www.11599.com古基因组学和考古学的整合——2018年度考古学研究系列学术讲座第7讲纪要

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2018年6月5日下午,由中国社会科学院考古研究所主办的“2018年度考古学研究系列学术讲座”第7讲在考古研究所八楼多媒体厅举行。加拿大西蒙菲莎大学环境学院副院长、考古学系教授、古代DNA实验室主任杨东亚教授应邀作了题为“古基因组学和考古学的整合”的学术讲座,中国社会科学院考古研究所所长陈星灿研究员主持并点评。来自中国社会科学院考古研究所、中国社会科学院研究生院、北京大学、中国人民大学、中央民族大学、首都师范大学、山东大学、河南省文物考古研究院、山西省晋国博物馆等单位的专家学者和学生们聆听了此次讲座。

在中国, 黄牛泛指牦牛 和水牛以外的所有家牛,主要分为普通牛和瘤牛两个种。

主讲人 杨东亚教授

就世界范围而言,普通牛分布于全世界,瘤牛主要分布于印度次大陆,均由已灭绝野生原牛驯化而来。综合考古学与DNA
研究表明,家养黄牛有两个独立的驯化中心, 普通牛于公元前8000
年左右在近东地区由野生原牛驯化而来,瘤牛于公元前6000
年左右在南亚被独立驯化。

杨东亚教授从2018年3月28日《自然》杂志发表的一篇文章的理由》)讲起。古DNA研究在过去十年“突飞猛进”地进入了基因组学时代,海量的古DNA数据及遗传信息,预示着古基因组研究有着“神奇”的能力可以解决如人类起源等诸多复杂的考古学问题。古基因组学在大家眼里信息量很丰富,但在解释问题的过程中简单化,与考古学家产生了冲突,DNA研究使考古学家与基因组学家之间产生了紧张的关系。许多考古学家对这一新的“研究方向”的关注和对某些“研究实践”的不安,再次提醒我们跨学科合作研究的不易和深度合作的必要。

动物考古学证据表明, 家养普通牛于公元前3600 年~公元前2000
年从西亚传入中国。关于瘤牛最早的考古证据来自于公元前475~公元前221
年的青铜器,该青铜器纹饰上有肩峰高耸的家牛形象,但是瘤牛何时传入中国目前尚不清楚。

杨东亚教授分别从古基因组学家和考古学家的角度,分析基因组数据和考古学资料的特点,提出一些具体建议,更有效地对数据材料进行整合,使得古基因组和考古学能够密切合作,一起生动地讲述人类起源发展的故事。演讲内容主要分为三个方面:

饲养黄牛不仅为人类提供稳定的动物蛋白,
牛耕的发明使黄牛成为传统农耕经济的主要畜力,
使人们可以从繁重的体力劳动中解放出来。此外,饲养黄牛为宗教活动提供了新的物种来源,
并且大部分早期家牛遗存都来源于宗教祭祀有关的遗迹。到了商代晚期,
黄牛已经代替家猪成为中国考古遗址中最主要的祭牲。

一、技术方法:古DNA研究的技术手段

蔡大伟等采集了中国河南、山西、陕西、吉林、内蒙古、新疆、青海、宁夏等多个考古遗址出土的牛骨样本进行DNA
分析,研究认为:中国家养黄牛最早由近东地区引入中国;
青铜时代中国北方黄牛均为普通牛,未见瘤牛;近东起源的普通牛可能经过两条路线进入中国;
中国古代家牛对现代东亚家养普通牛具有重要的遗传贡献。

古DNA泛指从古生物化石或考古材料中提取出的DNA,用于生物样本的种属、群体、性别甚至个体识别、疾病的鉴定,
也用于遗传特征的进化研究。DNA是遗传物质的载体,基本单位是核苷酸。以前古DNA研究可以提取几百个碱基对的DNA序列,而现在大规模测序技术的出现和提高,可以快速获得整个物种的DNA序列,即基因组。研究基因组的学科叫基因组学,而研究古基因组可以称为古基因组学。

博凯玲等对山西陶寺、周家庄遗址出土牛卜骨的DNA
研究显示,新石器时代晚期至青铜时代早期中国北方地区依然存在野生原牛,
野生原牛、野生水牛和家养黄牛种群共存。并且首次发现使用原牛肩胛骨制作卜骨的现象。

