抵達西伯利亞南部的丹尼索瓦洞穴總是令人欣慰。從新西伯利亞出發，沿著顛簸的道路向東南行駛11個小時，穿過草原和阿爾泰山脈的山麓，野外營地突然出現在土路的拐彎處，長途旅行的疲憊感頓時煙消雲散。陡峭的山谷、湍急的河流和當地阿爾泰人民傳統的木屋構成了這裡的景觀；金雕在頭頂翱翔。幾百米外，石灰岩洞穴本身高聳於阿努伊河之上，以其正在進行的最激動人心的人類起源領域研究向人們招手。
丹尼索瓦洞穴是科學家們理解舊石器時代祖先行為和互動方式的一場革命的中心。我們的物種，智人，起源於數十萬年前的非洲。當它最終開始向歐洲和亞洲傳播時，遇到了其他人類物種，例如尼安德特人，並在這些古老物種消失之前與他們共同生活了數千年。科學家們知道這些群體彼此相遇，因為今天的人們攜帶來自我們已滅絕親屬的DNA——這是早期智人與那些其他群體成員雜交的結果。我們尚不清楚並且渴望確定的是他們何時何地相遇，他們雜交的頻率以及他們可能在文化上如何相互影響。我們實際上有很多來自過渡時期的重要考古遺址，其中包含石器工具和其他人工製品。但許多這些遺址，包括丹尼索瓦，都缺乏足夠完整的人類化石，無法根據其身體特徵歸因於特定物種。這種缺失阻礙了我們確定哪些物種製造了什麼以及何時製造的能力。
西伯利亞丹尼索瓦洞穴的骨骼碎片是使用動物考古學質譜法 (ZooMS) 鑑定為人類/大型猿類家族成員的最新標本。圖片來源：克里斯托弗·魯德奎斯特
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現在，一種用於識別古代骨骼碎片的技術，稱為動物考古學質譜法 (ZooMS)，終於讓研究人員開始回答這些長期存在的問題。透過分析儲存在這些看似無資訊量的化石碎片中的膠原蛋白，我們可以識別出那些來自人類/大型猿類家族的碎片，然後嘗試從這些標本中提取DNA。這樣做可以揭示它們所屬的物種——無論是尼安德特人、智人還是其他物種。更重要的是，我們可以進行測試來確定碎片的年代。
直接測定化石年代是一個破壞性過程——必須犧牲一些骨骼進行分析。因此，博物館館長通常不願意對更完整的骨骼進行這些測試。但他們對碎片沒有這種顧慮。
對於丹尼索瓦和其他我們知道過去曾庇護多個人類物種的遺址來說，直接測定與人工製品相關的化石年代的能力尤其令人興奮。許多研究人員認為，象徵性和裝飾性人工製品是現代認知能力的代表，是智人獨有的。其他人則認為，尼安德特人和其他物種也製造了此類物品，甚至可能將他們的一些傳統傳遞給了他們遇到的智人。識別和測定這些化石碎片年代的能力意味著研究人員可以開始更詳細地重建這些遺址的年代順序，並闡明人類史前史的關鍵篇章。
不可能完成的任務
俄羅斯考古學家自 20 世紀 80 年代以來一直在挖掘丹尼索瓦洞穴。但 2010 年的一項公告使該遺址名聲大噪。那一年，德國萊比錫馬克斯·普朗克進化人類學研究所的科學家報告了他們對 2008 年在丹尼索瓦發現的一塊骨骼進行的基因分析結果。他們從化石（一小塊指骨）中獲得的DNA揭示了一種以前未知的人科動物型別，一種與尼安德特人的親緣關係與我們一樣密切的型別。這塊骨骼來自一位年輕女孩，最初被稱為“X 女士”，她屬於一群科學家現在稱為丹尼索瓦人的人群。此後，在挖掘出的遺骸中又發現了少數其他人科動物的骨骼和牙齒，包括丹尼索瓦人和尼安德特人。
丹尼索瓦的這些發現說明了使用現代遺傳方法從化石中獲取的強大資訊，不僅告訴我們迄今為止未知物種的存在，還告訴我們它們與我們的互動性質。例如，我們從基因分析中得知，尼安德特人和現代人類在過去 10 萬年中至少雜交了三次，尼安德特人和丹尼索瓦人以及現代人和丹尼索瓦人也發生了混血。因此，長期以來認為智人走出非洲並簡單地消滅了這些古代人群的觀點，在轉瞬之間讓位於一個更復雜的群體間雜交和基因流動的場景——現代人類起源的“滲漏替代”模型。然而，丹尼索瓦的大多數化石都不完整，我們無法辨別哪些化石可能屬於人類物種。而且該遺址的年代測定非常困難。
