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      一項6年前發表的研究遭多次反轉,終極解決辦法“只有重復實驗”?

      來 源:科學網微信公號
      發布時間:2021-05-27

      針對一項關于現代人起源的重要研究,中外學者在頂刊上展開了多次爭鋒。

      2021年2月9日,美國《國家科學院院刊》發表了南京大學副教授孫雪峰等研究論文《古DNA和多種測年方式證實現代人晚到達中國南方》。該研究使用古DNA和多種測年方式證實,現代人抵達華南地區不超過六萬年。

      這一結果推翻了2015年由科院古脊椎動物與古人類研究所(以下簡稱古脊椎所)等機構在《自然》發表的研究結論,即“具有完全現代形態的人類早在8~12萬年前就已經在華南局部地區出現”。

      如今,事件有了最新進展。5月25日,美國《國家科學院院刊》同期刊發3篇來自古脊椎所、牛津大學、德國馬普學會等機構多位學者的評論信,質疑孫雪峰論文研究結論的可靠性。他們提出,孫雪峰的研究存在“指鹿為人”、碳十四年代測定不準確、數據分析不規范等多個方面的缺陷。

      廈門大學人類學研究所所長王傳超認為,解決這一爭議問題的終極辦法就是古DNA和碳十四測年的重復實驗。但這是一項技術要求極高,同時又依賴運氣的工作,重復實驗并非隨時可以完成。這時,科學家或許只能選擇繼續等待,而這也是古人類研究的一大特點。

      爭議源起:阻礙非洲起源說的“最后一顆釘子”被拔掉了?

      關于現代人起源有兩種觀點長期對峙:一種是非洲起源說,一種是多地起源說。

      前者支持所有現代人都是從非洲走出的智人進化而來,他們在不同地區替代了本土的古老型人類而成為霸主。

      后者則認為,智人在走出非洲的過程中不斷與當地的古人類發生混血、雜交,共同走上現代人演化的道路。

      這一爭議的熱點地區,恰好就在東亞。要想拼湊出現代人在東亞地區的起源與演化的拼圖,湖南道縣福巖洞扮演著關鍵角色。

      2011年9月至2013年底,古脊椎所、湖南文物考古研究所連續三次對福巖洞遺址進行考古發掘,出土了大量哺乳動物化石,其中最引人注目的就是47枚古人類牙齒。

      經科研人員測定,具有完全現代形態的人類早在8~12萬年前就已經在華南局部地區出現了。2015年10月15日,《自然》發表了古脊椎所劉武、吳秀杰等所做的這項工作。

      當時,福巖洞人年代的推測主要依靠兩方面證據。

      首先,在地層中,除非有過大的擾動,一般總是年輕的層位在上面,古老的層位在底下。如果化石層位于中間,那么它的年齡也就介于上下地層的年代之間。于是,科學家對化石埋藏的上下地層進行了鈾系測年,結果顯示它的范圍在 8~12萬年前。

      其次,從生物地層學分析,和這些人類牙齒同在一起的動物群組成呈現出了晚更新世早期的特點。吳秀杰解釋,動物群里發現了很多絕滅物種,都是在距今13萬年以前的。他們還對一枚動物牙齒進行了碳十四測年,結果已經接近檢測上限。

      這項研究對于探討現代人在歐亞地區的出現和擴散具有重要意義。

      在經典的非洲起源論中,非洲以外的所有現代人都是5~10萬年前走出非洲的一小群祖先的后代。

      根據已有的化石證據,最早的現代人在西亞和歐洲出現的時間位于4.5萬~5萬年前。由于古人類化石非常稀有,東亞地區是否存在5~10萬年前的早期現代人,始終沒有確切的證據。

      如果福巖洞人的年代推定屬實,他們在東亞大陸出現的時間就比到達西亞和歐洲的現代人早至少3.5~7.5萬年,那么福巖洞人的祖先來自何方?他們還是5~10萬年前走出非洲的一小群祖先的后代嗎?或者他們是更早出走的那一撥?他們和東亞大陸早期古人類有過廣泛的基因交流嗎?問題變得錯綜復雜起來。

      然而,2021年2月9日,美國《國家科學院院刊》發表了南京大學孫雪峰等人的論文,又把這一問題拉回到了原點。

      2019年,他們在福巖洞新找到了兩枚“人類牙齒”和多枚哺乳動物化石。

      這一次,他們用了更為直接的方法,也就是對“人類牙齒”進行了古DNA提取、測序,建立了人群關系的系統演化樹,同時對“人類牙齒”和動物牙齒進行了碳十四測年。

      根據這兩項測定結果,他們得出了福巖洞人距今僅有9000多年歷史的結論。論文最終作者、復旦大學生命科學學院教授李輝在復旦大學官網的報道中表示,“阻礙非洲起源說的‘最后一顆釘子’被拔掉了”。

      對同一地點人類化石和古脊椎動物化石分析得到的年代推定結果,整整相差了一個數量級,究竟哪一個更接近歷史的真實?

      爭議一:指鹿為人?

