随着迄今最古老蛋白质测序的完成，犀牛的演化关系变得更加清晰。图片来源：pixabay.com
导读：
最近，Nature在同一天刊登了两项研究，研究人员分别在北极地区和非洲大裂谷的化石中提取出距今千万年的古蛋白。这一结果让人们对于古蛋白技术揭开古生物和古人类演化之谜充满了期待。与此同时，在热带发现千万年前古蛋白的结果，也让人充满疑虑，这是真的吗？
2025年7月9日，《自然》杂志同时刊发两项研究，聚焦于牙釉质中保存的古蛋白，研究人员分别在加拿大北极霍顿陨石坑与肯尼亚图尔卡纳盆地发现千万年前的蛋白质序列，这一发现打破了此前350万年的古蛋白年龄纪录。
“两项研究展示了极端环境下蛋白质的保存潜力。加拿大研究是对冻土地带保留蛋白质的直接验证；而肯尼亚研究则令人惊讶地提示——即使在全球最热地区，也可能保存少量肽段。”未参与两项研究的哥本哈根大学分子人类学家Frido Welker向《赛先生》评论说。他强调，这将重新定义我们对可分析化石时间范围的认知。
不过，也有研究者认为，常年高温的非洲大裂谷能够发现储存时间如此之久的古蛋白，这超出了人们当前的认知，其结果是否可重复，仍需时间来证明。
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日益受关注的古蛋白分析
21世纪以来，古DNA技术在古生物学和古人类学领域引发了一场革命，它识别了已灭绝的古人类物种如丹尼索瓦人，并重塑了人类与动物的种群历史。此前的观点认为，古生物化石中的古DNA最多只能保存100万年左右。目前确认保存最久的古DNA来自格陵兰岛冻土层，提取到200万年前的乳齿象、驯鹿等古生物DNA片段[1]。在这之前的记录是西伯利亚冻土中165万年的猛犸象牙齿DNA[2]。
如今，另一种技术在考古学研究中大施拳脚，那就是围绕古蛋白（ancient proteins）的分析手段，最近鉴定出夏河人、澎湖人和哈尔滨头骨属于丹尼索瓦人。
相比DNA分子，蛋白质更稳定，更不易降解，因此保存时间更久。从化石中提取的古蛋白质有助于揭示已灭绝物种的系统归属、种群结构、生活方式和进化过程等关键问题。古生物学家利用古蛋白质揭示了生命之树上物种间意想不到的关系、物种在大地理区域内的种群结构，甚至无法通过单纯检查化石骨骼观察到的行为适应。
在2000年代以后，质谱法（Mass Spectrometry，MS）等技术的飞速发展使其在古蛋白研究中的应用逐步成熟，显著提升了分析效率和数据质量。
在2007年和2009年，有研究者称从6800万年前和8000万年前的恐龙化石中提取出了完整的蛋白质碎片，但这些说法遭到了生物化学家和古生物学家的强烈质疑[3,4]。
目前被广泛接受的最早古蛋白证据包括：350万年前古巨骆驼的胶原蛋白序列（发现于加拿大努纳武特地区）[5]；190万年前步氏巨猿臼齿中的牙釉质蛋白（发现于中国广西田东吹风洞）[6]。这些研究为更早期化石分子分析奠定了方法基础。
2025年7月9日，《自然》杂志同时刊发两项研究，分别来自哥本哈根大学与哈佛大学团队。二者均聚焦于牙釉质中保存的古蛋白，分别在加拿大北极霍顿陨石坑与肯尼亚图尔卡纳盆地发现千万年前的蛋白质序列，可能打破此前350万年的蛋白“年龄”记录[7,8]。
两篇发表于《自然》的论文（上为下文提及的“第一篇”）
牙釉质是脊椎动物体内上最坚硬、最致密的组织，也是保存古蛋白的理想材料。研究人员首先把牙釉质研磨成粉末，通过化学试剂脱矿处理后提取出其中残留的古蛋白并进行质谱分析。为了排除现代污染，他们确认了随着时间推移而产生的蛋白质损伤，这是成岩作用过程中产生的典型特征。
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2100万年前的北极犀牛古蛋白
在第一篇论文中，哥本哈根大学的研究团队报告了从距今约2100万~2400万年的犀牛近亲的牙釉质（牙齿的矿化外层）中提取到的蛋白质。这块化石于1986年在加拿大北极高纬度地区的一个岛上被发现。在2024年的一篇预印本研究中，它被归为一个已灭绝的新犀牛物种——
Epiaceratherium itjilik
研究团队利用质谱法（通过检测蛋白质片段的质荷比）来推断其组成。他们从7种牙釉质蛋白中鉴定出部分序列，总共包含至少251个氨基酸。
通过将这些蛋白序列与现存犀牛及其两个冰河时期近亲的基因组数据进行整合分析后，研究团队绘制出一张新的进化树。他们发现：这个化石代表的犀牛支系比目前已知的所有其他犀牛分支分化得更早，其分化时间可追溯至4100万至2500万年前。此外，数据还为新近关于犀牛两个主要亚科Elasmotheriinae和Rhinocerotinae之间分歧时间的研究提供了新见解，表明它们在渐新世（约3400万至2200万年前）的分歧时间可能比仅基于骨骼特征分析的一些先前估计要晚。
研究的成功归因于两个关键因素：组织的选择和化石的独特保存环境。牙釉质是脊椎动物体内最硬组织，可形成稳定“保护壳”；霍顿陨石坑地处极地冻土，气候干冷、降解缓慢，为蛋白保存提供理想环境。
霍顿陨石坑气候干旱寒冷。图片来源： Martin Lipman
该研究的通讯作者之一、哥本哈根大学的古遗传学家Enrico Cappellini表示：“我们开启了分子古生物学的新篇章。想象一下用分子数据来理解生活在数千万年前的生物，现在我们可用分子数据追踪远早于古DNA‘可及年代’的生物生命信息。”[10]
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热带也保存了千万年前的古蛋白
在另一篇论文中，哈佛大学与美国史密森尼学会（Smithsonian Institute）的研究人员同样聚焦于古老的牙釉质蛋白。研究以肯尼亚图尔卡纳盆地的犀牛类和长鼻类动物为对象，利用质谱蛋白质组学技术分析牙釉质中的古蛋白，揭示了这些动物的系统发育关系并展示了蛋白质分子在高温环境中长期保存的潜力。
图尔卡纳盆地位于东非大裂谷，是非洲最关键的哺乳动物化石富集地之一，也是人类起源研究的重镇。
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图尔卡纳盆地是地球上最热的地方之一，但它出土了一些保存下来的蛋白质。来源：丹尼尔·格林
