丹尼索瓦人DNA“现身”甘肃夏河白石崖溶洞
“兰州大学环境考古团队在甘肃夏河白石崖溶洞的研究取得重要进展，发现该遗址保存有丰富的中更新世至晚更新世古人类活动遗存，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，揭示丹尼索瓦人在晚更新世长期生活在青藏高原。”近日国家文物局召开的“考古中国”重大项目重要进展工作会上，兰州大学环境考古团队青藏高原古人类活动研究重大突破作为第一个发布项目，这是应用国际最先进的古DNA分析技术在中国考古遗址沉积物中提取古人类遗传信息的首个成功案例。
与此同时，题为“青藏高原白石崖溶洞晚更新世沉积物中发现丹尼索瓦人基因”（Denisovan DNA in Late Pleistocene sediments from Baishiya Karst Cave on the Tibetan Plateau）的成果于北京时间10月30日凌晨2点在Science杂志在线发表。继2019年5月Nature杂志报道兰州大学环境考古团队等发现青藏高原距今至少16万年前的丹尼索瓦人下颌骨化石后，国内外考古界再次聚焦这一古老而神秘的古人类和白石崖溶洞。
意义非凡的“神秘洞穴”
甘肃夏河白石崖溶洞海拔3280米，洞内通道区域常年温度6-8度。每年都会有大量周边群众前往朝拜、参观。一到夏季，更是游人如织。
2019年，中国科学院院士陈发虎领衔的兰州大学和中科院青藏高原研究所团队报道了夏河丹尼索瓦人（简称夏河人）下颌骨化石的研究成果，揭示这块化石为阿尔泰山地区丹尼索瓦洞以外发现的第一件丹尼索瓦人化石，提供了青藏高原最早的人类活动证据，将丹尼索瓦人的空间分布首次从西伯利亚地区扩展至青藏高原，将青藏高原人类活动历史从距今4万年推早至距今16万年，这是丹尼索瓦人研究和青藏高原史前人类活动研究的双重重大突破。
然而，因为该化石发现较早，并非正式考古发掘出土，缺乏具体埋藏位置、地层和共存考古遗存信息，因此，尽管夏河人的发现极大地推动了青藏高原史前人类活动和丹尼索瓦人的研究，但它所揭露的信息却也非常有限。夏河人是从何时开始生活在世界第三极？他们的生活方式是怎样的？有怎样的生活习惯和文化？这些问题亟待考古攻克。
“关于溶洞的考察，早在2010年就开始了，与化石的研究同步进行。”兰州大学资源环境学院教授张东菊说。六七年间，张东菊和团队在以夏河县甘加盆地为中心的方圆6000平方公里范围内多次开展考古调查。这一区域分布着包括白石崖溶洞在内的大大小小二十几个山洞，团队逐一考察，寻访附近民众，试图找到更多旧石器时代考古遗址，同时也希望能够确定夏河人化石在白石崖溶洞的具体出土地点和层位，并获得他们曾经在此生活的证据。
连续6年，团队成员每年都以游客的身份去白石崖溶洞考察，“只能看，不能挖，不能采集”。转机发生在2016年。张东菊等再次“游览”洞穴，“偷偷摸摸”地仔细观察地表，突然在洞口通道处发现了一处并未覆盖坚硬钙板的松散土状堆积，“有土状堆积就有可能有考古遗存”。在群众踏开的堆积物中，张东菊还发现了几块石头，拿到洞外仔细辨认，惊喜地发现竟然是打制石器。“它和自然破裂的石头明显不一样，打制石器的使用主要是在旧石器时代。”张东菊和团队还发现了一些炭屑，测年结果显示是距今4000年左右。
研究人员据此进一步确认，白石崖溶洞遗址保存有史前考古遗存，然而不进行考古发掘，就永远不知道里面到底有哪些考古遗存，以及他们有多老。
小探方里的宏大世界
“一定要对白石崖溶洞进行考古挖掘。”张东菊团队下决心要探索遗址。历经两年，研究团队提交的白石崖溶洞遗址发掘申请终于获批。2018年夏天，团队准备大干一场，却无奈地发现，管理溶洞的白石崖寺并不同意考古发掘。