首先,杨教授对古DNA研究简史进行了回顾。最早的古DNA研究是1984年美国加里福尼亚大学伯克利分校的Higuchi等从博物馆收藏的已灭绝140年的非洲南部马科动物——斑驴风干的皮肤中成功地提取DNA,克隆和分析了DNA序列,用于重建斑驴与斑马的亲缘关系。这项开创性的工作证明了古DNA研究的可行性和重要性。1985年,P??bo等从距今2400多年的埃及木乃伊中提取DNA并进行克隆测序,该研究成果发表在《自然》杂志,这是第一篇研究古代人DNA的文章。目前几乎可以肯定的是该文章中获得的DNA是污染的结果,但是它仍然具有重要的历史意义,因为在该文章的鼓舞下,更多的实验室加入到古DNA研究中来,其在古DNA研究和发展中起到了推动的作用。然而这篇文章仍然提醒我们,在参考古DNA研究结果时,即便是研究成果发表在《自然》、《科学》等高端的学术期刊上,我们也应该使用批判性思维。1985年美国科学家Mullis等人发现并创立了划时代的PCR技术,为古DNA研究注入新的活力,成为古DNA研究的首选工具。1989年日本、英国、德国等科学家都从骨骼中提取出DNA,1997年Krings等从尼安德特人化石中提取出DNA。2006年和2009年,随着大规模测序技术的出现和提高,尼安德特人的全基因组草图建立起来,从此古DNA研究进入了古基因组学研究时代。

动物考古学研究表明,全新世时期中国境内很多地方有水牛生存,这些土生土长的中国水牛被称为圣水牛,曾被认为是现代家养水牛的祖先。现研究表明它们可能没有被驯化,
应该是野生水牛。

主持人 陈星灿研究员

www.11599.com,中国最早的家养水牛可追溯至1 世纪之后。现代动物线粒体DNA
研究显示,沼泽水牛可能在中国西南部或东南亚被驯化。对陕西省临潼康家遗址等几个遗址出土水牛的古DNA
研究显示,在公元前2000
年左右的中国北方考古遗址中出土的圣水牛对中国现代家养水牛没有基因贡献。

古DNA具有含量极低、高度降解、广泛损伤、含有大量杂质等特点,PCR技术和大规模测序技术的出现使古DNA研究成为可能,但是污染是古DNA研究中不可避免的问题。因此,古DNA研究要在专门的古DNA超净实验室中完成,经过DNA提取、PCR扩增和Sanger测序,获得长度为几百个碱基对的DNA序列,并在基因库中进行搜索和DNA数据比较分析,这是经典的古DNA方法。而大规模测序技术可以一次性获得30亿个碱基对的DNA序列。从Sanger测序到大规模测序技术,使古DNA研究从最初的几百个碱基对序列的研究飞速发展到30亿个碱基对序列的研究。如何看待和解释这样巨大的古DNA数据量?此时需要考古学家参与和帮助古基因组学家来解释这30亿个碱基对序列。考古学家应该做积极的参与者,而不仅仅是样本的提供者。

河南省郑州地区地处华北平原南部、黄河下游,居中原地区核心位置。本文对河南省郑州地区青铜时代的花地嘴遗址和望京楼遗址出土的牛骨进行了采集、DNA
提取,并选择线粒体DNA 控制区片段进行PCR
扩增,研究郑州地区古代牛的群体遗传学特征,并通过与国内外的古代和现代牛的比较,分析郑州地区特别是中原地区在中国古代牛的出现与发展过程中所起的作用。

此外,获取DNA序列不等于识别和解读全部的遗传信息,这是因为我们对基因组的基因结构和功能需要有更多的了解和认识。功能基因组学研究刚刚起步,方兴未艾,需要有更多的工作和后续研究。除一些特殊的遗传性状、遗传疾病外,我们很难把某些复杂的疾病、某些复杂的行为与某些特定的基因联系在一起。目前我们也不能指望古基因组研究解决所有的考古学问题,应该给予古基因组学者更多的时间去研究。古基因组学正在飞速发展,但需要认识到它刚刚开始。

一、材料与方法

二、理论思考:古DNA研究和考古学的结合

1、样本采集

自然界中绝大多数生物的遗传物质是DNA,它存在于生物组织中。同一个体的DNA是相同的,不同个体、群体或物种的DNA是不同的。DNA包括有核DNA、线粒体DNA,植物中还存在叶绿体DNA。DNA具有已知的遗传模式,线粒体DNA具有母系遗传的特点,Y染色体DNA具有父系遗传的特点,而常染色体遵循孟德尔遗传定律。

花地嘴环壕聚落遗址位于河南省巩义市站街镇北瑶湾村南面的黄土原上,东、南远望猴山等嵩山余脉,西临伊洛河,北为断崖,远眺黄河,海拔高度为90~110
米。

对于形态鉴定有难度的样本,例如断损骨骼、破坏或加工过的骨骼、年幼个体的骨骼、缺少必需对比标本的骨骼、食物残留物或特殊土壤等,可以通过DNA技术提供种属、性别等遗传信息。古DNA研究可以应用于人类进化和迁徙、分子法医人类学、分子古病理学、动植物分子考古学等研究中。从分子水平进行种属鉴定,性别鉴定,群体识别包括群体大小、变化、替代、混杂、迁徙等,功能行为方式,遗传疾病等。普遍认为除了保存于极地冻土中的材料外,古DNA保存的年限一般不超过十万年。需要注意的是,如果存在环境因素的影响,就必须要有考古学背景材料的支持。要合理利用古DNA数据,但不能误用甚至滥用。如果做得好,DNA分析可以是非常有用和有效的,可以充分发挥其潜力。否则DNA分析可能会有很严重的误导——因为大家一般太相信DNA的力量。

