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科研进展

学术争鸣:“鹿牙”乌龙“人牙”
——对“古DNA和多种测年方式证实现代人晚到达中国南方”(《美国科学院院报》,孙雪峰等)一文的评论

发表日期:2021-05-27来源:放大 缩小

  202129日,南京大学地理与海洋科学学院孙雪峰、复旦大学生命科学学院李辉等在《美国科学院院报PNAS发表题为DNA和多种测年方式证实现代人晚到达中国南方(Ancient DNA and multimethod dating confirm the late arrival of anatomically modern humans in southern China的论文,提出现代人抵达中国南方的时间不早于距今5万年前,否定以往认为的现代人在距今8-12万年前已在东亚大陆出现的观点。文章证据之一是:孙雪峰等2019年在湖南省道县福岩洞发现了两枚“人类牙齿”。通过对这两枚“人类牙齿”进行DNA分析和加速器质谱14C年代测定,构建了人群关系的系统演化树,得出“道县人类的DNA位于现代欧亚人类谱系范围,与现代藏缅人群可能具有遗传上的联系,他们根本就不是十多万年以前的人类,距今仅有9000多年的历史”的结论。 

  发现福岩洞地点并承担发掘及相关专业研究的团队成员(以下简称“福岩洞研究团队”)认真研读了这篇论文并核对了相关数据,发现该研究在年代样品采集的可靠性、人类牙齿来源及分类鉴定、古DNA提取与分析、14C年代测定等多方面都存在问题。其中最严重的问题是,文中所提及的在福岩洞发现的两枚“人类牙齿”鉴定错误,其中一枚是鹿的门齿,孙雪峰、李辉等在这枚鹿牙齿中提取出人类线粒体DNA。这些问题的存在使得该项研究的结果完全不可信。为此,福岩洞研究团队对孙雪峰、李辉等人的研究及论文撰写了质疑评论,列举了该文存在的主要问题。英国牛津大学14C加速器中心主任(Director, Oxford Radiocarbon Accelerator Unit) Tom Higham与德国马普学会人类历史科学研究所 (Max Planck Institute for the Science of Human History) 14C年代测定专家Katerina Douka也联名PNAS写信对孙雪峰等人的文章中14C年代研究提出质疑。525日,PNAS发表了上述质疑评论,同时刊登了孙雪峰等人的回复。福岩洞研究团队的相关质疑和评论如下: 

  1. “人类牙齿来源不清、鉴定错误 

  孙雪峰等在文章中表述2019年其在福岩洞发现两枚“人类牙齿”,分别编号为FY-1HTFY-2HT(但在文章不同地方孙雪峰等又将这两枚牙齿分别编号为FY-HT-1FY1以及FY-HT2FY-HT-2FY2。但这篇论文的编辑中没有任何一人参加过大家团队2010-2013年福岩洞的发掘工作,也没有咨询过大家团队从事专业研究的成员。文章除提供了一张一人手持一枚似乎为牙齿的低分辨率照片外,未提供发现“人类牙齿”具体位置的准确信息,却认定这两枚“人类牙齿”与大家团队在福岩洞发现的47枚人类牙齿来自相同地层层位。 

  在文章中,孙雪峰等对其发现的两枚人类牙齿未提供任何最基本的牙齿形态鉴定信息,比如,这两枚人类牙齿是上颌牙齿还是下颌牙齿、牙齿类别(门齿、犬齿、前臼齿、臼齿)、左侧还是右侧、牙齿形态、牙齿尺寸等;也未对这两枚牙齿与相关古人类及现代人进行对比分析;更没有指出与大家团队在福岩洞发现的哪一类、具体哪一件人类牙齿标本做过对比。以这种缺乏最基本的化石形态鉴定与研究规范,未提供任何牙齿鉴定和形态分析数据的方式,孙雪峰等却能得出其发现的两枚“人类牙齿”明显属于剖解学意义上的现代人,处于大家团队此前发现的47枚人类牙齿大小和形态变异范围内的结论(文章第四页:The human teeth, which are clearly AMH and fit metrically and morphologically within the range of earlier finds from the site)。这样的结论没有任何依据。 

  2011-2013年在福岩洞发掘期间,大家团队发现了大量草食性动物牙齿。经过仔细观察与对比,并请相关第四纪哺乳动物专家鉴定,大家团队认为孙雪峰等描述的这两枚“人类牙齿”中编号FY-2HTFY-HT2FY-HT-2FY2)的牙齿并不是人类牙齿,而是小型草食类动物的门齿(鹿、羊或者麂等),最接近鹿类的门齿(图1, 2)。 