研究团队协调当地政府帮助沟通，队员则一边在甘加盆地进行考古发掘，一边等待答复。团队成员每天都做好了进洞发掘的准备，然而最终协调无果，20多天后无奈撤回兰州。在此期间，团队在甘加盆地发现两处旷野遗址，所幸并未空手而归。
直到2018年12月上旬，经当地政府、文物保护部门等多方努力和协调，张东菊带领的以兰州大学研究生为主的环境考古团队，才开始对白石崖溶洞遗址进行首次正式考古发掘。近20天时间里，张东菊和主力为“娘子军”的发掘团队，为避开白天的游客，每晚7点多进洞、清晨收工，小心翼翼地进行发掘。
12月的高原，夜晚温度更低，也阻挡不了队员的挖掘热情。借助洞内由于电线老化时不时忽明忽暗的照明灯，考古人员艰难地推进着工作。“每个人都全副武装，穿上冲锋衣、帽子、口罩、手套，保暖的同时更要避免自身对样品造成现代基因污染。”开掘期间，张东菊和队员跪趴在地上，拿着手铲、竹签和刷子，一点一点小心地清理，一件石器一件骨骼的测量收集。
往日看似漫长的夜，此时却转瞬即逝。“我们一挖就是一整夜，两平方米的探方里最多两个人同时工作，蹲不住了就坐一会儿，坐不住了就跪一会儿。清晨结束工作时还要用木板把探方口盖住，在最早的游客到来之前离开，好像一夜过去什么都没发生一样。”兰州大学2018级博士生夏欢说。
“挖到了1.6米深，收获很大，出土了大量的石制品和动物骨骼。”张东菊介绍说，出土的石制品主要由采自洞前河谷的角页岩和变质石英砂岩砾石打制而成，打制技术以简单石核石片技术为主，还有较多的刮削器等工具。骨骼遗存多较破碎，有人工砍砸和火烧痕迹，初步分析显示，上部文化层以羚羊、狐狸、旱獭等中小型动物为主，下部文化层则以犀牛、野牛、鬣狗等大中型动物为主。此外，对沉积物的多指标分析显示，地层堆积主要为原生堆积，考古遗存未经过明显扰动。
用科技释放尘封的光
2019年，环境考古团队利用古蛋白分析方法鉴定夏河人下颌骨化石为丹尼索瓦人，利用铀系测年方法将其年龄确定为距今至少16万年。夏河人曾经是怎样在白石崖溶洞生活的？延续了多长时间？这些问题都等着白石崖溶洞的出土材料给出答案。
化石的分析研究和遗址的调查发掘是同步进行的。
陈发虎院士带着环境考古团队于2016年就开始制定遗址发掘和研究计划，设计用多种测年方法为遗址建立年龄框架，全面收集考古遗物，并开展沉积物古DNA研究。同时，邀请中科院古脊椎动物与古人类研究所付巧妹研究员团队共同开展沉积物DNA分析，邀请德国马普进化人类学研究所Svante Pääbo团队参与沉积物DNA结果讨论，邀请澳大利亚伍伦贡大学李波副教授共同开展沉积物单颗粒光释光测年工作等。
沉积物古DNA分析是一种新兴的分子学技术，可以获得曾在遗址活动的古人群信息，弥补人类化石一般可遇不可求的缺憾，打开了旧石器考古遗址人群活动研究的新窗口。
“动物或人死亡之后，线粒体中的遗传物质——线粒体DNA也会降解，断成一段一段，它能否能经过数万年的历史演变保存下来，则与保存环境密切相关，一般来说越干越冷的地方越有可能保存。”张东菊解释。
遗址发掘前，张东菊与付巧妹一起制定了古DNA分析沉积物样品的采样计划，考古人员“全副武装”，身穿防护服把样本提取到无菌袋里，最大程度地减少接触，确保样品采集和运送过程中不会受到现代人类DNA的污染。
就像用吸铁石把一堆混杂的金属中的铁块吸出来一样，付巧妹团队通过实验捕获钓取了样本中242个哺乳动物和人类的线粒体DNA。分析显示，沉积物中的动物古DNA包括犀牛、鬣狗等灭绝动物，与遗址发现的动物骨骼遗存一致，验证了沉积物DNA分析的可靠性。同时成功获得了古人类线粒体DNA，进一步对比分析显示，这就是丹尼索瓦人的DNA。