是一处由四条环壕围成的夏代早期聚落遗址,内部分布有夯土、房址、窑址、祭祀坑、窖穴及墓葬等重要遗迹,而且出土了大量陶器、玉器、骨器、石器、蚌器等遗物,所有这些将有助于推动对夏代早期文化的认识和深入研究。

讲座现场

望京楼遗址位于河南省新郑市以北约4000
米处,处于豫西山地丘陵区东缘冲积扇中部,西北高、东南低。西邻黄水河,东临黄沟水,两条河流于遗址东南汇合。望京楼二里头文化城址与二里冈文化城址同位于此地点,是夏、商时期的重要邑聚。

在古DNA研究和考古学合作中,考古学家应发挥更大的作用。因为考古学家最了解遗址和与遗址相关的问题,最了解材料的考古学背景,最能帮助DNA提供随机取样的条件,并为古DNA研究提供研究思路、盲测和数据解释。古基因组研究可以获得海量的遗传信息,有许多问题可供选择研究,否则所获得的基因组信息就被浪费,因此给考古学家提供机会能够参与到古基因组研究中来。需要注意的是,在大多数情况下,DNA数据只能提供可能性,而不是绝对的肯定或否定;此外,科学仪器所得到的数据本身不会自动地转变成科学的解释。

在动物考古学家进行种属鉴定等形态学研究的基础上,
本文对花地嘴遗址和望京楼遗址出土的共计29
例牛骨样本进行了采集,样本的具体信息见表一。

古DNA研究与考古学合作的策略应该是依据可靠性对考古信息进行分类和评估,可以分为三类:可靠准确的、很有可能的和推测的。通过引入盲测的概念,把所有不同可靠性的材料都纳入到DNA分析。只有当古DNA数据和那些可靠的考古学证据一致的情况下,才能用来分析和检测那些推测和假定;否则的话,需要仔细检查DNA数据,看DNA实验过程是否有误,看考古证据可靠性的界定是否有不妥之处,看是否需要重新进行实验设计、需要进一步验证。在该策略中,考古学家不仅仅是材料的提供者,更是古DNA课题研究主动的参与者。盲测的加入能有效地保证DNA实验分析的独立性,因此能够有利于考古学与古DNA研究的真正整合。真正的整合,不是水与油的关系,应该是水和奶的关系,能够达到真正的“水乳交融”。

2、样本处理与DNA 提取

古DNA研究获取数据相对容易,真正的挑战是如何使用古DNA数据解决考古学问题,这需要很长的路要走。不仅需要有基因组学、现代遗传学、医学遗传学、群体遗传学、分子生态学的基础,还需要有详细地考古学背景材料的支持。需要古DNA研究与考古学在常识与批判性思维的基础上,一起生动地讲故事,避免单方面地编故事,大家一起反对任何形式地造故事。

首先取牛骨上约1cm×1cm 见方的小块,
用钻头打磨骨骼表面和截面以去除骨骼表面尘垢,
次氯酸钠溶液浸泡和紫外照射,用以去除骨骼表面的外源DNA 污染,
之后使用冷冻研磨机打磨成粉。在此基础上采用Yang 等提出的硅柱离心法进行DNA
提取。

三、研究案例:古DNA在考古学上的应用

3、DNA 扩增与测序

杨东亚教授选择“北美太平洋西北岸史前三文鱼渔业和早期复杂社会出现的基础”这一课题作为研究案例。在加拿大BC省的Namu遗址,发现有大量的三文鱼骨骼遗存。在北美洲太平洋西北岸生活有6个不同物种的三文鱼,不同物种三文鱼洄游的季节月份不同,在外海生活的年数也不同。依据不同物种三文鱼的生活史,可以推测考古遗址使用的季节。然而仅依靠考古遗址出土骨骼的形态很难判断三文鱼的具体种属,古DNA技术可以帮助获取这些信息。在Namu遗址随机选取120个鱼骨样本进行古DNA分析,发现在该遗址中共有5种常见的三文鱼Pink、Chum、Sockeye、Coho和Chinook,Pink三文鱼比例最高。说明在该遗址原住民是常年居住的。

由于古DNA
的含量低、高度降解、广泛损伤,几乎不可能一次性扩增较长的片段。为了得到较长的连续DNA
序列,本文选择了Troy 等、蔡大伟等设计的三对套叠引物 来扩增黄牛线粒体DNA
控制区的片段,并选择Yang等设计的引物 来扩增水牛线粒体DNA 控制区的片段。

