PEAKS Studio軟件在中晚更新世丹尼索瓦人在白石崖溶洞生存研究的應用
2024年7月，蘭州大學張東菊教授和中國科學院青藏高原研究所陳發虎院士共同領銜，聯合丹麥哥本哈根大學團隊，在Nature發表題為“Middle and Late Pleistocene Denisovan subsistence at Baishiya Karst Cave”的研究成果，這一研究主要揭示了中晚更新世夏河丹尼索瓦人在白石崖溶洞的古生態和生存策略的新圖景。化石標本質譜數據的蛋白和肽段鑒定使用PEAKS Studio完成。
白石崖溶洞地區的動物群落組成
結合形態學和動物考古質譜法（ZooMS），對2,567 個動物標本中的 2,005 個（78.1%）完成了分類學鑒定。結果表明，山羊亞科在動物群落中占主導地位，整個地層中牛科動物和馬科動物比例很高，揭示了中晚更新世和晚更新世甘加盆地的景觀以草類為主。森林灌木物種的存在反映了小規模鑲嵌森林灌木棲息地的分布。此外，還存在各種食肉動物（圖1）。
在食肉動物、小型哺乳動物和鳥類的骨骼中也發現了人類改造的痕跡（圖5）。102個食肉動物標本中，8個黑豹屬、豹亞科和犬科（不包含狐貍）的標本發現了切痕和敲擊缺口。小型哺乳動物中，1個旱獺屬（第 9 層；圖5c ）的橈骨骨干標本上觀察到了敲擊缺口，表明提取了骨髓。此外，7 個兔屬（第 3、4 和 11 層）和 4 個旱獺屬（第 9 至 11 層）的前肢和后肢骨干碎片顯示出新鮮的骨斷裂痕跡，這些通常是人類活動產生的。最后，在鳥類遺骸（n = 45）中，鷹類標本上有切割痕跡（n = 1；圖5a）和新鮮骨裂痕跡（n = 3），但其他鳥類標本（包括雉類、鵪鶉或貓頭鷹標本）上沒有發現。總體而言，動物考古學數據表明，白石崖溶洞人類使用過大型食草動物、小型食肉動物、小型哺乳動物和鳥類進行多種活動。
此外，作者從第 11 層發現了一個可能的改造工具（圖5d），并從第 4、9 和 10 層發現了三個便于使用的骨器（圖5e ）。改造工具由一顆牙齒制成，經鑒定來自于馬屬。ZooMS 鑒定出這些骨器的骨骼來源于山羊亞科和鹿亞科或羚羊屬。因此，骨制品應該主要來自與白石崖溶洞動物群落中占主導地位的物種。
在對無法辨認的碎片進行 ZooMS 篩選的過程中，一塊肋骨標本被鑒定為人亞科（圖6a）。該標本含有 14 個與人亞科相匹配的 I 型膠原蛋白（COL1）肽標志物，以及一個人科獨有的多肽標志物。考慮到其他類人猿，特別是黑猿屬的歷史地理分布，可以確認該標本為人屬。作者團隊將該人科標本命名為夏河2號（現場編號，BSY-19-B896-1；ZooMS 編號，BSY-941）。夏河2號在發掘過程中斷成兩截，屬于肋骨遠端部分（長 51.5 毫米）。夏河2號標本來自T3第3層，該層年代為4.8-3.2萬年前。夏河2號的谷氨酰胺脫酰胺值（酸性COL1α1 508–519 = 0.52和酸性COL1α1 435–453 = 0.46）與第3層的其他標本以及直接放射性碳測年為5-3萬年左右的標本相似，表明夏河2號確實與第3地層的年代一致。
Shotgun蛋白質組學分析為夏河2號的分類歸屬提供了更具體的信息。作者在用于系統發育分析的21個蛋白質序列中重建了夏河2號標本的4,597個氨基酸位置（占總連接蛋白質序列比對的14.5％）。這個蛋白質組比用于夏河1號下頜骨系統發育分析的6個內源蛋白質大得多。從系統發育樹中也可以看出，夏河2號與已發表的高覆蓋率丹尼索瓦人基因組高度同源（圖6b）。因此，可以確定在可用的參考個體中，夏河2號與D3丹尼索瓦人的關系最為密切。夏河2號化石證據的發現將丹尼索瓦人在白石崖溶洞中的存在從中更新世晚期延伸到了晚更新世。
