當古DNA研究應用於考古 會擦出怎樣的火花？
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2018年6月5日下午,由中國社會科學院考古研究所主辦的「2018年度考古學研究系列學術講座」第7講在考古研究所八樓多媒體廳舉行。
加拿大西蒙菲莎大學(Simon Fraser University)環境學院副院長、考古學系教授、古代DNA實驗室主任楊東亞教授應邀作了題為「古基因組學和考古學的整合」的學術講座,中國社會科學院考古研究所所長陳星燦研究員主持並點評。
來自中國社會科學院考古研究所、中國社會科學院研究生院、北京大學、中國人民大學、中央民族大學、首都師範大學、山東大學、河南省文物考古研究院、山西省晉國博物館等單位的專家學者和學生們聆聽了此次講座。
楊東亞教授從2018年3月28日《自然》雜誌發表的一篇文章(中文版題目《考古學家恨古基因組學(以及愛它)的理由》)講起。
古DNA研究在過去十年「突飛猛進」地進入了基因組學時代,海量的古DNA數據及遺傳信息,預示著古基因組研究有著「神奇」的能力可以解決如人類起源等諸多複雜的考古學問題。
古基因組學在大家眼裡信息量很豐富,但在解釋問題的過程中簡單化,與考古學家產生了衝突,DNA研究使考古學家與基因組學家之間產生了緊張的關係。
許多考古學家對這一新的「研究方向」的關注和對某些「研究實踐」的不安,再次提醒我們跨學科合作研究的不易和深度合作的必要。
楊東亞教授分別從古基因組學家和考古學家的角度,分析基因組數據和考古學資料的特點,提出一些具體建議,更有效地對數據材料進行整合,使得古基因組和考古學能夠密切合作,一起生動地講述人類起源發展的故事。
演講內容主要分為三個方面:
一、技術方法:古DNA研究的技術手段
古DNA泛指從古生物化石或考古材料中(包括人類、動植物和微生物)提取出的DNA,用於生物樣本的種屬、群體、性別甚至個體識別、疾病的鑑定, 也用於遺傳特徵的進化研究。
DNA是遺傳物質的載體,基本單位是核苷酸。
以前古DNA研究可以提取幾百個鹼基對的DNA序列,而現在大規模測序技術(Next Generation Sequencing,又稱二代測序技術、高通量測序技術等)的出現和提高,可以快速獲得整個物種的DNA序列,即基因組。
研究基因組的學科叫基因組學,而研究古基因組可以稱為古基因組學。
首先,楊教授對古DNA研究簡史進行了回顧。
最早的古DNA研究是1984年美國加里福尼亞大學伯克利分校的Higuchi等從博物館收藏的已滅絕140年的非洲南部馬科動物——斑驢(quagga)風乾的皮膚中成功地提取DNA,克隆和分析了DNA序列,用於重建斑驢與斑馬的親緣關係。
這項開創性的工作證明了古DNA研究的可行性和重要性。
1985年,P??bo等從距今2400多年的埃及木乃伊中提取DNA並進行克隆測序,該研究成果發表在《自然》雜誌,這是第一篇研究古代人DNA的文章。
目前幾乎可以肯定的是該文章中獲得的DNA是污染的結果,但是它仍然具有重要的歷史意義,因為在該文章的鼓舞下,更多的實驗室加入到古DNA研究中來,其在古DNA研究和發展中起到了推動的作用。
然而這篇文章仍然提醒我們,在參考古DNA研究結果時,即便是研究成果發表在《自然》、《科學》等高端的學術期刊上,我們也應該使用批判性思維。
1985年美國科學家Mullis等人發現並創立了劃時代的PCR技術(Polymerase Chain Reaction——聚合酶鏈式反應),為古DNA研究注入新的活力,成為古DNA研究的首選工具。
1989年日本、英國、德國等科學家都從骨骼中提取出DNA,1997年Krings等從尼安德特人化石中提取出DNA。
