付巧妹 中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员、分子古生物学实验室主任、国家杰出青年科学基金获得者、国家重点研发计划首席科学家、发展中国家科学院（TWAS）青年通讯院士、美国霍华德·休斯医学研究所（HHMI）国际青年学者。主要从事演化遗传与群体遗传学研究，在古DNA探索人类起源与演化问题上取得一系列突破性成果，如破译东亚、世界最早现代人基因组等，在Nature、Cell、Science等国际期刊发表学术论文60余篇（包括ESI高被引论文12篇），获国家发明专利授权2项。曾被Nature评为“中国十大科学之星”之一，获中国青年·五四奖章、中国青年科技奖—特别奖、陈嘉庚青年科学奖—生命科学奖、首届科学探索奖等。

最近，哥本哈根大学埃斯克·维勒斯列夫（Eske Willerslev）团队与合作者通过提取200万年前冻土里的古DNA，重建格陵兰岛北部更新世早期的森林生态系统，入选Science 杂志“2022年度十大科学突破”。这项研究用迄今最古老的环境DNA绘制出现存生态系统所无法类比的远古生态景观和多样化物种世界，不仅刷新了古DNA研究的时间上限，显示出环境古DNA追溯远古生物群落演化的强大威力，而且为现代物种应对未来气候环境变化的适应性研究提供了重要线索。环境古DNA是指从冰川、冻土、湖泊沉积物、泥炭沉积物、遗址文化层、牙结石、粪便化石等古环境样品中提取得到的混合有多物种的古DNA。早在20世纪90年代，科学家们已经开始利用最新的分子生物学技术提取测序古环境样品中的动植物（包括人类）与微生物DNA。2003年，维勒斯列夫等从西伯利亚冻土和新西兰洞穴沉积物中提取到许多已灭绝的哺乳动物和鸟类的DNA片段，首次证实环境古DNA重现远古生态系统、揭示灭绝物种生存与演化历史的广泛可能。二十多年来，国内外古遗传学家们不断探索开发和利用更高效的提取和富集技术，从世界不同遗址的古环境样品获得遗传信息更丰富、更多样化的古DNA。比如维勒斯列夫团队相继从格陵兰岛、阿拉斯加内陆育空河岸、墨西哥北部洞穴等地近万年至百万年前的沉积物里获得许多灭绝动植物的谱系类型与时空分布信息；德国斯万特·帕博团队创新开发沉积物古DNA杂交捕获方法从西伯利亚和欧洲多处洞穴沉积物里捕获尼安德特人古人类DNA，我们实验室团队从青藏高原白石崖溶洞晚更新世沉积物里获得东亚首例丹尼索瓦人DNA等，揭示灭绝古人类的种群多样性及迁徙分化历史。这一系列研究不断突破环境古DNA研究的时空尺度和研究深度，为2022年的突破性工作奠定了重要的理论和技术基础，为探秘过去的地球生态景观与多样性物种的演化历史打开全新的窗口。DNA究竟能保存多久？这是古遗传学领域尤其关注的问题。此前科学家根据DNA的半衰期推算，在如冻土之类的理想条件下，DNA理论上可以存活100万年。然而，瑞典洛夫·达伦等在2021年西伯利亚冻土中的120万年前猛犸象臼齿里成功提取DNA，首次突破古DNA研究的百万年极限；维勒斯列夫等2022年再发表从北极地区200万年前冻土里提取的动植物与微生物DNA，得以再次跨越200万年的门槛，为我们开启了追溯远古时代地球与生命历史的新篇章。这一篇章极具开创性意义，不仅在于它为我们深度观察过去生物的遗传多样性，细节性揭示灭绝生物群落的分布、演化与适应提供了新的视角，而且在于它所揭示的生态景观重塑了我们对古老环境与物种相互作用的认识，为我们预测当前全球变暖对现代物种可能带来的影响提供帮助。结合气候记录与古DNA证据，研究表明200万年前的格陵兰岛北部皮里地区经历了剧烈的气候变化，气温大幅上升，与我们预计将在全球变暖中面临的地球气候非常相似。当时，这原是一片生长着杨树、桦树、雪松，各种北极和北方灌木和草本植物的沿海森林，生活着乳齿象、驯鹿、野兔、旅鼠等动物，区域内还有着温暖的地表水环境，存在着绿藻、珊瑚和大西洋鲎种群等海洋生物，这种北极物种和温带物种并存的独特生态系统已不复存在。但进一步探究这些幸存的物种如何在不同的生态环境中适应性进化，将为我们制定应对未来气候变化的相关策略提供启示和借鉴。此外，乳齿象DNA的发现亦为我们带来新的认识，此前化石记录表明这种已灭绝的远古动物活动范围因间冰期的气候变化，从中美洲的亚热带北迁至阿拉斯加，而环境古DNA研究弥补了化石的缺憾，为乳齿象向更北部格陵兰岛的迁徙扩张提供了新的证据。这项研究无疑为环境古DNA研究树立了新的灯塔，让我们期待未来有更古老、更丰富生物物种的DNA被发现，用以揭示地球上各种生命形式起源与演化的更多谜团，朝着更久远的历史继续探索。图5 冻土古DNA重现200万年前格陵兰岛上一个独特的动植物群落（图片来源：Science 官网）