在過去的16萬年左右的時間里，古代人類的遺體最終落在中國青藏高原的一個高山洞中。也許個人在那里死亡，或者部分被其親屬或動物清道夫帶走。在短短幾年內(nèi)，肉體消失，骨骼開始惡化。然后千禧一滴。冰川退縮然后又返回并再次撤退，留下的所有東西都是有點牙齒的顎骨。骨頭逐漸被涂在礦物質(zhì)外殼中，來自這個古老祖先的DNA因時間和天氣而消失。但過去的一些信號仍然存在。

在人的牙齒深處，蛋白質(zhì)徘徊，退化但仍然可識別。當科學家們在今年早些時候分析它們時，他們發(fā)現(xiàn)了膠原蛋白，一種在骨骼和其他組織中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)支持在它的化學特征中是一種單一的氨基酸變體，它不存在于現(xiàn)代人類或尼安德特人的膠原蛋白中 - 相反，它標志著顎骨屬于神秘的人類組織Denisovans1的成員。Denisovan在中國的發(fā)現(xiàn)是一個重要的里程碑。這是在西伯利亞Denisova洞外發(fā)現(xiàn)的第一個人，此前所有其他遺骸都已被確定。該遺址位于青藏高原 - 海拔3000多米 - 表明Denisovans能夠生活在非常寒冷，低氧的環(huán)境中。

但這一發(fā)現(xiàn)也標志著另一個里程碑：這是第一次僅使用蛋白質(zhì)鑒定出一種古老的人類。

它是古老的蛋白質(zhì)組學研究領域中最引人注目的發(fā)現(xiàn)之一，其中科學家分析古代蛋白質(zhì)以回答有關人類和其他動物的歷史和進化的問題。據(jù)該領域的支持者稱，蛋白質(zhì)在化石中的存在時間比DNA長得多，可以讓科學家們探索史前時期的全新時代，并利用分子工具來檢測世界上比現(xiàn)在更廣泛的地區(qū)的骨骼。

此前，科學家們從180萬年前的動物牙齒和380萬年前的蛋殼中回收了蛋白質(zhì)。現(xiàn)在，他們希望古老的蛋白質(zhì)組學可以用來提供有關其他古老人類化石的見解，這些化石已經(jīng)失去了所有DNA的痕跡 - 從直立世界(從190萬年到14萬年前漫游世界各地)到了佛羅倫薩(Homo floresiensis)。最近6萬年前居住在印度尼西亞的“霍比特人”物種。通過觀察這些蛋白質(zhì)的變異，科學家希望回答有關古代人類群體演變的長期問題，例如哪些譜系是智人的直系祖先。。哥本哈根大學的生物考古學家馬修柯林斯說：“我認為你基本上可以解鎖整個人類的樹木。”自20世紀80年代以來，它一直處于該領域的最前沿，當時它只由少數(shù)研究人員組成。

一個成熟的時代

盡管令人興奮，但有些人認為研究人員可能很難從研究人員可以從蛋白質(zhì)中獲得的信息中描繪人類歷史的確切圖景，這與從DNA中獲得的信息相比是有限的。許多人擔心古老的蛋白質(zhì)組學可能會因污染等問題而容易受到虛假結(jié)果的影響。德國慕尼黑路德維希馬克西米利安大學的考古學家Philipp Stockhammer說：“你看到非常好的研究，然后你會看到那些發(fā)表非常奇怪的東西的人，因為他們不會批評這些方法。”

在過去的二十年中，從古代化石中回收的DNA已經(jīng)改變了科學家對人類進化的理解。分析不同人源組DNA的相同點和不同點，使研究人員能夠以一種以前不可能的方式繪制出糾結(jié)的家譜。遺傳物質(zhì)已經(jīng)導致了一些重大發(fā)現(xiàn)，例如首先發(fā)現(xiàn)了Denisovans。

但在這張照片中仍然存在明顯的差距。DNA僅來自三組人源：Neanderthals，Denisovans和Homo sapiens，大部分來自不到10萬年的標本(一個值得注意的例外是來自西班牙的一對43萬年前的早期尼安德特人2)。進一步回到幾十萬年，事情變得更加模糊。哥本哈根大學的分子人類學家弗里多韋爾克說，這是一段令人興奮的事情發(fā)生的時期。例如，當Denisovans和Neanderthals從成為現(xiàn)代人類的血統(tǒng)中分支出來時。但它仍然是人類歷史的朦朧部分。例如，研究人員不知道古代人類是否是海德堡人生活在大約70萬到20萬年前的人，曾是H. sapiens和Neanderthals的祖先，或者只是尼安德特人分支的一部分，正如一些人所建議的那樣。“很多事情發(fā)生在古代DNA的范圍之外，”韋爾克說。