按遗址年代划分,距今7000-6000、6000-5000、5000-4000、2000-500年这四个阶段,各个物种三文鱼的比例相似,只有在距今4000-2000年Pink三文鱼比例非常低,而其他海产品很多。根据现代民族学调查,原住民喜欢Pink三文鱼,因为它容易作为越冬储存的食物。然而距今4000-2000年Pink三文鱼非常少,推测是因为Pink三文鱼只在外海一年,第二年就洄游,没有缓冲期,受环境影响比较大。而恰好这一时期环境发生较大变化。该研究提供了北美洲太平洋西北沿岸永久居所存在的证据,进而更好地解释当时人口扩散和社会分化的现象。

在古DNA 研究中,PCR 扩增常用的BSA 是从牛中提取的,
本文的研究对象是古代牛的DNA, 因此实验时并未使用BSA。PCR
反应体系为30μL,包括4-5μL的DNA 提取液、1 -3U AmpliTaq GoldTM 、50 mM
KCl、2.5mM MgCl2、0.2mMdNTPs Mix 和0.3μM 引物。PCR 扩增程序如下:95℃
12min,随后是94℃变性30s、52-55℃退火30s、72℃延伸40s 共60
个循环,最后72℃延伸10min。

特别强调的是,虽然这是一个关于三文鱼的古DNA研究案例,但它更是关于原住民与三文鱼互动、原住民对环境适应的故事。这个三文鱼的古DNA研究案例运用了动物考古学、生物学和现代民族学调查等多学科交叉的研究成果,复原了该地区古代原住民使用三文鱼的历史。


陈星灿所长向杨东亚教授颁发讲座嘉宾聘书

扩增产物用2%琼脂糖凝胶进行电泳检测。PCR
阳性产物送到测序公司直接测序,正反引物双向测序。在全部实验过程中,严格按照防污染措施操作,具体实验操作详见。

讲座结束后,与会学者就人骨考古学研究与古DNA研究结果的比较,如何看待古DNA研究中的污染问题,如何利用古DNA研究结果和古基因组数据解决具体的考古学问题等进行了广泛的交流,杨东亚教授做了详细地解答。最后,中国社会科学院考古研究所所长陈星灿研究员再次向杨东亚教授表示感谢,并颁发讲座聘书。他认为此次讲座非常精彩,详尽地为大家介绍了古DNA的前沿研究、潜力,以及古DNA研究的实用性和局限性,古DNA研究如何与考古学家合作,帮助考古学家了解古DNA技术与方法,用以真正地解决考古学问题。

4、数据分析

责编:荼荼

PCR 产物所得到的序列使用Chromas Pro 软件进行读取,通过Clustal X2
软件进行序列比对,并使用BioEdit 进行编辑。使用MEGA 6
软件构建系统发育树,对比序列包括:普通牛单倍型类群T1、普通牛单倍型类群T2
、普通牛单倍型类群T3 、普通牛单倍型类群T4 和瘤牛单倍型类群I
,水牛作为外类群,详见图一。

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使用Network 5.0
软件构建中介网络图,选择中国考古遗址出土家养普通牛作为对比序列,包括:吉林后套木嘎、山西周家庄、山西陶寺、河南二里头、陕西石峁、陕西泉护村、辽宁大山前、青海长宁、新疆小河等,详见图二。

版权所有:中国社会科学院考古研究所

二、结果

地址:北京王府井大街27号 E-mail:kaogu@cass.org.cn

在29 例牛骨样本中,本文成功地获得了14 个样本线粒体DNA 控制区的285bp
序列,另有2 个样本获得了部分线粒体DNA 控制区序列。

备案号:京ICP备05027606

在GenBank 数据库中对这些DNA 序列进行了BLAST 共享序列搜索,结果发现15
个样本属于家养普通牛,1 个样本属于水牛。

学术动态
古基因组学和考古学的整合——2018年度考古学研究系列学术讲座第7讲纪要
发布时间:2018-06-19

1、普通牛线粒体DNA 控制区序列变异情况及单倍型类群归属

2018年6月5日下午,由中国社会科学院考古研究所主办的“2018年度考古学研究系列学术讲座”第7讲在考古研究所八楼多媒体厅举行。加拿大西蒙菲莎大学环境学院副院长、考古学系教授、古代DNA实验室主任杨东亚教授应邀作了题为“古基因组学和考古学的整合”的学术讲座,中国社会科学院考古研究所所长陈星灿研究员主持并点评。来自中国社会科学院考古研究所、中国社会科学院研究生院、北京大学、中国人民大学、中央民族大学、首都师范大学、山东大学、河南省文物考古研究院、山西省晋国博物馆等单位的专家学者和学生们聆听了此次讲座。