2006年和2009年,隨著大規模測序技術的出現和提高,尼安德特人的全基因組草圖建立起來,從此古DNA研究進入了古基因組學研究時代。
古DNA具有含量極低、高度降解、廣泛損傷、含有大量雜質等特點,PCR技術和大規模測序技術的出現使古DNA研究成為可能,但是污染是古DNA研究中不可避免的問題。
因此,古DNA研究要在專門的古DNA超凈實驗室中完成,經過DNA提取、PCR擴增和Sanger測序,獲得長度為幾百個鹼基對的DNA序列,並在基因庫中進行搜索和DNA數據比較分析,這是經典的古DNA方法。
而大規模測序技術可以一次性獲得30億個鹼基對的DNA序列。
從Sanger測序到大規模測序技術,使古DNA研究從最初的幾百個鹼基對序列的研究飛速發展到30億個鹼基對序列的研究。
如何看待和解釋這樣巨大的古DNA數據量?此時需要考古學家參與和幫助古基因組學家來解釋這30億個鹼基對序列。
考古學家應該做積極的參與者,而不僅僅是樣本的提供者。
此外,獲取DNA序列不等於識別和解讀全部的遺傳信息,這是因為我們對基因組的基因結構和功能需要有更多的了解和認識。
功能基因組學研究剛剛起步,方興未艾,需要有更多的工作和後續研究。
除一些特殊的遺傳性狀、遺傳疾病外,我們很難把某些複雜的疾病、某些複雜的行為與某些特定的基因聯繫在一起。
目前我們也不能指望古基因組研究解決所有的考古學問題,應該給予古基因組學者更多的時間去研究。
古基因組學正在飛速發展,但需要認識到它剛剛開始。
二、理論思考:古DNA研究和考古學的結合
自然界中絕大多數生物的遺傳物質是DNA,它存在於生物組織中(包括骨骼)。
同一個體的DNA是相同的,不同個體、群體或物種的DNA是不同的。
DNA包括有核DNA、線粒體DNA,植物中還存在葉綠體DNA。
DNA具有已知的遺傳模式,線粒體DNA具有母系遺傳的特點,Y染色體DNA具有父系遺傳的特點,而常染色體遵循孟德爾遺傳定律。
對於形態鑑定有難度的樣本,例如斷損骨骼、破壞或加工過的骨骼、年幼個體的骨骼、缺少必需對比標本的骨骼、食物殘留物或特殊土壤等,可以通過DNA技術提供種屬、性別等遺傳信息。
古DNA研究可以應用於人類進化和遷徙、分子法醫人類學、分子古病理學、動植物分子考古學等研究中。
從分子水平進行種屬鑑定,性別鑑定,群體識別包括群體大小、變化、替代、混雜、遷徙等,功能行為方式,遺傳疾病等。
普遍認為除了保存於極地凍土中的材料外,古DNA保存的年限一般不超過十萬年。
需要注意的是,如果存在環境因素的影響,就必須要有考古學背景材料的支持。
要合理利用古DNA數據,但不能誤用甚至濫用。
如果做得好,DNA分析可以是非常有用和有效的,可以充分發揮其潛力。
否則DNA分析可能會有很嚴重的誤導——因為大家一般太相信DNA的力量。
在古DNA研究和考古學合作中,考古學家應發揮更大的作用。
因為考古學家最了解遺址和與遺址相關的問題,最了解材料的考古學背景,最能幫助DNA提供隨機取樣的條件,並為古DNA研究提供研究思路、盲測和數據解釋。
古基因組研究可以獲得海量的遺傳信息,有許多問題可供選擇研究,否則所獲得的基因組信息就被浪費,因此給考古學家提供機會能夠參與到古基因組研究中來。
需要注意的是,在大多數情況下,DNA數據只能提供可能性,而不是絕對的肯定或否定;此外,科學儀器所得到的數據本身不會自動地轉變成科學的解釋。
古DNA研究與考古學合作的策略應該是依據可靠性對考古信息進行分類和評估,可以分為三類:可靠準確的、很有可能的和推測的。
通過引入盲測的概念,把所有不同可靠性的材料都納入到DNA分析。
