提起考古,人们印象中多半是尘土飞扬的考古现场和尸骸、石器、陶器、青铜器、瓷器等出土文物,很少有人会把它同干净整洁的实验室和分子生物学、电脑数字技术等联系在一起。而吉林大学边疆考古研究中心正是利用上述现代科技手段,彻底揭开了北京老山汉墓主人的神秘面纱,同时创造了我国考古学上的“三个第一”:第一次运用数字化三维技术复原古人生前容貌;是我国科学家第一次对汉代王室成员的DNA进行研究;是国内第一次从古人类遗骸的脑组织中提取DNA。

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新华网吉林频道 文:周长庆、杜学静 图:徐家军 制作:邵守志   审发:焦点网谈栏目组

老山汉墓女尸颅骨复原图像
 考古DNA首次成功用于汉代王室成员

    吉林大学边疆考古研究中心主任朱泓5月14日宣布:经过5个多月坚韧不拔的紧张工作,该中心以周慧为首的考古DNA实验室研究人员终于完成了对北京老山汉墓女主人DNA的研究工作。研究结果表明,她的DNA序列属于亚洲M谱系,代表了东亚地区现代人群某种祖先类型的遗传学性状。这是我国首次利用考古DNA对汉代王室成员进行研究,它彻底揭开了她的神秘面纱。
    此前,该中心对这位贵夫人进行的体质人类学研究和颅骨容貌复原都表明,她是属于古代中原地区的土著居民,这次分子生物学的研究结果又与此相吻合,从而科学地证明了这个汉代诸侯王后属于东亚地区的蒙古人种,是古代中国中原人的代表。 
  朱泓教授说,这项课题取得了比较圆满、科学的结论。这一研究为丰富我国各历史时期的古人群基因库,探讨各古代人类群体的迁徙和演化,以及多元一体的中华民族的历史形成过程等重大理论问题的阐释,积累了来自分子生物学方面的科学证据。
    地处“北国春城”长春市的吉林大学边疆考古研究中心考古DNA实验室,成立于1998年,是我国第一个从事古人类DNA研究的专业实验室。5年来,他们已成功地对新疆、内蒙古、东北、青海等地的十几批七八十例人骨进行了考古DNA的提取和研究,并初步建立起我国边疆地区的古代DNA数据库。


林雪川介绍老山女尸复原图

 


新华社记者周长庆与老山汉墓千年女尸颅骨“亲密接触”
 创造考古界三个“中国第一”


    据有关专家介绍,吉林大学边疆考古研究中心对老山汉墓女主人的考古学研究,创造了三个“中国第一”:首先,首次运用数字化三维技术复原古人生前容貌,填补了国内空白。而此前的复原工作或采用雕塑法,或采用二维电脑技术。
  其次,这是我国科学家首次对汉代王室成员的DNA进行研究,而此前做过的近八十例考古DNA研究,身份没有这么“显贵”。
  再次,这是国内首次从古人类遗骸的脑组织中提取DNA。外国科学家也只是从埃及木乃伊的脑组织中提取过DNA。因脑组织保存下来的情况极少,而且提取难度非常大,所以国内外科研人员一般都是从骨骼和牙齿中提取DNA进行研究的。

    朱泓(吉林大学边疆考古研究中心主任):在我国,一直将考古学划在“人文社会科学”领域,但事实上,考古学绝不是纯粹的社会科学,它含有大量的自然科学成分,而且随着学科的发展,自然科学方法越来越多地应用在考古学领域。美国科学院院士、著名华裔科学家许倬云在吉林大学讲座时就提出,考古学是人文科学与自然科学交叉的一个学科,美国将考古学称为Science(科学),其成果可以在世界最权威的科学期刊《自然》、《科学》上发表,这就表明了考古学的国际定位。

  潘其风(中国社科院考古研究所研究员):过去一种悲观观点认为,从分子生物学角度研究正在成为21世纪体质人类学研究的方向,即意味着传统形态学研究不行了。此次吉林大学利用分子生物学方法对老山汉墓女主人研究的结果,与过去他在形态学上对其人种所下的结论是相互印证、相互吻合的,考古DNA为考古学研究提供了一种新的科学研究方法。


