科学十大进展”等。因成果的突破性,她被《Nature》评为“中国十大科学之星”之一,被CCTV评为“中国年度十大科技创新人物”之一。今年以来,她还获得了“中央和国家机关三八红旗手”“第十七届中国青年女科学家”等荣誉称号。

付巧妹笑言,虽然搞科研的人更看重的是不断深入探究科学问题,但被给予肯定总是开心的,也多了一份沉甸甸的责任。“从整体上看,我国的古DNA研究水平和国外一线研究机构相比,还处在并行阶段。未来,需要进一步加强领域内不同学科的交叉互动,以及人才梯队的培养。”付巧妹最期盼的是,将思辨精神传递给青年学子。

“我们古脊椎所有一句所训——‘做老实人、探前沿事’,我认为这尤其是我们青年科研人员应该秉持的科研态度。”付巧妹说,一是要沉下心,踏实做科研。特别是在古DNA研究这种基础科学、不能快速出成果、不能产生直接经济效益的领域里,要能够沉得住气,甘于坐冷板凳,不急功近利。二是拓宽视野,不自我设限。科研探索是一个不断挑战旧知、迎接新知的过程。尤其对于自然科学研究,应该保持对国际前沿技术和研究趋势的敏锐,不被固有的知识、权威的观点局限住,积极面对科学过程中的不确定性,敢于创新和迎接挑战。

如今,付巧妹和团队的年轻人们依旧怀着无穷尽的好奇心与探索欲,奔波于科学之路,向着更高的学术高峰攀登。她说,在古DNA研究领域,世界正在看中国,如何保持自主优势和国际竞争力,这应该是她的责任与担当,不能有半点懈怠。 (受访者供图)

(郭晓蓉)


责任编辑:高游
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