  孙雪峰等发现的这枚牙齿的主要特征及其与人类牙齿的区别是(图1 A; 2 A):(1) 牙齿磨耗主要表现在齿冠舌侧,而不在牙齿切缘。这是草食类动物的牙齿特征;(2) 尽管牙齿磨耗较严重,但没有呈现牙齿邻接面磨耗痕迹。而在切缘和舌侧呈现这样程度磨耗的人类牙齿,一般都会出现邻接面磨耗;(3) 这枚牙齿齿冠近中-远中方向细而窄。这种特征与人类门齿冠近中-远中方向较宽阔的特征不同;(4) 这枚牙齿齿冠较高,齿尖顶部倾斜,齿根明显弯曲。这些是草食类动物,鹿类门齿的典型特征,与人类下颌门齿牙齿齿冠顶端平直、与齿根基本呈垂直方向、齿冠在近中-远中方向较宽,向两侧拓展的形态特点完全不同。 

1. 孙雪峰等在福岩洞发现的牙齿与鹿牙对比.A 引自Sun et al. 2021;(B)道县2012年出土的鹿类门齿;(C)附着在现生鹿下颌骨上的门齿及犬齿

2. 孙雪峰等在福岩洞发现的牙齿同人类牙齿对比. A)引自Sun et al. 2021;(B)道县2012年发现的人类下颌侧门齿;(C)黄龙洞2006发现的人类上颌中门齿

  针对大家团队提出的“FY-HT-2应该是鹿牙的一系列形态证据,孙雪峰等在回复中没有逐一回答。他们只是指FY-HT-2齿冠釉质大多磨损,无法复原出与鹿牙齿相似的磨耗特点;同时提供了一枚从考古遗址出土的人类牙齿照片做对比,以此证明其与FY-HT-2形态一致。孙雪峰等进一步指出在FY-HT-2提取出人类DNA可以证明其是人类牙齿(as confirmed by DNA analyses) 

  事实上,尽管FY-HT-2存在齿冠釉质磨损,但这枚牙齿与鹿牙齿相似的舌侧磨耗特征仍清晰可辨,多位国外学者都注意到了这个特征。反向推测,即便假设FY-HT-2属于人类个体,根据齿根形态推测其应为年轻个体,磨耗首先应出现在切缘,不可能呈现与年龄不一致的如此严重舌侧磨耗。通过观察孙雪峰等在回复中提供的这枚从考古遗址出土的人类牙齿形态,大家团队发现其呈现一系列人类特征,而与FY-HT-2及鹿牙形态明显不同。这些特征包括:齿冠宽阔(尤其靠近切缘),而鹿门齿齿冠狭窄;侧面观,齿根向根尖呈明显缩窄趋势,而鹿门齿齿根侧面观上下宽度接近;齿根向远中方向轻微弯曲,没有达到鹿门齿整个齿根弯曲的程度;齿根呈锥体状形态,而鹿门齿齿根呈扁平状形态。 

  关于孙雪峰等发现的另一枚编号为FY-1HTFY-HT-1FY1)的“人类牙齿”,经大家团队根据文章提供的照片进行形态鉴定,认为其为人类右侧上颌第三臼齿。这枚牙齿保存状态良好,齿根尚未完全形成;正在形成中的齿根上端边缘形态与结构清晰,几乎没有地层埋藏磨蚀及动物啃咬的痕迹。而大家团队此前在福岩洞发现的人类牙齿及动物牙齿均呈现明显的地层埋藏磨蚀及动物啃咬痕迹。因此,这枚编号为FY-1HTFY-HT-1FY1)的牙齿与大家团队在福岩洞发现的人类牙齿经历了两种不同的埋藏历史,孙雪峰等认为其发现的“人类牙齿”及动物牙齿与大家团队此前在福岩洞发现的47枚人类牙齿代表“相同的样本来源”的观点令人怀疑。 

  针对大家团队提出的FY-1HTFY-HT-1FY1)与此前发现的47枚人类牙齿关系的质疑,孙雪峰等给出的回复是:这枚牙齿的保存状态与此前发现的人类牙齿不能区分,但明显处于变异范围内(Regarding FY-HT-1, its preservation is visually indistinct from existing samples. But within sample variation is clear, and expected)2015年的文章中,大家团队对发现的每一枚牙齿的保存状态都做了详细描述并提供了清晰照片,这也是对古人类牙齿化石研究的最基本规范和要求。而孙雪峰等只是简单回复,未提供任何证据,比如与47枚牙齿中的哪一枚做了对比、对比了哪些特征等,因此不具有说服力。 