研究人員在丹尼索瓦洞穴檢查考古沉積物，然後採集樣本進行 ZooMS 分析和放射性碳年代測定。圖片來源：俄羅斯科學院西伯利亞分院考古學和民族學研究所謝爾蓋·澤林斯基
六年前，我們透過我們在年代學方面的專業知識，特別是使用放射性碳年代測定法來確定考古遺址的時間框架，參與了丹尼索瓦專案。對於來自中舊石器時代和舊石器時代晚期（大致分別跨越 25 萬至 4 萬年前和 4 萬至 1 萬年前的時間）的材料，年代測定非常重要，因為這些遺址本身通常缺乏與嚴格定義的時期相關的獨特工具型別。我們正在努力為歐亞大陸的丹尼索瓦和其他舊石器時代遺址提供可靠的年代順序。
2014 年，我們都在丹尼索瓦遺址參加丹尼索瓦團隊的會議，當時我們想出了一個想法，我們認為這可能有助於我們更細緻地瞭解我們的物種、尼安德特人和丹尼索瓦人之間發生的互動。丹尼索瓦的一個明顯現象是，所有已知的人科動物遺骸都非常小，只有三到五釐米長。例如，X 女士的指骨大約只有小扁豆大小，重量不到 40 毫克。該遺址的大部分骨骼材料都已破碎，主要是因為鬣狗等捕食者的活動，它們在洞穴中築巢以繁殖幼崽並在進食時咀嚼骨骼。自 2008 年以來，丹尼索瓦已挖掘出超過 135,000 塊骨骼，但其中 95% 的骨骼無法進行分類學鑑定，因為它們太碎片化了。相比之下，這些碎片中生物分子的儲存情況——包括構成 DNA 的那些分子——非常驚人：有史以來回收的最完整的兩個古代人科動物基因組來自丹尼索瓦化石。我們想知道，是否有一種方法可以篩選該遺址的數千塊骨骼碎片，以找到更多的人類骨骼？如果我們能夠做到這一點，也許我們可以生成更多的遺傳和年代學資料，甚至在洞穴中找到一種新型的人科動物。那時我們意識到，我們或許可以使用 ZooMS 來進行這種篩選。
圖片來源：獵鷹視覺
ZooMS，也稱為膠原肽質量指紋圖譜分析法，允許調查人員透過分析骨骼中的蛋白質將骨骼碎片分配到正確的分類群組。骨骼膠原蛋白由數百種稱為肽的小化合物組成，這些肽在不同型別的動物之間略有不同。透過將神秘骨骼的肽譜與來自已知動物的此類譜庫進行比較，可以將未鑑定的骨骼分配到正確的科、屬，有時甚至是物種。ZooMS 最初由邁克爾·巴克利（現任職於曼徹斯特大學）和約克大學的馬修·柯林斯（均在英國）開發，十多年來一直被用於識別考古遺址的動物骨骼。它相對便宜，每個樣本的成本約為 5 至 10 美元，並且具有最小的破壞性——分析僅需約 10 至 20 毫克的骨骼。它也很快捷；一個人每週可以篩選數百塊骨骼。
據我們所知，以前沒有人使用 ZooMS 搜尋人類骨骼。但我們認為我們有機會。我們推斷，即使是小碎片也可能有用，因為丹尼索瓦的骨骼膠原蛋白和 DNA 儲存完好，這得益於其穩定且非常低的年平均氣溫（零攝氏度以下）。我們知道我們無法透過 ZooMS 獲得物種級別的鑑定。人類物種和大型猿類的膠原肽譜太相似，無法區分。但在舊石器時代，已知沒有大型猿類在世界這個地區漫遊。因此，如果我們能夠將一塊骨骼識別為屬於由大型猿類和人類組成的群體（統稱為人科動物）的成員，我們就可以相當肯定它屬於某種人類，並對其進行基因分析，從而提供物種鑑定。
馬克斯·普朗克進化人類學研究所的古代 DNA 專家斯萬特·帕博（Neandertal Genome Project 的負責人，其團隊於 2010 年發表了丹尼索瓦人基因組）出席了 2014 年的丹尼索瓦會議。我們以前沒有正式見過帕博，我們很想知道他對我們篩選骨骼碎片的想法有何看法，以及他是否有興趣合作開展這項工作。他欣然接受了這個機會，並立即表示支援。然後，我們與負責丹尼索瓦工作的俄羅斯科學院的阿納託利·德雷維揚科和挖掘主任米哈伊爾·順科夫討論了我們的計劃。兩人都對此感興趣。因此，在那年晚些時候，我們開始對從該遺址新近挖掘出的數千塊小碎片（實際上是“毫無價值”的骨骼）進行取樣。