回到一百萬年或更長時間，事情變得更加清晰。例如，直立人大約在190萬年前首次出現(xiàn)在非洲，但沒有DNA證據(jù)，它仍然不確定它是如何與后來的人類，包括H. sapiens有關。

古代DNA也留下了地理上的盲點。DNA在溫暖的環(huán)境中降解得更快，因此雖然在寒冷的西伯利亞洞穴中發(fā)現(xiàn)的10萬年前的標本可能仍然含有遺傳物質(zhì)，但在非洲或東南亞的高溫下長時間使用的化石通常不會。因此，對于來自這些區(qū)域的甚至相對較新的人類的遺傳學知之甚少，例如H. floresiensis。

現(xiàn)在，研究人員希望蛋白質(zhì)分析可能會開始填補其中的一些空白。這個想法并不新鮮：早在20世紀50年代，研究人員就已經(jīng)報道了在化石中發(fā)現(xiàn)氨基酸。但是長期以來，對古代蛋白質(zhì)進行測序所需的技術并不存在。“在我職業(yè)生涯的大部分時間里，老實說，我真的相信我們無法恢復古老的蛋白質(zhì)序列，”柯林斯說。

在研究人員意識到質(zhì)譜 - 一種用于研究現(xiàn)代蛋白質(zhì)的技術 - 也可以應用于古代蛋白質(zhì)之后，這種情況在2000年代發(fā)生了變化。質(zhì)譜法主要涉及將蛋白質(zhì)分解成它們的組成肽(氨基酸的短鏈)并分析它們的質(zhì)量以推斷它們的化學組成。

研究人員使用這種方法篩選數(shù)百個骨碎片，以確定它們來自何種動物。在這種通過質(zhì)譜或ZooMS稱為動物考古學的特定方法中，研究人員分析了一種膠原蛋白。膠原蛋白成分的質(zhì)量在不同的群體和物種中不同，提供了一個特征指紋，使研究人員能夠識別骨骼的來源。

在2016年的論文3中使用了ZooMS來識別來自Denisova Cave的數(shù)千個碎片中的一個人類骨骼 - 這個DNA分析后來顯示屬于一個混合個體，綽號Denny，有一個尼安德特人的母親和一個Denisovan父親。倫敦弗朗西斯克里克研究所的人口遺傳學家Pontus Skoglund表示，即使僅憑這一結(jié)果，古老的蛋白質(zhì)分析已經(jīng)大大擴展了我們對人類進化的看法。德國耶拿馬克斯普朗克人類歷史科學研究所的考古學家卡特琳娜·杜卡現(xiàn)在正在利用該技術搜索來自亞洲的40,000個未識別的骨碎片，希望能夠發(fā)現(xiàn)更多的古代人類。

但是，ZooMS僅在廣泛的筆觸中描繪了一幅畫。例如，一旦骨被識別為屬于人類，則需要其他技術來深入研究。因此，其他人已轉(zhuǎn)向鳥槍蛋白質(zhì)組學，旨在識別樣本中的所有蛋白質(zhì)序列 - 其蛋白質(zhì)組。蛋白質(zhì)組的組成取決于被檢查的組織類型，但通常包括各種形式的膠原蛋白。Douka說，這種方法可以發(fā)出數(shù)千個信號，這使得它比ZooMS更具信息性，但也很難解釋。通過將這些信號與數(shù)據(jù)庫中的已知序列相匹配，研究人員可以識別樣品中膠原蛋白或其他蛋白質(zhì)的確切序列。

然后科學家們可以將這種新確定的蛋白質(zhì)序列與來自其他人源組的相同蛋白質(zhì)進行比較，尋找有助于將人源蛋白質(zhì)置于家譜中的單個氨基酸的相似性和差異性。這類似于古代DNA研究人員如何看待基因序列中的單字母變異。

填補空白

盡管研究人員在4之前使用了蛋白質(zhì)分析和古老的DNA測序，但西藏杰尼索萬是第一個僅對蛋白質(zhì)進行分析的古老人類 - 而其他人可能很快就會這樣做(參見“讓化石說話”)。例如，觀察來自H. heidelbergensis的蛋白質(zhì)序列可以闡明其與H. sapiens和Neanderthals的關系。

關于H. floresiensis的性質(zhì)，爭論已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了十五年，其遺骸在2003年在印度尼西亞的弗洛雷斯島上被發(fā)現(xiàn)。它與其他人類的關系尚不清楚，有人認為它可能是H的矮人后代。直立，或者甚至是從南方古猿屬進化而來的，它與現(xiàn)代人類的關系更為疏遠。這個團體生活在200多萬年前，其成員中有著名的露西骷髏。