  2.从鹿牙中提取出人类DNA,构建人类系统演化树 

  孙雪峰等在文章中描述了在牙齿中提取古DNA的取样方法:为避免污染,李辉领导的复旦大学实验团队在每枚“人类牙齿”根部钻一小洞,获取内部微量骨粉以提取古DNA信息。然而如其论文中图1所示,编号为FY-1HTFY-HT-1FY1)的牙齿没有齿根,李辉等如何钻孔并获得骨粉,大家团队感到疑问。而对编号为FY-2HTFY-HT2FY-HT-2FY2)的鹿类牙齿如何钻孔获取骨粉,孙雪峰、李辉等并未提供在其齿根钻孔的照片等证据。更不可思议的是,孙雪峰、李辉等在这枚编号为FY-2HTFY-HT2FY-HT-2FY2)的鹿类牙齿中提取到“人类”线粒体DNA。他们利用从鹿牙中提取的“人类”线粒体DNA序列与53例不同地区的现代人、10例剖解学意义上的现代人、10例尼安德特人、1例西班牙Atapuerca SH地点出土的更新世中期古人类以及1例黑猩猩线粒体DNA序列进行对比分析,并建立了这枚鹿牙代表的“人类”个体与这些对比样本关系的系统演化树。 

  根据构建的系统演化树,孙雪峰、李辉等认为从鹿牙中提取的“人类”古DNA位于现代欧亚人类谱系范围(文章第二页:Fuyan mtDNA fell within the variation of present-day Eurasian lineages),并以此得到“惊人的”重要的发现:在现代藏缅人群中检测到从这枚鹿牙中提取到的“人类”线粒体DNA,揭示在福岩洞发现的鹿牙与现代藏缅人群可能具有遗传上的联系(文章第二页:Surprisingly, the mtDNA lineage found in the Fuyan sample FY-HT-2 has been detected in living TibetoBurman populations, revealing potential genetic links to them (Fig. 2II)) 

  3. 年代测定 

  孙雪峰等分别采用不同技术的释光测年手段测定福岩洞洞穴松散堆积物年代、不平衡铀(U)系方法测定钙板年代、加速器质谱放射性碳(AMS 14C)测年方法测定哺乳动物化石和“人类牙齿”年代。结合古DNA证据,孙雪峰等提出加速器质谱14C测年方法能够获得“人类牙齿”的真实年代,进而将在福岩洞发现的编号为FY-2HTFY-HT2FY-HT-2FY2)的人类牙齿生存年代确定为9290-9470年前。 

  通过仔细阅读该文及相关的补充材料,大家团队认为其用于加速器质谱14C测年方法测定年代的人类牙齿及动物化石除地层采集位置与2015年报道发现人类化石的地层位置是否相同无法确认,此外,其开展的“人类牙齿”、动物牙齿和骨骼加速器质谱总有机碳(TOC)14C测年的前处理流程并不清楚,很难确定测年结果的可靠性。文中引用的文献97是关于有机质转化为CO2并合成石墨靶的文献,并没有化石牙齿和骨骼提取总有机碳的前处理方法。而文中引用的文献86也不是合成石墨靶的文献,而是有关光释光测年的文献。由于缺乏前处理方法的描述,读者无法确定除有机胶原蛋白外,在骨骼和牙齿检测的总有机碳的其他成分类型,因为孙雪峰等获得的C/N比值(在编号为FY-HT-2人类牙齿46.2)远高于牙齿和骨骼化石中适合于14C年代测定的有机胶原蛋白的C/N比值(2.9-3.6,DeNiro,1985,Nature;或者3.1-3.5,Klinken,1999,JAS)同时,用于测年的福岩洞人类牙齿化石(FY-HT-1)的碳百分含量达到了2.3,也远高于现代牙釉中的0.1-0.8的碳百分含量。此外,该文中绝大多数有机胶原蛋白测年样品都没有提供C/N比值,年代可靠性有待进一步确认。这些数据提示孙雪峰等人的年代测试样品可能经历了后期改造或者污染,因此他们的加速器质14C测年方法获得的年代数据的可信程度还值得商榷。英国牛津大学14C加速器中心主Tom Higham教授是AMS 14C年代测定领域的权威,对许多更新世晚期古人类化石地点做过年代测定。他在525日和德国马普学会Katerina Douka同期发表的评论信中,同样提出了上述问题。 