骨膠原脫酰胺效應
隨著白石崖溶洞各地層從頂部至底部逐漸增強，但層間重疊較大。第 3、4 和 5 層的平均脫酰胺水平接近，第 6 和 7 層接近。第 10 層，尤其是第 11 層的谷氨酰胺脫酰胺作用更加明顯（圖7）。脫酰胺作用的程度在地層內逐漸增加，這與地質年代學年齡估計以及地層證據一致。相比之下，來自歷史洞坑的樣本的脫酰胺值差異很大，因為這些是更新世和全新世的標本的混合。這些觀察結果與其他更新世洞穴遺址的結果一致，在這些洞穴遺址中，當地層跨越時間相當長或溫度差異較大時，谷氨酰胺脫酰胺作用通常在更古老或溫度更高的年代的骨骼標本中更為明顯。
小結
通過將 BKC 與其他丹尼索瓦人或可能的丹尼索瓦人遺址進行比較，作者發現它們的動物群落與各自的地理環境相兼容，對應于高海拔、高緯度和熱帶（或亞熱帶）環境。因此，本研究結果為丹尼索瓦人的古生態和行為可塑性提供了證據。此外，還引發了人們對于青藏高原丹尼索瓦人滅絕的原因和時間以及現代丹尼索瓦人基因特征起源的深入探討。
圖8 BKC地區及北半球氣候史、動物群落與丹人分布
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白石崖溶洞地區的動物群落組成
結合形態學和動物考古質譜法（ZooMS），對2,567 個動物標本中的 2,005 個（78.1%）完成了分類學鑒定。結果表明，山羊亞科在動物群落中占主導地位，整個地層中牛科動物和馬科動物比例很高，揭示了中晚更新世和晚更新世甘加盆地的景觀以草類為主。森林灌木物種的存在反映了小規模鑲嵌森林灌木棲息地的分布。此外，還存在各種食肉動物（圖1）。
圖1 動物考古學分類
目前，人們對中晚更新世青藏高原動物群落的變化知之甚少。值得注意的是，僅在第 6 層以下發現了已滅絕的大型食肉動物（Crocuta sp.）和大型食草動物（披毛犀（Coelodonta sp.）。在第 6 層和第 5 層形成期間，白石崖溶洞（BKC）周圍的動物群落組成發生了顯著變化。此外，文獻數據還記錄了隨著時間的推移，羊亞科的比例增加，牛亞科的比例減少。對此，無法判斷這些變化是人類覓食策略轉變的結果，還是與周圍環境的變化有關。但在此期間，牛科動物和馬科動物的持續存在，加上整個地層中分類多樣性的微小變化，表明甘家盆地的開放環境總體上是穩定的。
圖2 不同地層物種分布原始人類是主要的積累者
白石崖溶洞的骨骼標本表面保存完好，88.7%的標本處于風化1-2階段。通過標本分析，發現了嚙齒動物、食肉動物和人類活動的痕跡。食肉動物改造骨骼的比例略高，但并沒有發現食肉動物的糞化石。相比之下，更大比例的動物群落表現出人類改造的證據。食草動物和一些大型食肉動物（例如Crocuta sp.）的骨骼上都發現了切割痕跡和敲擊痕跡。每個地層中人為改造骨骼的比例較高，并且存在石器，這表明白石崖溶洞的動物群落主要是通過人類活動積累起來（圖3）。
圖3 白石崖溶洞骨骼類別存在明顯的人類活動
形態學上可識別的標本主要來自頭部碎片、腕骨、跗骨和相關的足骨。結合ZooMS，又增加了大量的軸向和前肢或后肢軸碎片，這些碎片通常在骨骼剖面圖中代表性不足。因此，形態學和 ZooMS 識別的數據集的整合揭示了更完整的骨骼類型。