以V00654作为参考序列, 将属于家养黄牛的15 个线粒体DNA
控制区序列与之进行比对,BOC85仅获得了部分线粒体DNA
序列,实验结果见表二。共检测出10 个多态性位点,8 个为转换,1 个为颠换,
另16302
位点既有转换也有颠换,转换主要在嘧啶之间,占75.0%,遗传多态性不高。除BOC85
外, 其他14 个序列中共检测出8 个单倍型。

主讲人 杨东亚教授

BOC64、BOC65、BOC73 和BOC79, BOC57、BOC71 和BOC83,BOC67 和BOC77
分别共享有相同的单倍型,
并且这三个单倍型在花地嘴遗址和望京楼遗址均有发现。

杨东亚教授从2018年3月28日《自然》杂志发表的一篇文章的理由》)讲起。古DNA研究在过去十年“突飞猛进”地进入了基因组学时代,海量的古DNA数据及遗传信息,预示着古基因组研究有着“神奇”的能力可以解决如人类起源等诸多复杂的考古学问题。古基因组学在大家眼里信息量很丰富,但在解释问题的过程中简单化,与考古学家产生了冲突,DNA研究使考古学家与基因组学家之间产生了紧张的关系。许多考古学家对这一新的“研究方向”的关注和对某些“研究实践”的不安,再次提醒我们跨学科合作研究的不易和深度合作的必要。

根据已发表研究成果关于普通牛单倍型类群的划分,基于线粒体DNA
控制区序列变异模式,本文发现的8 个单倍型可以归属于3
个不同的单倍型类群T2、T3 和T4, 以T3 为主占60.0%,T4 次之约占26.7%,T2
最少约占13.3%,
未见其他单倍型类群。以每个遗址为单位分别统计,比例相似。在花地嘴遗址中,
以T3 为主占60.0% ,T2 和T4 各占20.0%;在望京楼遗址中,以T3
为主占60.0%,T4 次之占30.0%,T2 最少占10.0%。

杨东亚教授分别从古基因组学家和考古学家的角度,分析基因组数据和考古学资料的特点,提出一些具体建议,更有效地对数据材料进行整合,使得古基因组和考古学能够密切合作,一起生动地讲述人类起源发展的故事。演讲内容主要分为三个方面:

2、水牛线粒体DNA 控制区序列变异情况及单倍型类群归属

一、技术方法:古DNA研究的技术手段

以NC_006295 和AY195595 作为参考序列,将属于水牛的BOC82 的线粒体DNA
控制区序列与之进行比对,并与康家水牛进行比较,实验结果见表三。根据已发表研究成果关于水牛单倍型类群的划分,基于线粒体DNA
控制区序列变异模式,本文发现的这1
例水牛的单倍型可以归属于单倍型类群KJ2,与康家遗址的5个个体、天马纱厂遗址的1个个体共享相同的线粒体DNA
控制区序列。

古DNA泛指从古生物化石或考古材料中提取出的DNA,用于生物样本的种属、群体、性别甚至个体识别、疾病的鉴定,
也用于遗传特征的进化研究。DNA是遗传物质的载体,基本单位是核苷酸。以前古DNA研究可以提取几百个碱基对的DNA序列,而现在大规模测序技术的出现和提高,可以快速获得整个物种的DNA序列,即基因组。研究基因组的学科叫基因组学,而研究古基因组可以称为古基因组学。

三、讨论

首先,杨教授对古DNA研究简史进行了回顾。最早的古DNA研究是1984年美国加里福尼亚大学伯克利分校的Higuchi等从博物馆收藏的已灭绝140年的非洲南部马科动物——斑驴风干的皮肤中成功地提取DNA,克隆和分析了DNA序列,用于重建斑驴与斑马的亲缘关系。这项开创性的工作证明了古DNA研究的可行性和重要性。1985年,P??bo等从距今2400多年的埃及木乃伊中提取DNA并进行克隆测序,该研究成果发表在《自然》杂志,这是第一篇研究古代人DNA的文章。目前几乎可以肯定的是该文章中获得的DNA是污染的结果,但是它仍然具有重要的历史意义,因为在该文章的鼓舞下,更多的实验室加入到古DNA研究中来,其在古DNA研究和发展中起到了推动的作用。然而这篇文章仍然提醒我们,在参考古DNA研究结果时,即便是研究成果发表在《自然》、《科学》等高端的学术期刊上,我们也应该使用批判性思维。1985年美国科学家Mullis等人发现并创立了划时代的PCR技术,为古DNA研究注入新的活力,成为古DNA研究的首选工具。1989年日本、英国、德国等科学家都从骨骼中提取出DNA,1997年Krings等从尼安德特人化石中提取出DNA。2006年和2009年,随着大规模测序技术的出现和提高,尼安德特人的全基因组草图建立起来,从此古DNA研究进入了古基因组学研究时代。