老山汉墓女尸颅骨及其复原图像
 老山汉墓女主人带着谜团出世

    老山汉墓女主人是2000年8月在北京石景山区东部,与永定河傍依的老山地区发掘出土的。考古专家判定此墓在古代已被盗掘,但在墓穴前室西侧而不是棺材内发现的一具尸骨,引起了无数的猜测。关于其身份:有人认为是盗墓者,有人认为是墓主人,有人认为是殉葬者;关于其人种:有人认为是纯正的蒙古人种,即东亚黄种人,是典型的中原人,有人则认为是“胡女”,即带有白种人血统的古代西域人……   
    最后经专家探讨研究,特别是经著名人类学家潘其风研究员鉴定,该尸骨是老山汉墓的主人,是一位30岁左右的女性。根据墓葬的形制、等级和随葬品等情况分析,她是西汉某诸侯王的王后。这一结论基本得到大家的认可。
  但这只是人类形态学上的一个轮廓性的初步结论,为进一步揭示其种族类型和遗传学性状等重要学术问题,2002年10月,吉林大学边疆考古研究中心与北京市文物研究所合作,对该遗骸进行体质人类学、古代DNA和颅像复原三个方面的研究。
  经过3个月的努力,2002年底对老山汉墓女主人进行的体质人类学研究及电脑三维人像复原完成,研究结果表明,这是一位长相端庄、黄色皮肤的中原女子。此后,吉大考古DNA实验室开始对她进行最后的考古DNA研究工作。


考古DNA实验室周慧主任在凝胶成像仪前介绍凝胶成像的过程

 


朱泓与林雪川讨论颅骨的复原效果
 最艰难的一次考古DNA实验

    据吉大生命科学学院副院长、边疆考古中心考古DNA实验室主任周慧介绍,由于老山汉墓女主人的骨骼保存状况欠佳,因此运用分子生物学的方法对其“线粒体”进行考古DNA研究,提取是这项综合性研究计划中的一个重点和难点。
    课题组成员考虑了3套方案,即分别从墓主人的肢骨、牙齿和颅腔中偶然保存下来的一块干燥脑组织中提取DNA。在样本的处理过程中,分别采集了左侧肢骨、干燥脑组织的不同部分以及一颗前臼齿。
    在3套方案中,他们最先采用的是第1套。周慧说,这是基于以下三种考虑:第一,此前他们多次进行的考古DNA研究,都是从骨头中抽提DNA片段的;第二,牙齿中的DNA片段相对其它部位来说,保存得应是最好的,但如果用牙齿做实验,就会影响其颅骨标本的完整性;第三,国内尚未做过古人类脑组织的DNA研究,没有相关经验可供参考和借鉴。
  研究人员取了两块指骨和一块肢骨进行DNA抽取实验,但由于样本中DNA降解严重、含量很少,提取工作非常不顺利,在两三个月内反复做了多次实验,都没有抽取出有效的DNA片段。
    之后,他们又取了该墓主人的一颗前臼齿进行研究。实验前,研究人员曾对牙齿寄予了很大希望,因为一般来说牙齿中的DNA都保存得比较好,而且受外界的污染也最小。但是在一个多月的实验中,也未能从牙齿中提取出有效的DNA片段。
    据朱泓介绍,因为老山汉墓尸骨的保存状况实在太差,最可行的两条路都没能成功,一些研究人员失去信心,几乎要放弃了,但在周慧教授的坚持之下,实验又继续进行下去,准备从其脑组织中提取DNA片段。

实验室工作人员在超净台上用试剂提取粉末中的DNA片断
 尸骸脑组织 派上大用场


  潘其风:说起老山汉墓女主人的脑组织,还有一段有趣的来历呢!在老山汉墓发掘时,从尸骸的颅腔里掉下一块“干泥巴”,当时我也没想到日后有什么用途,但本着“一块不丢”的原则,就让考古人员给收集起来了,没想到还真的派上了大用场。

  朱泓:考古发掘中很难得到古人类脑组织样本,它一般都保存不下来,此例是由于在某种特殊条件下脱水干燥才得以留存至今。我本人从事考古研究20多年,在见过的数千例古代尸骨中,也是第一次见到古人类的脑组织。

  周慧(吉大生命科学学院副院长、边疆考古研究中心考古DNA实验室主任):老山汉墓女主人的脑组织成了最后的希望,但我们也不知道是否能从其中提取出DNA片段。我们是第一次做脑组织样本的DNA提取,对其做了严格处理、分层,最外层1厘米左右因污染太大舍弃不用,第二层作为练习标本,摸索有效的处理方法和实验条件,最里面一层是最终数据的样本。
    在抽提时,先从外层的部分开始做,积累经验。我们发现其脑组织中确实含有DNA,但测序后发现它杂乱无章,肯定有外来污染,没办法读取数据。再里面的一层,情况稍好一些,但还是无法读取数据。最后用脑组织最核心的部分来抽提,然而虽然抽提成功,但其中一部分片段的DNA序列始终无法读取,实验再次陷于停顿。


林雪川在介绍老山女尸颅骨复原过程

 


