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《科学画报》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

由中国科学社于1933年8月创刊,距今已有80年的历史。《科学画报》在80年的办刊历程中,形成了通俗生动、图文并茂地介绍最新科技知识,形式多样地普及科学技术的特点,对提高广大群众的科学水平,启发青年爱好科学、投身科学事业起了很大的作用,当今的不少著名学者、教授、科学家,青少年时代都曾受到它的熏陶和启发。

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从小小的牙齿窥探遥远的历史

2019-08-21 22:38:00

  按下红色按钮,门缓缓打开,里面的紫外线灯随之熄灭。进去有6个房间,每个都保持负压,双层密封,有独立的通风系统。进入房间必须脱鞋换衣服。进入最里面的两个房间,还要穿上抗菌服,戴上面罩、发罩、口罩,从头到脚遮得严严实实,以免把外面的污染物带进去。

  这个极其洁净的实验室就是位于美国俄克拉荷马大学的分子人类学和微生物研究实验室。研究人员的工作是寻找古代微生物的DNA,然后将它们提取、分离、扩增,并展开分析,从而揭示有关人类迁徙过程、饮食变化、健康状况等复杂问题的重要线索。

  与人类共生

  人类的体表和体内寄居着数量庞大的微生物,包括各种细菌、病毒等,它们广泛分布在皮肤、口腔、肠道等处。人类和这些微生物共同进化,彼此影响。从这个角度来说,每个人都不是个体,而是一个复合体。

  微生物对人体健康有着重要影响。除了口腔、消化道疾病,情绪失调、心血管疾病也和微生物息息相关。过去,人们通常认为疾病是由一种或几种微生物引起的,现在科学家开始意识到,疾病和人体微生物系统的失衡有着密切关系。

  微生物是人类与我们所处环境的媒介。人类饮食习惯、生活方式的改变会影响人体微生物系统,而微生物的变化也会对人类产生影响。工业革命以来,人类生活方式发生了巨大的变革,与此同时,各种慢性病的发病率也不断上升,如心血管疾病,过敏等免疫系统障碍,肥胖、糖尿病等代谢性疾病等。科学家推测,人之所以会患上这些与生活方式相关的疾病,是因为微生物在和人类一起进化的过程中发生了变化。

  要验证这一猜想,就必须知道这些微生物过去是什么样,又到底发生了怎样的变化。因此,人体微生物蕴含着丰富的考古价值:考察它们在漫长历史中的演变,特别是在重大历史节点上的变化,能够揭示古代人类是如何饮食、如何生活、如何迁徙,而这些又是如何影响人类整体发展的。

  被忽视的遗传宝藏

  我们都知道消化道中的微生物种类丰富,其实口腔也堪称微生物的“热带雨林”。有些微生物会附着在牙齿表面,如果没有及时清洁,它们就会石化,形成坚硬的牙结石。全球各地考古发现的成年人遗骨中几乎都能看到牙结石,但很长时间以来,它们被有意无意地忽视了。

  从考古发现的牙结石中提取DNA,第一步要做的是洗牙。和通常的洗牙过程类似,研究人员手持设备清理牙齿表面,使结石松动脱落。每洗完一颗牙都要清洁设备,以免污染。清理下来的污垢被装进瓶子里用紫外线消毒,然后粉碎、净化、脱盐,将留下的物质放进离心机中旋转,几千年前的DNA就被分离出来。接下来还要对DNA进行纯化、测序和分析。

  分子人类学和微生物研究实验室的沃里纳是最早从事牙结石微生物DNA研究的科学家之一。2007年,沃里纳在美国史密森尼博物馆工作,她的一位同事主要研究牙结石中的淀粉粒,这让她第一次认识到牙结石研究的潜力。

  2010年,沃里纳在一家研究机构从事博士后研究,课题是古代疾病与饮食的关系。她发现用传统方法进行研究难度很大,因为涉及的微生物种类太多了。她灵机一动,想到从牙结石中的古代微生物DNA入手。对一个博士后来说,这是一个成本很高而且有些冒险的做法。虽然有一些机构也在进行这方面研究,但都没有成果;而且20世纪50年代就有研究者指出,牙结石中不存在DNA。

  尽管不被看好,沃里纳却没有放弃。开头的几次尝试都失败了。她转而采用灵敏度更高的仪器,但仪器反馈了一条沃里纳以前从未见过的信息:“错误,DNA浓度太高。”于是她将样本稀释50~100倍后再进行分析。随着研究工作的展开,她意识到自己发现了考古样本中最丰富的DNA来源。

  经过努力,沃里纳和她的合作者们终于鉴定出完整的古代人类口腔微生物群落。他们发现的基因序列数以百万计,要花3年时间才能全部分析完。该研究被认为是牙结石中存在微生物DNA的最有力的证明。

  揭秘人类历史

  沃里纳等人在4个中世纪人的口腔中发现了40种病原体,其中包括和心血管疾病、脑膜炎、肺炎相关的病原体。他们测出了和一种牙周疾病相关的细菌的全基因组序列。他们还在牙结石中发现了很多食物的DNA,如猪肉、十字花科蔬菜、小麦等。此外,他们研究了牙结石中的蛋白质,找到了与病原菌毒性相关的蛋白质,以及由人类免疫系统产生的蛋白质。

  令人瞩目的是,他们发现了与微生物耐药性相关的基因。这意味着,在人类发明和使用抗生素的几百年前,这种基因就已经存在了。科学家解释说,产生耐药性的机制在细胞中还有其他用途,现代人面临的细菌耐药性是在基础机制上衍生出来的现象。

  沃里纳等人的研究催生了许多不同方向的新课题。例如,有研究人员根据牙结石中找到的牛奶蛋白,追溯全球各地乳业的起源和发展。牙结石还可作为线粒体DNA的良好替代来源,这对那些无法直接从遗骨上取样的研究来说,无疑是一个好消息。沃里纳的团队正在和美国加利福尼亚大学的科学家研究高海拔地区人类的遗传适应性。有科学家试图弄清楚,在古生物分子通常难以保存的气候条件下,牙结石是如何保存生物遗传信息的。还有的致力于结合牙结石考古和语言学研究,探索古代人类的迁徙过程。

  总之,牙结石考古将揭示人类历史的一些宏观问题:古代人类吃什么,怎样生活,经历了怎样的迁徙,怎样适应不同的自然环境;这些变化又是怎样塑造了今天的人类和人类社会。

  强大的新工具

  目前这些研究尚处于起步阶段,还有很多障碍需要克服。例如,一种名为16S的基因片段通常被用于确定基因的种类,但它会随着时间而受损,因此用它来对古代微生物进行基因分析,结果并不可靠。

  有研究人员指出,微生物基因研究的过程和方法比较复杂,也没有统一的标准,不同的提取方法、不同的计算流程、不同的测序平台都会产生不同的结果。此外,遗传信息虽然只由4个基本单位构成,但其组成的信息量却庞大无比,只能进行概率统计或者抽象化处理。如何使这些方法适应考古学的研究规则,也需要认真考虑。

  实际上,所有新技术在应用于新的领域时都难免遭遇类似的难题;但重要的是,新技术为人类提供了认识世界和自身的全新视角。在考古学发展过程中,一次又一次科技创新为考古学家提供了丰富而强大的工具,使他们得以全面深入地追溯和重现人类历史。放射性碳年代测定、同位素、遥感等,如今都已经成为考古学的常用技术。现在,这个名单上又增加了微生物基因研究。它问世不久就已经为我们打开了一片新天地,随着技术的成熟,还将带来更多令人惊喜的发现。

本文来自《科学画报》

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