分析化石碎片使用 ZooMS 需要從每個微小標本上鋸下 20 毫克的樣本（左）。其他樣本則為放射性碳年代測定做準備（右）。 圖片來源：克里斯托弗·魯德奎斯特
從理論上講，這似乎是一項快速的工作。但實際上，我們面臨著一項艱鉅的任務，即從每個碎片中細緻地移除微小的骨骼樣本進行分析，同時注意不要用任何可能汙染它們的物質接觸這些可能很有價值的標本。我們的一位學生薩曼莎·布朗承擔了她的碩士研究論文專案中的大部分這項工作，在牛津大學的實驗室裡花費了無數的時間。
巴克利與我們在這個專案上合作。當我們準備好 700 到 800 個骨骼樣本後，布朗去了他的實驗室準備和分析它們。結果很有趣：我們發現了猛獁象、鬣狗、馬、馴鹿、披毛犀——完整的冰河時代野獸陣容——但不幸的是，沒有一個肽譜與人科動物相符。這令人失望，但我們決定嘗試第二批，看看我們是否能從大量的碎片中找到哪怕一塊人類骨骼。雖然我們不認為我們有機會，但我們希望被證明是錯的。
然後在 2015 年夏天的一個晚上，我們收到了巴克利發來的一封電子郵件。他注意到我們的一個樣本 DC1227 具有編碼人科動物的特徵性肽標記。我們找到了一塊人類骨骼碎片——名副其實的滄海一粟！我們欣喜若狂；我們瘋狂的想法似乎真的奏效了。
第二天一大早，我們去了牛津的實驗室，在存檔樣本中找到了這塊骨骼。當我們看到我們找到的骨骼即使對於丹尼索瓦標本來說也很小——只有 25 毫米長——這讓我們有些洩氣，這意味著沒有剩下多少可用於進一步研究。但鑑於丹尼索瓦遺骸出色的生物分子儲存情況，我們相信這足以讓我們應用我們想要使用的技術來儘可能多地瞭解這塊骨骼。我們在高解析度下拍攝了它的照片，對其進行了 CT 掃描，並鑽取了額外的樣本用於年代測定和同位素分析，然後布朗將骨骼帶到萊比錫的帕博實驗室進行 DNA 分析。
幾周後，年代測定結果出來了。樣本中沒有任何可追蹤的放射性碳，這意味著我們的小骨骼已有 5 萬多年的歷史。不久之後，我們從帕博那裡得知，它的線粒體 DNA——存在於細胞的能量產生細胞器中，並從母親傳給孩子——表明這塊骨骼來自一位尼安德特人母親的個體。我們找到了一塊隱藏在數千塊“垃圾”骨骼中的人科動物骨骼碎片，並證明了這個概念是可行的。帕博的團隊正計劃從這塊現在以遺址化石 I.D. “丹尼索瓦 11”或我們暱稱的 “丹妮”命名的骨骼中提取資訊量更大的核基因組。與此同時，我們決定在另一個遺址測試我們的方法。
我們 VS. 他們
克羅埃西亞的溫迪亞洞穴是瞭解歐洲晚期尼安德特人的關鍵遺址。多年來的放射性碳年代測定表明，那裡的尼安德特人可能一直存活到 3 萬年前，這為與解剖學意義上的現代人類（他們在 4.2 萬至 4.5 萬年前到達該地區）的潛在重疊階段提供了證據。如此漫長的共存暗示，尼安德特人不是被現代人類驅趕至滅絕，而是被同化到他們的人群中。在重新評估溫迪亞年代順序時，我們決定使用 ZooMS 評估該遺址未鑑定的骨骼可能很有趣。先前對溫迪亞更完整骨骼的研究表明，洞熊在遺骸中占主導地位，約佔骨骼的 80%，因此我們並不期望找到我們在丹尼索瓦檢測到的動物群的多樣性和廣度。然後，我們的另一位學生卡拉·庫比亞克承擔了這個專案。
令人驚訝的是，在我們分析的 383 個樣本中，第 28 個樣本產生了與人科動物一致的肽序列。後來，帕博的團隊在基因上證實它是尼安德特人。這塊骨骼大約有七釐米長，有趣的是，它表現出切割痕跡和其他人為改造的跡象。尼安德特人骨骼有時帶有這些標記，這很可能是屠宰和同類相食的證據。
被稱為 Vi-*28 的標本被證明對我們的年代學工作至關重要。從歷史上看，考古學家和準備人員使用保護產品處理來自溫迪亞的骨骼以保護它們。這種做法使得放射性碳年代測定非常困難，因為這些產品會向骨骼中新增碳。與該遺址的其他人類骨骼不同，Vi-*28 沒有被儲存；由於被誤認為動物骨骼，它逃過了處理——這對我們來說是一個福音。對 Vi-*28 的放射性碳年代測定顯示，它屬於 4.7 萬多年前的尼安德特人。這一發現與我們從其他尼安德特人那裡獲得的年代資料一起於 2017 年發表，表明他們早在 4 萬多年前就從溫迪亞消失了，早於現代人類到達該遺址的時間。早期的年代測定結果表明他們持續到至少 3 萬年前，這是一種虛構，受到了未被有效去除的汙染碳的影響。ZooMS 再次證明了它的價值。