考古DNA实验室博士研究生段然慧在进行DNA片断的PCR扩增
 柳暗花明又一村


    在对DNA链进行测序时,国内科研人员通常都是采用“正测法”。吉林大学的研究人员在对老山汉墓女主人脑组织的DNA序列多次测序试验失败之后,想到了用“反测法”来读取那始终无法测定的DNA片段,结果非常成功,多次重复实验的结果都相吻合。

  周慧:实验结果出来后,我们都很激动。因为这次研究却是我们做过的难度最大的一个,实验结果出来后,实验室的所有工作人员都高兴异常。
  为确保实验的准确性,我们在具体操作中注意了这样几个问题:首先是污染问题。古代DNA的特点是高度降解、广泛损伤,而且含量极低。而老山汉墓女主人埋藏条件较差,遗骸有灼烧痕迹,因此要采取措施避免外源DNA的污染。一方面,在采集过程中样本都分别收集在不同的无菌袋中,处理样本时先用紫外线照射或用盐酸处理表面,然后在打磨、抽提和扩增过程中,平行进行多个空白对照,还建立了独立的实验区域,使用一套专用的微量取样器,以防止扩增DNA间的交叉污染。另一方面,为了把污染的可能性降到最低,我们还做了擦拭实验来检测环境的洁净度。
    其次,由于实验结果的可重复性直接反映了它的真实性,因此,我们设计了重复实验方案,对不同部位分别进行扩增,对同一抽提产物,由不同实验员在间隔较大的时间跨度(2个月)分别进行扩增,以排除操作人员和环境对实验结果造成影响。而且,每个扩增产物都进行正反测序两次,以减少序列判读的误差,最后以得到的平行实验结果为准。
  实验的最终结果是:由脑组织的三个不同部位所得到的DNA序列一致,同一抽提产物,平等测序结果相同,这个序列真实地反映了老山汉墓女主人的遗传信息。


实验室工作人员在打磨老山女尸的脑组织

 


周慧在与学生们讨论实验过程
 我国考古DNA学科的展望

  朱泓:吉林大学的考古研究有一个传统而有优势的研究方向,即对中国边疆考古的研究,特别是北方边疆的考古课题。研究中原地区的考古有很多文献可以借鉴,但关于古代边疆地区的却是寥寥无几,因此边疆考古研究不得不更多的利用文献以外的其他方法来联合攻关,这其中就包括很多自然科学的方法在考古学中的应用。吉林大学边疆考古研究中心2000年通过国家教育部的验收,成为教育部百所人文社会科学重点研究基地之一,其主要研究方向就是用多学科的方法来研究边疆考古学的问题。 目前国际上已经把考古DNA的研究,作为考古领域最前沿、最热点的课题之一。尽管国外考古DNA研究的起步早,经验也比我国丰富,但中国作为文物大国的优势又是其他国家所不能比拟的,如我国有国外所欠缺的丰富的考古样品。

  我们具备这样好的条件,再加上国家对这项科研工作的重视,以及广大科学工作者的努力工作,在不远的将来,我们完全能够接近或赶上世界的先进水平。

  周慧:从实验室的技术手段来看,我们和国外差得不多。我们现在有最先进的测序仪、PCR仪,实验室手段比较先进,同时又有明显的资源优势,所以对于人类DNA的研究中国能够做出比较独特的东西。

  目前,我们吉大边疆考古研究中心正致力于建立信息量更大、内容更丰富的边疆地区古代DNA基因库,系统地对我国古代遗传资源进行研究,不断为古代历史、文化研究提供新的资料,开拓新的领域。

 相关链接:什么是考古DNA?

  DNA(脱氧核糖核酸)是生物的遗传物质,基因以遗传密码的形式编码在DNA分子上,表现为特定的碱基排列顺序,并且通过DNA复制把遗传信息由亲代传递给子代。因此,对人类DNA的分析将揭示出人类个体及群体的遗传学信息。
  古代DNA是指从田野考古发掘中出土的古代人类和动物遗骸以及古生物化石中提取的古代生物分子。随着现代生物技术、有机地球化学理论和实验技术的不断发展,人们对古代DNA的研究也不断深入。把古代DNA数据与现代基因库中的数据资料相结合,便可以构建出某一生物门类的系统发育树,从而进一步探讨人类的演化与迁移等重大问题。
  对古人类进行DNA研究,目前只在美、德、日等少数发达国家进行。近年来,少数西方国家已在古代DNA的研究领域做出了相当的成绩,不仅成功地从距今上万年的样品中提取出DNA,而且已将这些成果应用到考古发掘中人类遗骸的个体鉴定、家系鉴定以及古代人群形成发展的研究。我国这方面研究还处于起步阶段。
    考古DNA研究可以有效地解决传统考古学方法解决不了的问题,有助于阐明人类起源、演化、群体间以及群体内不同个体之间的相互关系,在考古学综合性研究中具有重要的应用价值。

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