柯林斯說，蛋白質(zhì)組學可以把這個謎團放到床上。他說：“我完全相信我們的佛羅里達人體內(nèi)有蛋白質(zhì)，并且它是可測序的，它會告訴我們哪里適合家譜。”對于另一種小人類人類(Homo luzonensis)來說也是如此。它的骨骼和牙齒是幾年前在菲律賓呂宋島的一個洞穴中發(fā)現(xiàn)的，并在今年早些時候報道了5。與H. floresiensis相似，這些樣品沒有產(chǎn)生DNA。菲律賓奎松市大學的考古學家阿爾芒·薩爾瓦多·米哈雷斯說，他計劃從洞穴中向韋爾克發(fā)送動物牙齒，其中H. luzonensis被發(fā)現(xiàn)，以測試分析古代熱帶材料中蛋白質(zhì)的可行性。

隨著研究人員準備對古代人類進行更多的蛋白質(zhì)組學分析，對其他動物的研究已經(jīng)揭示了他們在過去的進化關系。

例如，在最近的一項分析中，韋爾克和他的同事用蛋白質(zhì)組學來研究瀕臨滅絕的犀牛Stephanorhinus在犀?？茦渖系奈恢?。由于在尚未同行評議的預印本報道6，該小組能夠在遺體從德馬尼西，格魯吉亞，那是近180萬年的歷史，以提取蛋白質(zhì)。氨基酸取代的模式表明該動物與已滅絕的羊毛犀牛(Coelodonta antiquitatis)密切相關。

雖然西藏杰尼索萬的蛋白質(zhì)來自牙本質(zhì)，牙齒內(nèi)的骨組織，但這些Stephanorhinus蛋白被鎖在覆蓋牙齒的牙釉質(zhì)中。哥本哈根大學的古植物組學專家，Stephanorhinus工作的共同作者恩里科·卡佩里尼(Enrico Cappellini)表示，這對于尋找非常古老的蛋白質(zhì)特別有用。牙釉質(zhì)是脊椎動物體內(nèi)最硬的物質(zhì)，起到Cappellini稱之為封閉系統(tǒng)的作用，防止氨基酸浸出。他說，這個180萬年前的日期“不代表限制”。

事實上，其他人已經(jīng)走得更遠了。據(jù)研究人員報道，從北極7號發(fā)現(xiàn)的一種有著340萬年歷史的駱駝中提取膠原蛋白序列。在2016年的一篇論文中，意大利都靈大學的生物分子考古學家Beatrice Demarchi和她的同事從一個有380萬年歷史的鴕鳥蛋殼中提取并測序了蛋白質(zhì)8。Demarchi說，這種殼未被保存在寒冷的極地地區(qū)：它來自坦桑尼亞的一個地方，那里的年平均氣溫約為18°C。“你不會指望東西能在如此炎熱的環(huán)境中存活下來，”她說。Hominin蛋白可能可以在同一個地方恢復，她補充說：“我們必須嘗試，不是嗎?”

痛苦的痛苦

在古老的蛋白質(zhì)能夠使人類進化樹的枝條成為焦點之前，仍然存在需要克服的障礙。到目前為止，研究人員已經(jīng)能夠相當容易地推斷出古人類蛋白質(zhì)的序列，因為他們已經(jīng)擁有來自尼安德特人，杰尼索文和智人的DNA。這使他們能夠預測可能出現(xiàn)在質(zhì)譜信號中的蛋白質(zhì)序列。德國萊比錫馬克斯普朗克進化人類學研究所的古生物學家SvantePääbo說：“你可以從已知的基因組序列中鑒定出你想要的片段，來自古代生物或現(xiàn)代人，并尋找它們。”

但隨著科學家們進一步追溯，他們需要在沒有地圖的情況下計算出那些氨基酸的序列。Pääbo說，這對古代蛋白質(zhì)組學來說是一個持續(xù)的挑戰(zhàn)，因為蛋白質(zhì)被降解成小片段，而樣品經(jīng)常被現(xiàn)代蛋白質(zhì)污染。

柯林斯相信它可以做到。他指出了2015年的一篇論文9，其中他，韋爾克和其他人為南美洲的本地有蹄類動物繪制了系統(tǒng)發(fā)育樹，這是一組多種看似奇特的哺乳動物，大約在12000年前滅絕。由于沒有來自有蹄類動物化石的DNA，研究小組不得不從頭開始對膠原蛋白進行測序，以便與其他動物進行比較。他們發(fā)現(xiàn)兩種已滅絕的本地有蹄類動物Toxodon和Macrauchenia與包括馬和犀牛的群體密切相關 - 而不是像一些研究人員所認為的那樣，包括大象和海牛在內(nèi)的Afrotheria群體。