      古人類學家要想還原人類演化的路徑,會依靠很多不同的方法和技術,從古生物學、古人類學,到考古學、地質學、埋藏學、測年技術以及古DNA技術等。

      其中,田野發掘、化石的功能形態鑒定可以說是古生物和古人類研究的立身之本。推翻劉武等研究結論的最主要證據來自孫雪峰等2019年在福巖洞發現的兩枚“人類牙齒”,編號分別為FY-1HT和FY-2HT。

      但前提是,這兩枚牙齒必須與當年的47枚來自同一地層層位,從尺寸上形態上也都是同一類型,才能進行測年比較。

      但劉武等在質疑文章中指出,這篇論文除展示了一張低分辨率照片外,沒有提供“人類牙齒”發現具體位置的準確信息,也沒有這兩枚牙齒任何的形態、尺寸等解剖學信息,更沒有指出與此前福巖洞發現的47枚牙齒中的哪一類、具體哪一件標本進行了比對。

      “這樣的研究論證方式在古生物學、古脊椎動物學、古人類學、解剖學研究中是非常罕見的。”劉武直言。

      而這篇文章最大的爭議點恰是來自化石的形態學鑒定。

      質疑文章提出,經過多位第四紀哺乳動物專家鑒定,這兩枚“人類牙齒”中編號為 FY-2HT的牙齒并非人類牙齒,而是草食類動物——鹿類的門齒。

      西班牙人類古生態與社會進化研究所古生物學、動物考古學和埋藏學專家Palmira Saladié 在接受《中國科學報》采訪時表示:“FY-2HT的牙根和牙冠的形態以及磨損模式,均不符合人屬的鑒定,而屬于鹿科。因此,所有來自該標本的分析和解釋(年代測定和古DNA)都必須非常謹慎地進行,并拒絕它們。在我看來,鑒定是錯誤的,所以我們不能考慮結果。我不明白DNA分析怎么沒發現這個錯誤。”

      孫雪峰和李輝向《中國科學報》表示,原論文中化石形態學鑒定由澳大利亞新南維爾士大學Darren Curnoe負責。但截至發稿,Darren Curnoe沒有就這個問題向《中國科學報》作出回復。

      他在美國《科學院院刊》發表的回應文章中只是解釋,FY-HT-2齒冠釉質大多磨損,無法復原出與鹿牙齒相似的磨耗特點。但劉武表示,盡管FY-HT-2存在齒冠釉質磨損,這枚牙齒與鹿牙齒相似的舌側磨耗特征仍然是清晰可辨的。

      孫雪峰等在福巖洞發現的牙齒與鹿牙對比.(A) 引自Sun et al. 2021;(B)道縣2012年出土的鹿類門齒;(C)附著在現生鹿下頜骨上的門齒及犬齒

      孫雪峰等在福巖洞發現的牙齒同人類牙齒對比. (A)引自Sun et al. 2021;(B)道縣2012年發現的人類下頜側門齒;(C)黃龍洞2006發現的人類上頜中門齒

      爭議二:“人類”線粒體古DNA從哪兒來?

      假設編號為 FY-2HT的人類牙齒實為鹿牙,為何能從中提取出“人類”線粒體古DNA?這是這項研究最為吊詭的地方。

      這枚被檢測出人類DNA的牙齒是否有可能被污染?原論文第一作者、負責古DNA檢測的復旦大學科技考古研究院副研究員文少卿在接受《中國科學報》采訪時表示,始終對數據負責。

      王傳超向《中國科學報》解釋,古DNA的兩端會出現堿基的變化,跟現代人的DNA序列有明顯區別。根據論文公開的數據顯示,孫雪峰等人確實提取出了古DNA并且對污染率進行了科學評估,結果是污染率很低,達到了古DNA的數據質量要求。

      值得一提的是,隨著人類DNA 獲取技術的提升,在土壤、糞便、湖芯,甚至是空氣樣本中科學家也能檢測出人類DNA,這些DNA 通常被稱為環境DNA或者沉積物古DNA。

      FY-2HT的“人類”線粒體古DNA究竟從哪兒來,似乎還是蒙上了一層陰影。

      爭議三:碳十四測年存在污染?

      碳十四測年法是確定化石標本年代的一把利器,這是最著名的一種放射性測年法。但是,碳14測年有個致命弱點,無法用在非常古老的材料測年上,因為碳十四衰變后剩余量會越來越小,最后小到很難精確計算。

      2015年,負責福巖洞動物牙齒化石碳十四測年的北京大學考古文博學院教授吳小紅告訴《中國科學報》,當時研究團隊測定的年代為39000年左右。

      孫雪峰認為,這個數據可以用來說明福巖洞遺址現代人出現的時間,支持其團隊觀點:現代人到達中國南方的時間不早于6萬年。

      但吳小紅解釋,這個數據接近北大加速器質譜碳十四實驗室有機物碳十四年代測定的高限,再加上福巖洞遺址骨質樣品保存不佳,這一結果不適合用作絕對年代的描述。

      與之相對的,孫雪峰等對“人類牙齒”和動物牙齒的碳十四測年顯示,其年代不足1萬年,與“人類”線粒體古DNA推斷的年代相匹配。吳小紅認為,這種巨大的差異很可能是污染導致的。