1、普通牛线粒体DNA 研究

主持人 陈星灿研究员

二十世纪九十年代学术界开始在世界范围对现代家养黄牛进行遗传学研究,
以探讨其起源与驯化历史。综合这些关于线粒体DNA
控制区的分析,黄牛分为普通牛和瘤牛两个基因型;
普通牛有T、T1、T2、T3、T4、T5 和P、Q、R 等单倍型类群,其中T、T2和T3
主要分布于近东和欧洲,T1 主要发现于非洲,T4 仅见于东亚, 单倍型类群T5
发现于意大利黄牛种群中。由于T4
只存在于东亚,所以有学者认为东亚也是一个独立的普通牛驯化中心。

古DNA具有含量极低、高度降解、广泛损伤、含有大量杂质等特点,PCR技术和大规模测序技术的出现使古DNA研究成为可能,但是污染是古DNA研究中不可避免的问题。因此,古DNA研究要在专门的古DNA超净实验室中完成,经过DNA提取、PCR扩增和Sanger测序,获得长度为几百个碱基对的DNA序列,并在基因库中进行搜索和DNA数据比较分析,这是经典的古DNA方法。而大规模测序技术可以一次性获得30亿个碱基对的DNA序列。从Sanger测序到大规模测序技术,使古DNA研究从最初的几百个碱基对序列的研究飞速发展到30亿个碱基对序列的研究。如何看待和解释这样巨大的古DNA数据量?此时需要考古学家参与和帮助古基因组学家来解释这30亿个碱基对序列。考古学家应该做积极的参与者,而不仅仅是样本的提供者。

然而,最近研究显示T4 是单倍型类群T3
的一个分支。此外还有学者认为欧洲牛起源较为复杂,并非简单地近东引入,欧洲原牛对欧洲普通牛有基因贡献,例如普通牛中稀有的线粒体DNA
单倍型类群P、Q、R 等反映了家养普通牛和欧洲原牛之间存在杂交。

此外,获取DNA序列不等于识别和解读全部的遗传信息,这是因为我们对基因组的基因结构和功能需要有更多的了解和认识。功能基因组学研究刚刚起步,方兴未艾,需要有更多的工作和后续研究。除一些特殊的遗传性状、遗传疾病外,我们很难把某些复杂的疾病、某些复杂的行为与某些特定的基因联系在一起。目前我们也不能指望古基因组研究解决所有的考古学问题,应该给予古基因组学者更多的时间去研究。古基因组学正在飞速发展,但需要认识到它刚刚开始。


二、理论思考:古DNA研究和考古学的结合

​目前在东亚地区还未发现东亚本地原牛种群与外来家养黄牛种群之间存在杂交。瘤牛包括I1
和I2 两个单倍型类群。

自然界中绝大多数生物的遗传物质是DNA,它存在于生物组织中。同一个体的DNA是相同的,不同个体、群体或物种的DNA是不同的。DNA包括有核DNA、线粒体DNA,植物中还存在叶绿体DNA。DNA具有已知的遗传模式,线粒体DNA具有母系遗传的特点,Y染色体DNA具有父系遗传的特点,而常染色体遵循孟德尔遗传定律。

中国现代黄牛的线粒体DNA 分析结果表明中国黄牛包含普通牛和瘤牛两种,
普通牛主要分布在北方,瘤牛主要分布在南方。在普通牛中发现单倍型类群T1、T2、T3
和T4,在瘤牛中发现单倍型类群I1和I2。

对于形态鉴定有难度的样本,例如断损骨骼、破坏或加工过的骨骼、年幼个体的骨骼、缺少必需对比标本的骨骼、食物残留物或特殊土壤等,可以通过DNA技术提供种属、性别等遗传信息。古DNA研究可以应用于人类进化和迁徙、分子法医人类学、分子古病理学、动植物分子考古学等研究中。从分子水平进行种属鉴定,性别鉴定,群体识别包括群体大小、变化、替代、混杂、迁徙等,功能行为方式,遗传疾病等。普遍认为除了保存于极地冻土中的材料外,古DNA保存的年限一般不超过十万年。需要注意的是,如果存在环境因素的影响,就必须要有考古学背景材料的支持。要合理利用古DNA数据,但不能误用甚至滥用。如果做得好,DNA分析可以是非常有用和有效的,可以充分发挥其潜力。否则DNA分析可能会有很严重的误导——因为大家一般太相信DNA的力量。

中国所有已知的古代家养黄牛均属于普通牛的线粒体DNA 单倍型类群,
公元前2000 年前后单倍型类群T2、T3 和T4
在中国已全部存在。没有考古学或遗传学方面的证据表明中国家养黄牛是由本地野牛驯化而来。