  负责福岩洞化石AMS 14C年代测定工作的北京大学教授吴小红指出:孙雪峰等人发表论文中的绝大多数年代样品是动物骨骼或牙齿,仅有少数几个样品来自人类,这需要对地层沉积过程仔细分析,确定动物化石的年代能否代表人类化石的年代。其次,该文没有清楚描述14C测年样品的前处理过程,测年结果可靠性难以判断。再次,该研究的大多数年代数据来自骨骼或者牙齿的总有机碳(TOC),从这些样品的碳氮含量和碳氮比值来看,不能排除样品有腐殖质等外来含碳组分的影响。在考古年代研究领域通常不用TOC进行骨骼的14C年代测定,而是提取出骨骼或者牙齿中的原生组分胶原蛋白或明胶蛋白进行年代测定以尽可能排除外来碳的影响,从而得到可靠的14C年代数据。孙雪峰等人的文章中报道了9214C数据,其中有27个数据来自胶原蛋白,仅有一份胶原蛋白样品按照国际惯例测定了碳氮含量和碳氮比值。遗憾的是,这份样品的结果并没有落入适合测年的胶原蛋白数值范围之内,其他26份样品没有提供证据可以排除外来污染物影响。在孙雪峰等人回应质疑的答复中,对原文中使用的样品前处理方法依然没有给出具体的描述,仅说是采用了与大家团队于2015发表在《自然(Nature)》杂志上用于福岩洞加速器质谱测年相似的流程。相似与相同虽是一字之差,但内涵却大不相同。北京大学加速器质谱14C实验室并没有使用胶原蛋白(collagen)(如孙雪峰等文章中所用的)进行14C年代测定,而是用明胶蛋白(gelatin)进行14C年代测定。胶原蛋白和明胶蛋白的提取方法确实是相似的,但内涵并不相同。从胶原蛋白到明胶蛋白增加的最后几步处理措施,大大增加了去除样品中杂质的力度。在承认所测的大多数样品胶原蛋白保存状况很差的条件下,孙雪峰等认为两个样品胶原蛋白、碳酸钙和全有机碳组分测年结果之间差距很小,所以污染也很小,这并不成立。文中,他们有12个样品同时测定了胶原蛋白和TOC,只有两个样品不同组分的测年结果落在了1σ误差范围之内(如回信中所提的FY3-1FY3-5),其余数据的差距都超出了这个范围,有不少数据相差上千年,有数据相差了上万年。这些结果也是牛津大学Tom Higham等认为孙雪峰等人使用的前处理方法不能排除样品中混入环境腐殖质影响(使得样品数据偏年轻)的依据。事实上,牛津大学加速器质谱14C实验室对来自福岩洞的若干动物骨骼样品尝试进行14C测年,但所有样品都没能提取出适合测年的蛋白组分,说明福岩洞遗址骨骼保存条件并不理想,样品中混入外来污染物的可能性很大。孙雪峰等对北京大学获得的样品BA14012114C测年结果(39,150 ± 270 B.P.)给予肯定,以此来支撑了他们的观点:认为现代人到达中国南方的时间不早于65ka。关于这个数据有两点需要说明:第一,这是没有经过日历年代校正的14C年代数据,这个数据接近北大有机物加速器质谱14C年代测定的高限,而且根据福岩洞遗址骨质样品保存情况,样品BA14012114C年代可以作为年代数据参考,不适合用作绝对年代;第二,根据福岩洞遗址不同测年方法多个测年数据的分析,这个遗址的堆积情况应该是相对复杂的,不是一个时期堆积形成的,除非有充足的可靠年代确定所有堆积单元的年代,否则没有办法用部分数据来否定其他可能性。 

  在孙雪峰等的回复中,他们使用现代骨骼和牙齿以及距今3100年前左右的殷墟大墓中骨骼和牙齿的不同物质的14C测年结果,来证明其文章中前处理方法和测年结果的可靠。事实上,现代骨骼和牙齿样品中14C浓度与周边环境物质中现代有机质和大气中的14C浓度接近,没有显著的有机质分解,有机质含量较高,外源物质的14C浓度和现代样品中的浓度接近,难以确定是否存在外源污染和污染的大小。对于殷墟大墓中的牙齿和骨骼样品(年代为距今约3100年前),其胶原蛋白或总碳样品中的14C浓度是现代(1950年)大气中14C浓度的70%,即使现代碳的污染有10%,其14C浓度提高到73%,造成的14C年代偏离只有340年左右。对于年代超过8万年的样品(14C浓度接近为零),若现代碳污染有10%20%),其14C浓度提高到10%20%),计算获得的14C年代为~18500~12930)年。这说明对于有机质含量少,年代老的样品,少量的现代碳污染就会造成显著的年代偏差(偏年轻)。因此孙雪峰等使用近现代样品的测年结果对比,还不足以证明先前研究中测年结果的可靠性。另外考古样品在埋藏过程中有很多可能引入环境含碳物质,而且每个样品都有其独特性,某一个样品保存状态好,外来污染物少,不能代表其他样品就一定如此,如果不能采用正确的研究方法,用这种样品和样品之间类比的方法来说明问题是没有意义的。 

