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                    《科學畫報》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史?!犊茖W畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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                    從小小的牙齒窺探遙遠的歷史

                    2019-08-21 22:38:00

                      按下紅色按鈕,門緩緩打開,里面的紫外線燈隨之熄滅。進去有6個房間,每個都保持負壓,雙層密封,有獨立的通風系統。進入房間必須脫鞋換衣服。進入最里面的兩個房間,還要穿上抗菌服,戴上面罩、發罩、口罩,從頭到腳遮得嚴嚴實實,以免把外面的污染物帶進去。

                      這個極其潔凈的實驗室就是位于美國俄克拉荷馬大學的分子人類學和微生物研究實驗室。研究人員的工作是尋找古代微生物的DNA,然后將它們提取、分離、擴增,并展開分析,從而揭示有關人類遷徙過程、飲食變化、健康狀況等復雜問題的重要線索。

                      與人類共生

                      人類的體表和體內寄居著數量龐大的微生物,包括各種細菌、病毒等,它們廣泛分布在皮膚、口腔、腸道等處。人類和這些微生物共同進化,彼此影響。從這個角度來說,每個人都不是個體,而是一個復合體。

                      微生物對人體健康有著重要影響。除了口腔、消化道疾病,情緒失調、心血管疾病也和微生物息息相關。過去,人們通常認為疾病是由一種或幾種微生物引起的,現在科學家開始意識到,疾病和人體微生物系統的失衡有著密切關系。

                      微生物是人類與我們所處環境的媒介。人類飲食習慣、生活方式的改變會影響人體微生物系統,而微生物的變化也會對人類產生影響。工業革命以來,人類生活方式發生了巨大的變革,與此同時,各種慢性病的發病率也不斷上升,如心血管疾病,過敏等免疫系統障礙,肥胖、糖尿病等代謝性疾病等??茖W家推測,人之所以會患上這些與生活方式相關的疾病,是因為微生物在和人類一起進化的過程中發生了變化。

                      要驗證這一猜想,就必須知道這些微生物過去是什么樣,又到底發生了怎樣的變化。因此,人體微生物蘊含著豐富的考古價值:考察它們在漫長歷史中的演變,特別是在重大歷史節點上的變化,能夠揭示古代人類是如何飲食、如何生活、如何遷徙,而這些又是如何影響人類整體發展的。

                      被忽視的遺傳寶藏

                      我們都知道消化道中的微生物種類豐富,其實口腔也堪稱微生物的“熱帶雨林”。有些微生物會附著在牙齒表面,如果沒有及時清潔,它們就會石化,形成堅硬的牙結石。全球各地考古發現的成年人遺骨中幾乎都能看到牙結石,但很長時間以來,它們被有意無意地忽視了。

                      從考古發現的牙結石中提取DNA,第一步要做的是洗牙。和通常的洗牙過程類似,研究人員手持設備清理牙齒表面,使結石松動脫落。每洗完一顆牙都要清潔設備,以免污染。清理下來的污垢被裝進瓶子里用紫外線消毒,然后粉碎、凈化、脫鹽,將留下的物質放進離心機中旋轉,幾千年前的DNA就被分離出來。接下來還要對DNA進行純化、測序和分析。

                      分子人類學和微生物研究實驗室的沃里納是最早從事牙結石微生物DNA研究的科學家之一。2007年,沃里納在美國史密森尼博物館工作,她的一位同事主要研究牙結石中的淀粉粒,這讓她第一次認識到牙結石研究的潛力。

                      2010年,沃里納在一家研究機構從事博士后研究,課題是古代疾病與飲食的關系。她發現用傳統方法進行研究難度很大,因為涉及的微生物種類太多了。她靈機一動,想到從牙結石中的古代微生物DNA入手。對一個博士后來說,這是一個成本很高而且有些冒險的做法。雖然有一些機構也在進行這方面研究,但都沒有成果;而且20世紀50年代就有研究者指出,牙結石中不存在DNA。

                      盡管不被看好,沃里納卻沒有放棄。開頭的幾次嘗試都失敗了。她轉而采用靈敏度更高的儀器,但儀器反饋了一條沃里納以前從未見過的信息:“錯誤,DNA濃度太高?!庇谑撬龑颖鞠♂?0~100倍后再進行分析。隨著研究工作的展開,她意識到自己發現了考古樣本中最豐富的DNA來源。

                      經過努力,沃里納和她的合作者們終于鑒定出完整的古代人類口腔微生物群落。他們發現的基因序列數以百萬計,要花3年時間才能全部分析完。該研究被認為是牙結石中存在微生物DNA的最有力的證明。

                      揭秘人類歷史

                      沃里納等人在4個中世紀人的口腔中發現了40種病原體,其中包括和心血管疾病、腦膜炎、肺炎相關的病原體。他們測出了和一種牙周疾病相關的細菌的全基因組序列。他們還在牙結石中發現了很多食物的DNA,如豬肉、十字花科蔬菜、小麥等。此外,他們研究了牙結石中的蛋白質,找到了與病原菌毒性相關的蛋白質,以及由人類免疫系統產生的蛋白質。

                      令人矚目的是,他們發現了與微生物耐藥性相關的基因。這意味著,在人類發明和使用抗生素的幾百年前,這種基因就已經存在了??茖W家解釋說,產生耐藥性的機制在細胞中還有其他用途,現代人面臨的細菌耐藥性是在基礎機制上衍生出來的現象。

                      沃里納等人的研究催生了許多不同方向的新課題。例如,有研究人員根據牙結石中找到的牛奶蛋白,追溯全球各地乳業的起源和發展。牙結石還可作為線粒體DNA的良好替代來源,這對那些無法直接從遺骨上取樣的研究來說,無疑是一個好消息。沃里納的團隊正在和美國加利福尼亞大學的科學家研究高海拔地區人類的遺傳適應性。有科學家試圖弄清楚,在古生物分子通常難以保存的氣候條件下,牙結石是如何保存生物遺傳信息的。還有的致力于結合牙結石考古和語言學研究,探索古代人類的遷徙過程。

                      總之,牙結石考古將揭示人類歷史的一些宏觀問題:古代人類吃什么,怎樣生活,經歷了怎樣的遷徙,怎樣適應不同的自然環境;這些變化又是怎樣塑造了今天的人類和人類社會。

                      強大的新工具

                      目前這些研究尚處于起步階段,還有很多障礙需要克服。例如,一種名為16S的基因片段通常被用于確定基因的種類,但它會隨著時間而受損,因此用它來對古代微生物進行基因分析,結果并不可靠。

                      有研究人員指出,微生物基因研究的過程和方法比較復雜,也沒有統一的標準,不同的提取方法、不同的計算流程、不同的測序平臺都會產生不同的結果。此外,遺傳信息雖然只由4個基本單位構成,但其組成的信息量卻龐大無比,只能進行概率統計或者抽象化處理。如何使這些方法適應考古學的研究規則,也需要認真考慮。

                      實際上,所有新技術在應用于新的領域時都難免遭遇類似的難題;但重要的是,新技術為人類提供了認識世界和自身的全新視角。在考古學發展過程中,一次又一次科技創新為考古學家提供了豐富而強大的工具,使他們得以全面深入地追溯和重現人類歷史。放射性碳年代測定、同位素、遙感等,如今都已經成為考古學的常用技術?,F在,這個名單上又增加了微生物基因研究。它問世不久就已經為我們打開了一片新天地,隨著技術的成熟,還將帶來更多令人驚喜的發現。

                    本文來自《科學畫報》

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