讲座现场

目前人们对于东亚地区原牛的遗传学信息还知之甚少。对中国东北地区的一个全新世早期牛下颌骨进行了线粒体DNA
全基因组测序,发现了一个新的牛线粒体DNA
单倍型类群C。此外,在周家庄輬輰訛和后套木嘎也发现了同属于C
的牛的样本,但是其年代已经进入新石器时代晚期。而该单倍型类群C不同于其他已知的现代普通牛单倍型类群,
对现代家养普通牛没有遗传贡献。

在古DNA研究和考古学合作中,考古学家应发挥更大的作用。因为考古学家最了解遗址和与遗址相关的问题,最了解材料的考古学背景,最能帮助DNA提供随机取样的条件,并为古DNA研究提供研究思路、盲测和数据解释。古基因组研究可以获得海量的遗传信息,有许多问题可供选择研究,否则所获得的基因组信息就被浪费,因此给考古学家提供机会能够参与到古基因组研究中来。需要注意的是,在大多数情况下,DNA数据只能提供可能性,而不是绝对的肯定或否定;此外,科学仪器所得到的数据本身不会自动地转变成科学的解释。

本文对花地嘴和望京楼两个遗址出土牛骨的线粒体DNA
研究显示,家养普通牛可以归属于单倍型类群T2、T3 和T4,以T3 为主,T2 和T4
较少,
这一遗传结构特征与中国现代家养普通牛相似,但未见其他单倍型类群。将这两个遗址与已发表的其他中国考古遗址出土黄牛线粒体DNA
的单倍型类群分布频率进行比较,本文发现花地嘴和望京楼家养普通牛的线粒体DNA
单倍型类群分布频率与其他遗址相似, 但是同时存在T2、T3 和T4
的遗址中,除本文研究的两个遗址外,仅有河南二里头遗址和辽宁大山前遗址两个,
说明河南地区古代家养黄牛的多样性更高。中介网络分析显示,花地嘴、望京楼和二里头这三个遗址中常见的单倍型都在其他遗址中有发现。

古DNA研究与考古学合作的策略应该是依据可靠性对考古信息进行分类和评估,可以分为三类:可靠准确的、很有可能的和推测的。通过引入盲测的概念,把所有不同可靠性的材料都纳入到DNA分析。只有当古DNA数据和那些可靠的考古学证据一致的情况下,才能用来分析和检测那些推测和假定;否则的话,需要仔细检查DNA数据,看DNA实验过程是否有误,看考古证据可靠性的界定是否有不妥之处,看是否需要重新进行实验设计、需要进一步验证。在该策略中,考古学家不仅仅是材料的提供者,更是古DNA课题研究主动的参与者。盲测的加入能有效地保证DNA实验分析的独立性,因此能够有利于考古学与古DNA研究的真正整合。真正的整合,不是水与油的关系,应该是水和奶的关系,能够达到真正的“水乳交融”。

广义的中原, 指黄河中下游地区;
狭义的中原,指今河南一带。“今韩、魏,中国之处而天下之枢也”,这里的“中国”即为中原,自古为咽喉要地,是华夏文明和中华文明的发源地,
随着华夏民族的大融合以及中原文明的扩展,
中原文化与其他文化交流频繁。花地嘴遗址是夏代早期聚落遗址,望京楼遗址是夏、商时期的重要邑聚,二里头更是夏时期都城性质的遗址。这三个遗址均位于今河南省,其重要的考古学文化性质及地理位置,
便于各种家养黄牛通过不同的路线汇聚于此,
由此形成了本文看到的这三个遗址都存在T2、T3 和T4 三个家养黄牛的线粒体DNA
单倍型类群,并且作为一种稳定的遗传结构在该地区长期保留下来了。

古DNA研究获取数据相对容易,真正的挑战是如何使用古DNA数据解决考古学问题,这需要很长的路要走。不仅需要有基因组学、现代遗传学、医学遗传学、群体遗传学、分子生态学的基础,还需要有详细地考古学背景材料的支持。需要古DNA研究与考古学在常识与批判性思维的基础上,一起生动地讲故事,避免单方面地编故事,大家一起反对任何形式地造故事。

2、水牛线粒体DNA 研究

三、研究案例:古DNA在考古学上的应用

Yang 等对陕西省7 个考古遗址出土的水牛样本进行了线粒体DNA
分析,认为这些水牛都属于已灭绝的圣水牛,并且可以划分为两个单倍型类群KJ1
和KJ2。这些本土野生的圣水牛对现代家养水牛没有遗传贡献。此外,在山西龙山时期周家庄遗址中发现了属于KJ1
的牛骨样本。本文在花地嘴遗址中发现的水牛样本属于圣水牛的单倍型类群KJ2,
与康家遗址的5 个个体、天马纱厂遗址的1 个个体共享有相同的线粒体DNA序列。