      “越古老的樣品,污染的風險極高,需要非常小心謹慎。”吳小紅說。

      首先是樣品的前處理過程需要嚴格的控制和把關。孫雪峰等的文章中沒有對碳十四測年樣品的前處理過程進行清楚的描述,這在很大程度上影響了對測年結果可靠性的判斷。

      其次,加速器質譜碳十四的測年物質要可靠。孫雪峰等文章中大多數樣品采用的是骨骼或者牙齒的總有機碳(TOC)進行年代測定,但在考古年代研究領域,通常不用這種方法,而是按慣例提取出骨骼或者牙齒中的原生組分—膠原蛋白或明膠蛋白進行年代測定以盡可能排除外來碳的影響,從而得到可靠的碳十四年代數據。其中,檢驗膠原(明膠)蛋白質量的是碳氮比值(C/N)。

      孫雪峰等人的文章中僅有一份膠原蛋白樣品按照國際慣例測定了碳氮比值,而且它的數值(46.2) 遠高于牙齒和骨骼化石中適合于碳十四年代測定的有機膠原蛋白的C/N比值(2.9~3.6)。吳小紅認為,這個結果應該摒棄。

      “事實上,該文中絕大多數膠原蛋白測年樣品都沒有提供C/N比值,那么這篇文章中的所有膠原蛋白的樣品沒有證據證明是排除了外來污染物影響的。”吳小紅強調。

      英國牛津大學同位素加速器中心主任Tom Higham和德國馬普學會人類歷史科學研究所Katerina Douka在同期發表的評論信中,同樣提出了這些問題。

      Tom Higham在接受《中國科學報》采訪時,質疑了孫雪峰等在論文中沒有使用目前最可靠的碳十四測年法,尤其是他們提取的膠原蛋白含量非常之低,會造成年齡被顯著低估。他表示,“樣品實際年齡很可能比他們的測年結果要老得多”。

      遺憾的是,孫雪峰等發表的回信對其在原文中使用的樣品前處理方法依然沒有給出具體的描述。

      解決爭議的終極辦法只有“重復實驗”

      就目前來看,福巖洞人類化石的確切年代是什么,現代人在東亞地區起源與演化的歷史如何還原,遠未到蓋棺定論的時候。

      王傳超認為,解決眼前這一爭議問題的終極辦法只有重復實驗。既然化石樣品來自同一洞穴,雙方團隊可以提供部分樣品,由第三方機構進行重復實驗。

      不過,重復實驗在現階段還很難實施。僅是學術爭議,沒有機構可以強制要求進行重復實驗。

      而且,古人類研究的重復實驗是有條件的。

      原論文中,南京大學、復旦大學獲得的古人類牙齒化石非常有限,碳十四測年和牙根的古DNA檢測又都是有損檢測,很難進行二次實驗。

      因此,孫雪峰等在回應文中也指出,希望古脊椎所能對其保存的福巖洞人類牙齒樣品開展古DNA檢測和碳十四測年,從而進行結果比對。

      事實上,2015年,劉武等就委托專家對其中一枚保存最為完好的人類牙齒提取古DNA,但由于南方洞穴的氣候條件非常不利于化石保存,這一嘗試并未成功,碳十四測年也只在一枚動物牙齒中完成。

      可見,這是一項技術要求極高,同時又依賴運氣的工作,重復實驗并非隨時可以完成。“這時候就只能等待。”王傳超認為,這也是古人類研究的一大特點。

      劉武告訴《中國科學報》,福巖洞人類牙齒的古DNA檢測會在合適的時間排上日程,畢竟五年過后,古DNA提取技術已經有了新的進展。

      古人類研究歷來是個熱鬧的江湖。自從古DNA技術橫空出世,解決了許多原先僵持不下的爭議問題,為這門學科的研究打開了一個全新的局面。

      但是目前,受到人類化石數量、保存條件以及技術進展的局限,還沒有一種方法可以一統江湖,而是需要依靠多種技術方法相互印證,盡可能構建一個完整的證據鏈條。

      不同的研究方法得到的證據等級有所不同,但相同的是,每項研究在野外化石采集及實驗室處理,研究數據采集、分析與論證等方面都應該嚴格按照學術流程和規范進行。

      在這一學術爭議事件中,還需要強調的是,研究程序的合理、合規是得出可靠結論的基本前提。劉武和吳秀杰指出,合作交流、質疑爭論能促進科學研究工作,推動學科發展。“但在大力提倡學術規范、科研誠信的今天,一篇從樣品數據采集、測試分析、論文寫作都存在瑕疵的‘頂刊’論文,需要引起國內學術界的反思。”

      參考文獻:

      https://doi.org/10.1073/pnas.2019158118

      doi:10.1038/nature15696

      https://doi.org/10.1073/pnas.2102961118

      https://doi.org/10.1073/pnas.2103798118

      https://doi.org/10.1073/pnas.2104818118

       
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