只有當古DNA數據和那些可靠的考古學(生物考古)證據一致的情況下,才能用來分析和檢測那些推測和假定;否則的話,需要仔細檢查DNA數據,看DNA實驗過程是否有誤,看考古證據可靠性的界定是否有不妥之處,看是否需要重新進行實驗設計、需要進一步驗證。
在該策略中,考古學家不僅僅是材料的提供者,更是古DNA課題研究主動的參與者。
盲測的加入能有效地保證DNA實驗分析的獨立性,因此能夠有利於考古學與古DNA研究的真正整合。
真正的整合,不是水與油的關係,應該是水和奶的關係,能夠達到真正的「水乳交融」。
古DNA研究獲取數據相對容易,真正的挑戰是如何使用古DNA數據解決考古學問題,這需要很長的路要走。
不僅需要有基因組學、現代遺傳學、醫學遺傳學、群體遺傳學、分子生態學的基礎,還需要有詳細地考古學背景材料的支持。
需要古DNA研究與考古學在常識(common sense)與批判性思維(critical thinking)的基礎上,一起生動地講故事,避免單方面地編故事,大家一起反對任何形式地造故事。
三、研究案例:古DNA在考古學上的應用
楊東亞教授選擇「北美太平洋西北岸史前三文魚漁業和早期複雜社會出現的基礎」這一課題作為研究案例。
在加拿大BC省的Namu遺址,發現有大量的三文魚骨骼遺存。
在北美洲太平洋西北岸生活有6個不同物種的三文魚,不同物種三文魚洄遊的季節月份不同,在外海生活的年數也不同。
依據不同物種三文魚的生活史,可以推測考古遺址使用的季節。
然而僅依靠考古遺址出土骨骼的形態很難判斷三文魚的具體種屬,古DNA技術可以幫助獲取這些信息。
在Namu遺址隨機選取120個魚骨樣本進行古DNA分析,發現在該遺址中共有5種常見的三文魚Pink、Chum、Sockeye、Coho和Chinook,Pink三文魚比例最高。
說明在該遺址原住民是常年居住的。
按遺址年代劃分,距今7000-6000、6000-5000、5000-4000、2000-500年這四個階段,各個物種三文魚的比例相似,只有在距今4000-2000年Pink三文魚比例非常低,而其他海產品很多。
根據現代民族學調查,原住民喜歡Pink三文魚,因為它容易作為越冬儲存的食物。
然而距今4000-2000年Pink三文魚非常少,推測是因為Pink三文魚只在外海一年,第二年就洄遊,沒有緩衝期,受環境影響比較大。
而恰好這一時期環境發生較大變化。
該研究提供了北美洲太平洋西北沿岸永久居所存在(提前幾千年)的證據,進而更好地解釋當時人口擴散和社會分化的現象。
特彆強調的是,雖然這是一個關於三文魚的古DNA研究案例,但它更是關於原住民與三文魚互動、原住民對環境適應的故事。
這個三文魚的古DNA研究案例運用了動物考古學(古代三文魚骨骼遺存)、生物學(三文魚洄遊現象的觀察)和現代民族學調查(原住民喜歡Pink三文魚作為越冬儲存的食物)等多學科交叉的研究成果,復原了該地區古代原住民使用三文魚的歷史。
講座結束後,與會學者就人骨考古學研究與古DNA研究結果的比較,如何看待古DNA研究中的污染問題,如何利用古DNA研究結果和古基因組數據解決具體的考古學問題等進行了廣泛的交流,楊東亞教授做了詳細地解答。
最後,中國社會科學院考古研究所所長陳星燦研究員再次向楊東亞教授表示感謝,並頒發講座聘書。
他認為此次講座非常精彩,詳盡地為大家介紹了古DNA的前沿研究、潛力,以及古DNA研究的實用性和局限性,古DNA研究如何與考古學家合作,幫助考古學家了解古DNA技術與方法,用以真正地解決考古學問題。
(整理:趙欣 審稿:楊東亞)
原標題：古基因組學和考古學的整合——2018年度考古學研究系列學術講座第7講紀要
來源：中國考古網
作者：趙欣
聲明：本文圖片來源於「東方IC」
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