整合數據集顯示，每一地層中都有較為完整的山羊亞科骨骼部分（頭骨、中軸骨、前后肢骨和足骨）（圖4c）。隨著時間的推移，人類活動程度在食草動物中普遍存在，對于山羊亞科來說，人類活動程度一直很高，且切割痕跡最為常見，但在第 6 層和第 7 層中，與前肢骨骼和后肢骨骼上的骨髓提取有關的敲擊缺口占主導地位（圖4d、e）。除山羊亞科外，其他食草動物，包括牛屬、鹿屬、馬屬和披毛犀屬，各種骨骼上都有較多的切痕和敲擊痕跡，這表明原始人類對于動物資源的獲取并不局限于特定的物種。
整合數據集顯示，每一地層中都有較為完整的山羊亞科骨骼部分（頭骨、中軸骨、前后肢骨和足骨）（圖4c）。隨著時間的推移，人類活動程度在食草動物中普遍存在，對于山羊亞科來說，人類活動程度一直很高，且切割痕跡最為常見，但在第 6 層和第 7 層中，與前肢骨骼和后肢骨骼上的骨髓提取有關的敲擊缺口占主導地位（圖4d、e）。除山羊亞科外，其他食草動物，包括牛屬、鹿屬、馬屬和披毛犀屬，各種骨骼上都有較多的切痕和敲擊痕跡，這表明原始人類對于動物資源的獲取并不局限于特定的物種。
圖4 不同地層的骨骼類型
在食肉動物、小型哺乳動物和鳥類的骨骼中也發現了人類改造的痕跡（圖5）。102個食肉動物標本中，8個黑豹屬、豹亞科和犬科（不包含狐貍）的標本發現了切痕和敲擊缺口。小型哺乳動物中，1個旱獺屬（第 9 層；圖5c ）的橈骨骨干標本上觀察到了敲擊缺口，表明提取了骨髓。此外，7 個兔屬（第 3、4 和 11 層）和 4 個旱獺屬（第 9 至 11 層）的前肢和后肢骨干碎片顯示出新鮮的骨斷裂痕跡，這些通常是人類活動產生的。最后，在鳥類遺骸（n = 45）中，鷹類標本上有切割痕跡（n = 1；圖5a）和新鮮骨裂痕跡（n = 3），但其他鳥類標本（包括雉類、鵪鶉或貓頭鷹標本）上沒有發現。總體而言，動物考古學數據表明，白石崖溶洞人類使用過大型食草動物、小型食肉動物、小型哺乳動物和鳥類進行多種活動。
此外，作者從第 11 層發現了一個可能的改造工具（圖5d），并從第 4、9 和 10 層發現了三個便于使用的骨器（圖5e ）。改造工具由一顆牙齒制成，經鑒定來自于馬屬。ZooMS 鑒定出這些骨器的骨骼來源于山羊亞科和鹿亞科或羚羊屬。因此，骨制品應該主要來自與白石崖溶洞動物群落中占主導地位的物種。
圖5 骨器標本新的丹尼索瓦人
在對無法辨認的碎片進行 ZooMS 篩選的過程中，一塊肋骨標本被鑒定為人亞科（圖6a）。該標本含有 14 個與人亞科相匹配的 I 型膠原蛋白（COL1）肽標志物，以及一個人科獨有的多肽標志物。考慮到其他類人猿，特別是黑猿屬的歷史地理分布，可以確認該標本為人屬。作者團隊將該人科標本命名為夏河2號（現場編號，BSY-19-B896-1；ZooMS 編號，BSY-941）。夏河2號在發掘過程中斷成兩截，屬于肋骨遠端部分（長 51.5 毫米）。夏河2號標本來自T3第3層，該層年代為4.8-3.2萬年前。夏河2號的谷氨酰胺脫酰胺值（酸性COL1α1 508–519 = 0.52和酸性COL1α1 435–453 = 0.46）與第3層的其他標本以及直接放射性碳測年為5-3萬年左右的標本相似，表明夏河2號確實與第3地層的年代一致。
Shotgun蛋白質組學分析為夏河2號的分類歸屬提供了更具體的信息。作者在用于系統發育分析的21個蛋白質序列中重建了夏河2號標本的4,597個氨基酸位置（占總連接蛋白質序列比對的14.5％）。這個蛋白質組比用于夏河1號下頜骨系統發育分析的6個內源蛋白質大得多。從系統發育樹中也可以看出，夏河2號與已發表的高覆蓋率丹尼索瓦人基因組高度同源（圖6b）。因此，可以確定在可用的參考個體中，夏河2號與D3丹尼索瓦人的關系最為密切。夏河2號化石證據的發現將丹尼索瓦人在白石崖溶洞中的存在從中更新世晚期延伸到了晚更新世。