其他限制更為根本。古老的牙齒和骨骼含有少量蛋白質(zhì)，因此可用于識別標本的信息塊相對較少。例如，西藏杰尼索萬的分析揭示了八種不同類型的膠原蛋白的序列，總共略多于2,000個氨基酸。這些氨基酸中只有一種不同于尼安德特人和現(xiàn)代人類序列，將樣本鑒定為Denisovan。這意味著即使研究人員能夠?qū)χ绷⑷说牡鞍踪|(zhì)進行測序例如，在氨基酸序列中可能沒有足夠的信息可以說明它與現(xiàn)代或古代人類的關系。相比之下，單個古代基因組與任何其他基因組相比，包含大約三百萬種變體，Skoglund說，因此在進化方面提供了更多信息。

而且因為蛋白質(zhì)經(jīng)常發(fā)揮關鍵功能 - 形成骨骼的結(jié)構(gòu) - 比如說它們并不總是隨著物種的進化而變化很大。例如，牙釉質(zhì)特有的蛋白質(zhì)在Denisovans，H。sapiens和Neanderthals中完全相同，因此不能用于區(qū)分這些組。然而，韋爾克說，這些蛋白質(zhì)在其他類人猿中確實存在差異，并且當涉及到較老的人類組織時，可能會提供更多信息。

盡管如此，研究人員對古代人類中蛋白質(zhì)序列的變化知之甚少。例如，科學家只對一個單獨的Denisovan基因組進行了測序，這意味著為了識別西藏Denisovan，該團隊將蛋白質(zhì)序列與該組中的另一個成員進行了比較。可能是其他Denisovans有不同的變種。“許多遺傳學家對方法論持懷疑態(tài)度，但我認為這是因為他們在理解古代種群的基因組變異方面已經(jīng)走了很長的路，”杜卡說。

從過去中學習

還有其他挑戰(zhàn)。一些研究人員擔心，圍繞古生物組學的更廣泛的嗡嗡聲可能導致該領域陷入與20年前古代DNA領域相同的陷阱。從20世紀90年代和21世紀初期開始的許多顯然令人興奮的結(jié)果 - 例如恐龍或被困在琥珀中的昆蟲的DNA被發(fā)現(xiàn) - 后來被證明是錯誤的，因為它們是污染或其他方法錯誤的產(chǎn)物。“如果這種情況發(fā)生在蛋白質(zhì)組學世界，我不會感到驚訝，”杜卡說。

領導該領域的人都意識到了這些問題，許多研究人員正在共同努力創(chuàng)造一個強大的科學。其中包括英國約克大學的考古學家杰西卡·亨迪，他開創(chuàng)了蛋白質(zhì)的研究，以研究早期人類的飲食。在2018年的一篇論文中，Hendy和她的同事在現(xiàn)代土耳其的Çatalhöyük中發(fā)現(xiàn)了具有8,000年歷史的陶瓷中的蛋白質(zhì)，這些陶瓷顯示古代居民吃了各種植物和動物，甚至將牛奶加工成乳清10。

“這種技術非常有趣，非常吸引人，而且真的得到了很多關注，特別是現(xiàn)在，”Hendy說。“我們真的需要謹慎行事，”她補充道。Hendy與Welker共同撰寫了一份文章，其中概述了該領域的最佳實踐，從避免污染到公共存儲庫中的共享數(shù)據(jù)11。

Hendy補充說，需要對蛋白質(zhì)如何在很長的時間尺度內(nèi)存活和降解進行更基礎的研究。她說，這種研究可能不會成為頭條新聞，但可以讓研究人員對他們的結(jié)果更有信心。她指出Demarchi的工作是一個例子：Demarchi發(fā)現(xiàn)她380萬年前的蛋殼中的蛋白質(zhì)已經(jīng)結(jié)合到殼中的礦物晶體表面，基本上將它們冷凍到位。“這真的很酷，它實際上解釋了為什么蛋白質(zhì)存活下來，這使得這一發(fā)現(xiàn)更加強大，”Hendy說。

盡管仍有待解決的問題，但該領域的進展并未顯示出放緩的跡象。雖然人類進化可能得到最多的關注，但科學家們正在以各種方式使用古老的蛋白質(zhì)組學，從研究古代牙齒12的疾病標記，到調(diào)查哪些動物皮用于創(chuàng)造中世紀羊皮紙13。

Demarchi說她很滿意這一切。她說，在研究長期滅絕的有機體的家譜時，蛋白質(zhì)組學有可能產(chǎn)生波動。“我不認為我會在生命中看到它的結(jié)束，”她說。“它真的會非常大”。