牙齿化石研究表明 气候变化对史前人类的人口结构产生了重大影响

冰河时期狩猎采集群体的艺术再现。图片来源：© Tom Björklund

一个国际研究小组利用迄今为止最大的冰河时期欧洲人类化石数据集，展示了史前狩猎采集者在距今4.7万年至7000年期间是如何应对气候变化的。根据8月16日发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上的研究报告，在最寒冷的时期，人口数量急剧下降，在西部，冰河时期的欧洲人甚至面临灭绝。

首席研究员、德国图宾根大学森肯贝格人类进化与古环境中心的汉内斯-拉特曼博士与图宾根大学、意大利费拉拉大学和美国纽约大学的同事合作，开发了一种基于机器学习算法的化石分析新方法。

大约 4.5 万年前，第一批现代人在上一个冰河时期迁徙到欧洲，标志着所谓的"上旧石器时代"的开始。这些早期人类一直居住在欧洲大陆上--甚至在大约 2.5 万年前所谓的"末次冰川最盛期"，当时冰川覆盖了欧洲北部和中部的大部分地区。

德国南部 Hohlenstein-Stadel 洞穴中的三个人类头骨，年代约为 8500 年前，很可能属于一个家庭：一个男人（左）、一个女人（右）和一个孩子（中）。图片来源：© 图宾根大学骨骼收藏馆

"长期以来，考古学家一直在争论气候变化和相关的新环境条件对当时狩猎采集者人口结构的影响。"该研究的第一作者、图宾根大学森肯贝格人类进化与古环境中心的汉内斯-拉特曼（Hannes Rathmann）博士解释说："由于可获得的化石数量有限，而且用于古DNA分析的化石分子保存状况往往很差，因此很难就气候因素对迁徙、人口增长、减少和灭绝的影响得出结论。"

因此，拉特曼与来自意大利、美国和德国的研究小组一起，选择了一种新的方法来澄清这个问题：研究小组没有分析少数零散的史前个体的古DNA，而是研究了他们的牙齿。牙齿是人体最坚硬的组织，因此也是考古学家最常发现的骨骼化石。

这使他们能够收集到前所未有的数据集，其规模远远超过以往的骨骼和基因数据集。拉特曼解释说："我们新收集的数据包括来自欧洲各地的450名史前人类的牙齿数据，时间跨度为4.7万年前至7000年前。

研究人员重点研究了牙齿的"形态"特征--牙齿内部的微小变化，如牙冠尖突的数量和形状、咀嚼面上的脊和沟纹，或智齿的有无。

拉特曼解释说："这些特征是可以遗传的，这意味着我们可以利用它们来追踪冰河时代人类之间的遗传关系，而不需要保存完好的古代DNA。由于这些特征可以用肉眼观察到，研究小组还研究了数百张公开发表的化石照片。研究牙齿特征的历史照片尤其令人兴奋，因为这使我们能够将那些不幸已不复存在的重要化石包括在内，例如那些在第二次世界大战期间丢失或毁坏的化石。"

研究结果表明，在大约 4.7 万年前到 2.8 万年前的"中全冰期"，西欧和东欧的人口在基因上联系紧密。"这一发现与我们之前从考古学研究中获得的知识是一致的，考古学研究发现不同地区的石器、狩猎武器和便携式艺术品具有广泛的相似性，"该研究的合著者、图宾根大学 DFG 高级研究中心"文字、骨骼、基因、工具"的朱迪斯-拜尔（Judith Beier）博士解释说。

在这一时期，欧洲的大部分地区都是开阔的大草原，可以养活大批哺乳动物--这是狩猎采集者的主要食物来源。这些条件很可能有利于人口的相互联系。

在随后的时期，即 2.8 万年前至 1.47 万年前的"晚期严冰期"，研究人员发现西欧和东欧之间没有遗传联系。此外，分析表明，这两个地区的人口数量大幅减少，导致遗传多样性丧失。

"这种人口结构的剧烈变化很可能是由巨大的气候变化引起的。"图宾根的科学家解释说："这一时期的气温降到了整个上旧石器时代的最低值，并在末次冰川极盛时期达到顶峰，当时的冰原面积达到最大，覆盖了欧洲北部和中部的大部分地区。气候的恶化导致植被从草原地貌转变为以苔原为主的地貌，这影响了猎物的栖息地，进而影响了以猎物为生的狩猎采集者，"Rathmann 解释道。

研究结果支持了一个长期存在的理论，即种群不仅被不断推进的冰原驱赶向南迁移，而且还被分隔到环境条件更为有利、基本上与世隔绝的避难所。这项研究的另一个重要发现是，在从中期冰川向晚期冰川过渡时，西欧的种群灭绝了，取而代之的是一个从东欧迁徙而来的新种群。

晚期延冰期过后，气温稳步回升，冰川消退，草原和森林植被恢复，以前被遗弃的地区开始重新定居。研究小组观察到，在这一时期，西欧和东欧以前与世隔绝、数量大幅减少的种群数量开始恢复增长，地区间的迁徙也重新开始。

"基于我们称之为 Pheno-ABC 的全新机器学习算法--使我们首次能够利用形态学数据重建复杂的史前人口事件。据我们所知，这在以前从未实现过，"共同第一作者、来自费拉拉大学的玛丽亚-特雷莎-维扎里（Maria Teresa Vizzari）博士说，她在该算法的开发过程中发挥了关键作用。

这一新的分析工具可以从众多测试结果中找出最有可能的人口构成方案。据研究人员称，Pheno-ABC 方法可能会在未来彻底改变对化石骨骼形态的分析。

"我们的研究为了解冰河时期欧洲人的人口历史提供了重要线索，并凸显了气候和环境变化对史前人类生活的深远影响。如果我们想解决未来复杂的环境问题，我们就应该迫切地从我们的过去吸取经验教训，"Rathmann 最后补充道。

编译自/scitechdaily