圖6 夏河2號骨標本蛋白質保存和脫酰胺
骨膠原脫酰胺效應
隨著白石崖溶洞各地層從頂部至底部逐漸增強，但層間重疊較大。第 3、4 和 5 層的平均脫酰胺水平接近，第 6 和 7 層接近。第 10 層，尤其是第 11 層的谷氨酰胺脫酰胺作用更加明顯（圖7）。脫酰胺作用的程度在地層內逐漸增加，這與地質年代學年齡估計以及地層證據一致。相比之下，來自歷史洞坑的樣本的脫酰胺值差異很大，因為這些是更新世和全新世的標本的混合。這些觀察結果與其他更新世洞穴遺址的結果一致，在這些洞穴遺址中，當地層跨越時間相當長或溫度差異較大時，谷氨酰胺脫酰胺作用通常在更古老或溫度更高的年代的骨骼標本中更為明顯。
圖7 不同地層的脫酰胺率
小結
已有研究表明，白石崖溶洞（BKC）是目前青藏高原唯一保存完好的跨越中更新世晚期至晚更新世的洞穴遺址。夏河1 號下頜骨和沉積物線粒體 DNA 分析表明，丹尼索瓦人可能最晚在 4.5萬年（第 4 層末端）前生存在白石崖溶洞。
到目前為止，沒有證據表明 BKC 3-11 層中有其他古人類的存在，也沒有證據表明同一時期青藏高原東北部其他地方有其他古人類居住。BKC 動物群落記錄了末次冰期-間冰期-冰期旋回期間丹尼索瓦人在甘加盆地的行為和生存痕跡（圖8）。
BKC 的動物群落分析表明，丹尼索瓦人利用了甘加盆地周圍以草為主的景觀中的各種動物類群。羊亞科的作用在人類占領期間變得越來越突出。對羊亞科標本的人為改造分析表明，BKC 存在動物尸體加工的完整操作鏈，包括系統性屠宰和使用骨質材料制作工具。除羊亞科外，大型食草動物、食肉動物、小型哺乳動物和鳥類的遺骸也被以各種方式利用。這表明，丹尼索瓦人充分利用了他們可利用的動物資源，以便在高海拔的青藏高原上生存。在冰期和間冰期，甘加盆地可能提供了一個合適的避難所，盡管海拔較高，但資源供應相對穩定，
到目前為止，沒有證據表明 BKC 3-11 層中有其他古人類的存在，也沒有證據表明同一時期青藏高原東北部其他地方有其他古人類居住。BKC 動物群落記錄了末次冰期-間冰期-冰期旋回期間丹尼索瓦人在甘加盆地的行為和生存痕跡（圖8）。
BKC 的動物群落分析表明，丹尼索瓦人利用了甘加盆地周圍以草為主的景觀中的各種動物類群。羊亞科的作用在人類占領期間變得越來越突出。對羊亞科標本的人為改造分析表明，BKC 存在動物尸體加工的完整操作鏈，包括系統性屠宰和使用骨質材料制作工具。除羊亞科外，大型食草動物、食肉動物、小型哺乳動物和鳥類的遺骸也被以各種方式利用。這表明，丹尼索瓦人充分利用了他們可利用的動物資源，以便在高海拔的青藏高原上生存。在冰期和間冰期，甘加盆地可能提供了一個合適的避難所，盡管海拔較高，但資源供應相對穩定，
通過將 BKC 與其他丹尼索瓦人或可能的丹尼索瓦人遺址進行比較，作者發現它們的動物群落與各自的地理環境相兼容，對應于高海拔、高緯度和熱帶（或亞熱帶）環境。因此，本研究結果為丹尼索瓦人的古生態和行為可塑性提供了證據。此外，還引發了人們對于青藏高原丹尼索瓦人滅絕的原因和時間以及現代丹尼索瓦人基因特征起源的深入探討。
圖8 BKC地區及北半球氣候史、動物群落與丹人分布
（文件原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07612-9）
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