其他團隊也成功地運用了這項技術。2016 年，現在丹麥自然歷史博物館的弗裡多·韋爾克和他的同事報告說，他們使用 ZooMS 在法國勃艮第地區著名的格羅特杜雷恩遺址未鑑定的骨骼碎片中識別出 28 塊以前未被識別出的人科動物化石。幾十年前，在那裡工作的研究人員發現了與一系列令人驚訝的精巧人工製品相關的尼安德特人骨骼，包括骨器工具，以及吊墜和其他身體裝飾品——所謂沙泰勒佩隆文化的要素，據說該文化是中舊石器時代和舊石器時代晚期之間的過渡文化。這一發現與長期以來認為只有智人才具有如此獨創性的觀點背道而馳。這樣做，它引發了一場持久的辯論，即尼安德特人是否真的與先進的人工製品有關，或者該遺址的考古層面是否受到某種程度的擾動，將尼安德特人骨骼與後來智人留下的文物混合在一起。
韋爾克和他的同事使用 ZooMS 鑑定為人類的 28 塊骨骼碎片都清楚地來自與先進工具和裝飾品相同的地層。當他們對這些骨骼進行測序時，結果是不言而喻的：這些標本是尼安德特人，而不是智人。這項工作為尼安德特人確實製造了沙泰勒佩隆和其他過渡產業，並且他們比通常認為的更聰明這一觀點提供了相當大的支援。
混血兒童
在我們溫迪亞的工作中，我們繼續分析來自丹尼索瓦的樣本，希望我們能為我們的收藏增加更多的人類化石。我們的努力又獲得了兩個人科動物的命中：DC3573，結果證明它屬於 5 萬多年前的尼安德特人；以及 DC3758，一塊 4.6 萬年前的骨骼，不幸的是，它沒有儲存任何古代 DNA。超過 5000 塊骨骼碎片現在總共給了我們五塊人科動物骨骼，如果不是 ZooMS，它們可能會永遠默默無聞。
但最激動人心的發展還在後頭。2017 年 5 月，我們在馬克斯·普朗克進化人類學研究所會見了帕博實驗室的高階成員，包括馬蒂亞斯·邁耶和珍妮特·凱爾索。我們想知道丹尼索瓦 11 的狀況，以及他們是否設法提取了核 DNA，這將為我們提供關於丹尼索瓦 11 是誰的更詳細的圖景。
在科學領域，人們並不經常收到完全令人震驚的訊息，但邁耶和凱爾索確實帶來了這樣的訊息。他們說，核 DNA 奇怪地分裂了：一半與尼安德特人一致，另一半似乎來自丹尼索瓦人。他們認為丹尼索瓦 11 是 50-50 的混血兒。為了排除所有出錯的可能性，該團隊正在再次執行樣本以驗證這一驚人的結果。幾個月後，最終資料證實了最初的發現。線粒體 DNA 只給了我們一半的圖景。我們發現的不是尼安德特人，而是一個母親是尼安德特人，父親是丹尼索瓦人的個體——在遺傳學家的術語中，這是一個第一代混血兒。丹尼索瓦團隊在 9 月 6 日的自然雜誌上宣佈了這一驚人的發現，論文由馬克斯·普朗克進化人類學研究所的維維安·斯隆領導。
我們現在從 DNA 中得知，丹尼索瓦 11 是一位女性，她可能生活在大約 9 萬到 10 萬年前。我們進行的 CT 掃描生成的骨密度分析使多倫多大學的同事本斯·維奧拉能夠初步估計她去世時的年齡至少為 13 歲。她的丹尼索瓦父親本人在幾百代以前有一位遙遠的尼安德特人親戚。當然，我們永遠無法知道這些結合在史前史中是如何發生的，只能知道它們確實發生過。我們也不能確定丹尼索瓦 11 是如何死亡的，只知道她的遺骸很可能是被捕食者（可能是鬣狗）沉積在洞穴沉積物中的。
我們永遠不會知道她是否死後被親人舉行儀式埋葬，只是後來被鬣狗清掃了，還是死於捕食者。數萬年來，她身體的這塊微小碎片一直靜靜地躺在洞穴中，如果不是因為尖端科學讓我們能夠為她的故事注入活力，它很可能還會在那裡待上很多年。我們希望 ZooMS 將幫助我們解開更多此類檔案在骨骼中的秘密。