这些化石的时间跨度巨大，较年轻的样本可追溯到约150万年前，更古老的样本来自约1800万年前的遗址。
该论文的第一作者兼通讯作者之一、哈佛大学人类进化生物学系的Daniel Green对《赛先生》表示：“我们对两项研究的结果都有巨大的信心，它们共同确证了古生物学界一直以来的怀疑——即蛋白质片段可以在化石记录里存在很长一段时间，实际可能有几千万年之久。两篇论文直接证明了蛋白质序列可以用来研究已灭绝生物的演化关系。”他指出，在化石中提取的古蛋白对于研究已灭绝生物有着无限可能。
Daniel Green没有参与加拿大的这项研究。他表示，“加拿大研究从在更冷环境生存、死亡并化石化的古老的犀牛收获了大量的牙釉质，并使用了一种更传统的发现和分析蛋白质的方法。”
而相比起加拿大研究，Green介绍，图尔卡纳盆地的研究从不同时期的不同化石中提取了更少量的牙釉质，因此使用了一种更新的蛋白质发现和分析方法，而这需要大量计算能力。
“我们看到在更久远的化石中肽段（即蛋白质降解过程中留下的短小片段）数量也变少，我们甚至能够对蛋白质随着时间推移而分解的过程进行建模——这是古生物学和古蛋白质组学界长期以来的目标。”Daniel Green告诉《赛先生》。
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热带样本的可信度引发争议
然而，不同于寒冷的加拿大北极地区，非洲的图尔卡纳盆地常年高温，极不利于蛋白质长期保存。因此，一些未参与此项研究的科学家对该项研究抱怀疑态度。
剑桥大学生物分子考古学家Matthew Collins等人在接受《科学》杂志采访时表示，该论文中使用的肽发现方法，即所谓的数据独立采集（DIA），已被证明适用于更年轻的样本，但为了将其应用于古代蛋白质，作者不得不对氨基酸如何随时间分解和变化做出大量假设。批评人士认为，这些假设使得数据容易出错且不可信。[11]
兰州大学的古蛋白专家、夏河丹尼索瓦人的主要研究者之一夏欢教授向《赛先生》解释说，哥本哈根大学和哈佛大学两个团队采用的分析方法确实存在差异。
“正如Matthew Collins所提到的，Green等用的DIA（数据非依赖性采集）方法是不加选择的全面扫描，获得的信息会很多但也会很杂，怎么处理是关键。”夏欢表示，“Green等所做的‘氨基酸如何随时间分解和变化’的假设，主要是为了更有效地提取古蛋白信号。然而，这些假设可能会引入一些数据噪音，从而增加数据误判的风险，尽管他们说之前有对其他标本做过DDA（数据依赖性采集）和DIA的对比实验，但大家还是会有这方面的担心。未来可能需要更多独立团队重复验证。”
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古蛋白分析的潜力尚待挖掘
“古蛋白几乎可以解锁整个人类谱系的演化树。”Matthew Collins在2019年接受《自然》杂志采访时表示。[9]
确实，在用古蛋白方法确定夏河人为丹尼索瓦人之后，研究人员最近又以此相继确定了澎湖人和哈尔滨头骨为丹尼索瓦人。
夏欢对Matthew Collins的说法表示赞同。她表示，此前的300万年蛋白提取成功案例，已涵盖人类演化史的主要阶段。如今将尺度扩展至2000万年以上，说明分子工具的适用范围更广。但这也对保存条件、技术手段提出了更高的要求。
人类数百万年的生命之树，如今有望在21世纪通过古DNA和古蛋白技术被逐步解密。古蛋白的应用已扩展至其他动物，包括灭绝已有6500万年的恐龙，在今天科学家看来，这也已不再是科幻。
参考文献：
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-022-05453-y
[2] https://www.nature.com/articles/s41586-021-03224-9
[3] https://www.science.org/doi/10.1126/science.1138709
[4] https://www.science.org/doi/10.1126/science.1165069
[5] https://www.science.org/content/article/scientists-retrieve-80-million-year-old-dinosaur-protein-milestone-paper
[6] https://www.nature.com/articles/ncomms2516
[7] Paterson, R.S., Mackie, M., Capobianco, A. et al. Phylogenetically informative proteins from an Early Miocene rhinocerotid. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09231-4
[8] Green, D.R., Uno, K.T., Miller, E.R. et al. Eighteen million years of diverse enamel proteomes from the East African Rift. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09040-9
[9] Matthew Warren, Ancient proteins tell their tales, Nature 2019
[10] https://www.iflscience.com/recovery-of-24-million-year-old-protein-fragments-from-extinct-animal-opens-new-chapter-of-biology-79930
[11] https://www.science.org/content/article/record-setting-recovery-ancient-protein-used-identify-extinct-rhino-relative
来源：赛先生
编辑：未
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