杨东亚教授选择“北美太平洋西北岸史前三文鱼渔业和早期复杂社会出现的基础”这一课题作为研究案例。在加拿大BC省的Namu遗址,发现有大量的三文鱼骨骼遗存。在北美洲太平洋西北岸生活有6个不同物种的三文鱼,不同物种三文鱼洄游的季节月份不同,在外海生活的年数也不同。依据不同物种三文鱼的生活史,可以推测考古遗址使用的季节。然而仅依靠考古遗址出土骨骼的形态很难判断三文鱼的具体种属,古DNA技术可以帮助获取这些信息。在Namu遗址随机选取120个鱼骨样本进行古DNA分析,发现在该遗址中共有5种常见的三文鱼Pink、Chum、Sockeye、Coho和Chinook,Pink三文鱼比例最高。说明在该遗址原住民是常年居住的。

四、结论

按遗址年代划分,距今7000-6000、6000-5000、5000-4000、2000-500年这四个阶段,各个物种三文鱼的比例相似,只有在距今4000-2000年Pink三文鱼比例非常低,而其他海产品很多。根据现代民族学调查,原住民喜欢Pink三文鱼,因为它容易作为越冬储存的食物。然而距今4000-2000年Pink三文鱼非常少,推测是因为Pink三文鱼只在外海一年,第二年就洄游,没有缓冲期,受环境影响比较大。而恰好这一时期环境发生较大变化。该研究提供了北美洲太平洋西北沿岸永久居所存在的证据,进而更好地解释当时人口扩散和社会分化的现象。

通过对河南省郑州地区花地嘴遗址、望京楼遗址出土牛骨进行线粒体DNA
控制区序列的分析,并结合该地重要的地理位置,本文得出以下认识:

特别强调的是,虽然这是一个关于三文鱼的古DNA研究案例,但它更是关于原住民与三文鱼互动、原住民对环境适应的故事。这个三文鱼的古DNA研究案例运用了动物考古学、生物学和现代民族学调查等多学科交叉的研究成果,复原了该地区古代原住民使用三文鱼的历史。

花地嘴遗址出土的牛骨包括有家养普通牛和野生的圣水牛两个不同的种,
望京楼遗址出土的牛骨均属于家养普通牛。

陈星灿所长向杨东亚教授颁发讲座嘉宾聘书

花地嘴遗址、望京楼遗址的家养普通牛可以归属于线粒体DNA 单倍型类群T2、T3
和T4,以T3为主,T2 和T4
较少,这一遗传结构特征与中国现代家养普通牛相似,但未见其他单倍型类群。通过与已发表的其他中国考古遗址出土黄牛线粒体DNA
的单倍型类群分布频率的比较发现, 同时存在T2、T3和T4
的遗址中,除本文研究的两个遗址外,仅有河南二里头遗址和辽宁大山前遗址两个,
说明河南地区古代家养黄牛的多样性更高。综合花地嘴遗址、望京楼遗址和二里头遗址重要的考古学文化性质及地理位置,
本文研究认为各种家养黄牛便于通过不同的路线汇聚于此,
由此形成了本文看到的这三个遗址都存在T2、T3 和T4
三个家养黄牛的线粒体DNA单倍型类群,
并且作为一种稳定的遗传结构在该地区长期保留下来了。

讲座结束后,与会学者就人骨考古学研究与古DNA研究结果的比较,如何看待古DNA研究中的污染问题,如何利用古DNA研究结果和古基因组数据解决具体的考古学问题等进行了广泛的交流,杨东亚教授做了详细地解答。最后,中国社会科学院考古研究所所长陈星灿研究员再次向杨东亚教授表示感谢,并颁发讲座聘书。他认为此次讲座非常精彩,详尽地为大家介绍了古DNA的前沿研究、潜力,以及古DNA研究的实用性和局限性,古DNA研究如何与考古学家合作,帮助考古学家了解古DNA技术与方法,用以真正地解决考古学问题。

花地嘴遗址中发现的水牛样本属于圣水牛的单倍型类群KJ2,与康家遗址、天马纱厂遗址等多个个体共享有相同的线粒体DNA
序列。它们之间是否具有某种联系, 还需要有进一步的研究和探讨。

责编:荼荼

致谢感谢郑州市文物考古研究院为本研究提供了宝贵的样本。

作者:考古所科研处 文章出处:中国考古网

考古学系古DNA实验室;顾万发 吴倩 东晓玲 郑州市文物考古研究院;韩雨 刘铭
中国社会科学院考古研究所科技考古中心;尤悦 首都师范大学历史学院;刘一婷
袁靖 中国社会科学院考古研究所科技考古中心;杨东亚
中国社会科学院考古研究所科技考古中心
西蒙菲莎大学考古学系古DNA实验室;原文刊于《南方文物》2018年第4期
此处省略注释,完整版请点击左下方“阅读原文”)

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