  值得注意的是,孙雪峰等采用铀系和释光测年方法对福岩洞地层含化石堆积物样品的年代测定数据都在更新世晚期。2015年大家团队发表的文章通过福岩洞动物群组成的分析也推断该堆积物中化石年代更符合更新世晚期的地质时代。对于这些支撑福岩洞人类生存在更新世晚期的其他方法的年代测定结果及动物群组成分析,孙雪峰等人在文章中没有做任何讨论或评论。他们在文中提出早期堆积物的侵蚀和后期充填模式来说明化石年代和堆积物及次生碳酸盐盖板年代的不一致。事实上,该模式在智人洞的研究中(Jin et al.,2009,Chinese Science Bulletin)已经提及,而且2015年的文章中也讨论了堆积物再堆积(或后期充填)的可能性,而在孙雪峰等的这篇文章中却并没有提及。 

  根据以上情况,大家团队认为孙雪峰、李辉等人的这项研究在“人类牙齿”及其他年代测试样品采集、人类牙齿鉴定、DNA提取与分析、年代测定等方面都存在错误或不确定性。因此,这项研究获得的研究结果是不可信的,不能否定此前研究认为的福岩洞人类牙齿的年代及演化地位。 

  4. 研究工作严谨性、规范性 

  除上述“人类牙齿”鉴定、数据提取、实验测试分析、年代测定等方面的问题外,孙雪峰、李辉等的这项研究及论文写作存在大量不规范、不严谨等问题,包括野外采集化石标本及实验室处理规范、研究数据采集、分析与论证规范、人类牙齿鉴定与论证规范、论文写作规范与严谨性(重要研究标本编号混乱、地点或单位名称错误、插图质量差、文献引用错误)等。孙雪峰等人的文章在PNAS发表后,多位从事古人类牙齿化石和剖解学研究的国外学者对这样一篇缺乏基本研究规范、存在较多错误且不严谨的文章通过《美国科学院院报(PNAS)》评审表示震惊和不理解。一位从事古人类牙齿形态研究的法国学者评价说:“这篇文章无论材料与方法及附属部分对人类及动物牙齿没有进行适当的描述。对此,我感到吃惊!I am also surprised that the human (and animal) material is not described properly in the article (neither in the Material and Methods nor in the SOM file)。另外一位从事牙齿人类学研究的美国学者表示:“PNAS怎么了,接受这样一篇有严重瑕疵的文章?通常情况下,(PNAS)审稿流程极其严格,但是显然仍有一些(这样的)论文经过漏洞通过评审”(What is it with PNAS accepting papers that have serious flaws? Ordinarily, the review process is extremely demanding but apparently some papers slip through the cracks!)

 

  道县福岩洞背景先容:201010月,中国科学院威尼斯正规官网-威尼斯官方网站-首页刘武、吴秀杰等在湖南省道县野外考察。根据以往线索,在道县乐福堂乡塘碑村附近的福岩洞(村民又称为后背山洞)发现哺乳动物化石。试掘后,确认这里蕴藏丰富的化石资源,具有良好的研究前景。2011年开始,组成了包括古人类学、旧石器考古学、地质学、年代学、环境及第四纪哺乳动物等学科专家参加的多学科研究团队,在湖南省文物考古研究所、道县文物管理局协助下对福岩洞进行了连续3年的发掘,发现47颗人类牙齿化石。期间,对福岩洞地层堆积、化石埋藏、环境、动物群组成以及人类化石等开展多方面的实验测试和综合研究。201510月,该研究团队在《自然(Nature)》发表论文,将福岩洞人类化石年代确定为8-12万年前,根据对人类牙齿化石的研究并结合其他研究证据,提出现代人8-12万年前在东亚大陆已经出现。该项研究成果入选2015中国科学十大进展

  附论文链接: 

  https://www.pnas.org/content/118/22/e2102961118  

  https://www.pnas.org/content/118/22/e2103798118 

  https://www.pnas.org/content/118/22/e2104818118

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