另一大难题是测年，这里的丹尼索瓦人生活在什么时期呢？
洞穴沉积物来源和搬运都较为复杂，因此准确测年更加困难。研究团队在探方T2第1-6层选择了14件动物骨骼，在兰州大学、北京大学和牛津大学进行了前处理和AMS14C测试，发现第4-6层的骨骼已经超出碳十四测年上限，也就是5万年。同时，在第2-10层采集了12个光释光样品，兰州大学2018级博士生成婷和李波团队共同开展单颗粒光释光测年分析。
“当石英或长石颗粒被埋藏在环境中，它就像一个计时器一样开始积累辐射能量。有一天我们把它挖出来，用光去激发它的能量，所释放出的信号就会告诉我们它已经在那里沉寂了多久，这就是光释光测年法。”张东菊说。
结合碳十四和光释光测年结果，团队建立贝叶斯年龄模型，为遗址建立了距今约19-3万年的可靠年龄框架，将青藏高原史前人类最早活动历史又提早了3万年，也为化石出土于白石崖溶洞、夏河人下颌骨属于丹尼索瓦人等结论提供了更确凿的证据。
丹尼索瓦人线粒体DNA主要发现于T2探方的第2、3、4、7层，结合地层年代，显示丹尼索瓦人主要出现于距今6万年和10万年，进一步拓展了丹尼索瓦人在白石崖溶洞中生活的时间——从中更新世晚期至晚更新世早中期，揭示了丹尼索瓦人在青藏高原悠久的占据历史。
揭开东亚人类演化研究的新篇章
丹尼索瓦人，是新发现的一支古老型人类，与曾广泛分布在欧洲的尼安德特人是姐妹群。他的人骨化石发现很少，但遗传特征非常显著，对现代大洋洲、东亚、南亚和美洲原住人群都有遗传贡献，关于他的研究于2012年、2019年两度入选Science杂志评选的年度“全球十大科学突破”。
“已知考古学证据支持现代人类起源于非洲大陆，从那里走向世界。丹尼索瓦人的发现以及其对部分现生人群不同的基因贡献，为我们描绘出一幅更为复杂的人类演化和迁移图景。”张东菊说。
青藏高原作为世界上最高最大的高原，有着独特的自然地理环境：主体海拔4000米以上，氧气稀薄，紫外线辐射强烈，动植物资源单一。恶劣的环境对此地区的人类生存繁衍构成重大挑战。特殊的地理环境对研究古人类演化意义重大。
2019年白石崖溶洞研究成果发布后，在考古学界产生了轰动效应，在当地政府、文物保护部门的大力支持下，兰州大学环境考古团队在白石崖遗址的科学研究工作乘势而上。2019年冬，团队在岁末的寒风中继续发掘20多天，在2018年探方基础上接连开挖一个同样大小的探方，获得了更为丰富的考古遗存。
张东菊在“考古中国”重大项目重要进展工作会上介绍，白石崖溶洞作为目前青藏高原已知最早的旧石器时代考古遗址，其丰富的文化遗存为进一步了解青藏高原早期人类活动提供了重要信息，填补了东亚地区直立人和现代人之间古人群具体种属鉴定的空白，对重建青藏高原古人类活动历史乃至厘清东亚古人类演化历史都具有十分重要的意义，代表了中国旧石器考古学研究的国际领先水平。
“这项研究有非常明确的科学探索目标和多学科合作范式，新的发现不仅改写了青藏高原人类演化历史和中国的史前史，对现代人晚近走出非洲的假说也提供了新的思考视角。”北京大学考古文博学院王幼平教授现场点评道。
此前，环境考古团队已经在农业人群定居青藏高原研究方面获得重要成果。团队后续的研究将为进一步揭示青藏高原早期人类历史，特别是在青藏高原丹尼索瓦人的体质形态、遗传特征和文化内涵等方面提供更多的科学证据和信息。
“我们现在的工作只是青藏高原丹尼索瓦人研究的开端。”张东菊指出，夏河人生活的时期涵盖了最近最冷的两次冰期，他们如何适应高寒缺氧环境，怎样进行生火保暖、打制石器、捕猎果腹，都亟待研究考证。“考古工作是展示和构建中华民族历史、中华文明瑰宝的重要工作，我们的研究才刚刚开始，潜力无限。”她说。