尼安德塔人與穿越時代的腸道菌!與古代人共生,是怎樣的微生物?  原載於泛科學

人體內外住著許多微生物,腸道、皮膚、生殖器官、口腔等部位有不少微生物與人共生,可謂小小生態系。這些迷你生物們種類繁多,多半無法人為培養,從前難以研究。

006

圖/取自 PHIL MARDEN

 

受惠於科技進步,如今可以直接定序樣本中所有 DNA,拼湊不同生物的基因組。因此即使是無法培養、甚至是前所未知的微生物,都有機會被新的辦法找到。

 

同樣概念也能用於古時候的樣本,了解古代的共生微生物。最近有 2 篇論文發表,分別探討和古代人類共生的口腔與腸道菌。

 

從牙結石獲得古代口腔微生物

 

研究古人口腔中的微生物,比研究皮膚、腸道等其他部位容易。這是因為軟組織很難保存,即使有軟組織,除了冰人奧茲等罕見案例之外,裡頭的微生物也很難留下蹤影;相較之下,口腔中的各種成分卻常常會進入牙結石,和牙齒一同遺留至今。

 

過往曾有一些古代智人牙結石的研究問世,而距今數萬年之久的尼安德塔人,也有過幾件樣本發表。

 

這次的兩篇新論文,除了 15 個已知樣本之外,又獲得 109 個新的牙結石;這總共 124 件的樣本,分別來自美洲的吼猴,非洲的大猩猩、黑猩猩,數萬年前的尼安德塔人和智人,以及更近期的智人。[1, 2]

 

002

貢獻牙結石樣本的古代、現代智人們。圖/取自 [參考資料 1]

 

各種靈長類動物之間,有些共通的微生物款式,由此可以推論,某些微生物,與靈長類應該有著長期的共生關係,也許超過千萬年。口腔中的微生物,主要有鏈球菌屬(Streptococcus)、放線菌屬(Actinomyces)、細梭菌屬(Fusobacterium)、棒狀桿菌屬(Corynebacterium)幾大類。

 

研究微生物常常碰到的困難是,近親彼此間變化太多,也有很多不知道的款式。這回由人類牙結石取得的口腔微生物們,根據遺傳差異總共可以歸類為 27 個屬(genus)的層級,可是其中 3 群竟然連名字都沒有。

 

也就是說,儘管它們曾經是人類口中主要的微生物,整個屬卻都沒有已知的資訊。對於共生微生物,還有太多未知之處。

 

003

貢獻牙結石樣本的尼安德塔人們。圖/取自 [參考資料 1]

 

歐洲智人與尼安德塔人,口腔共享微生物?

 

這回獲得年代最早的樣本,是距今約 10 萬年的尼安德塔人,來自東歐的塞爾維亞 Pešturina 遺址,其餘數萬年前的尼安德塔人,則位於西班牙、比利時、義大利。

 

有趣的是,早於 1.4 萬年前的歐洲智人,和更早的尼安德塔人有類似的口腔微生物組成;晚於 1.4 萬年的歐洲智人卻明顯不同,接近後來的智人。已經知道距今 1.4 萬年過後有不少移民進入歐洲。看來狀況是:不同人群,也攜帶不同的口腔微生物。

 

歐洲較早智人的口腔微生物,和尼安德塔人有直接關係嗎?口腔微生物的形成和寶寶的照顧者有關,研究者因此推論,當初進入歐洲見到尼安德塔人的智人,雙方有過小孩,也獲得了尼安德塔人的口腔微生物。[3]

 

004

超過 4 萬年的歐洲智人(以 Zlatý Kůň 為代表)和後來歐洲、亞洲人的遺傳關係。非洲以外的智人尚未分家以前,已經與尼安德塔人發生遺傳交流;但是歐洲較晚的智人,遺傳上和較早的智人移民沒有直接關係。圖/取自 A bumpy ride to the re-discovery of Zlatý Kůň

 

問題是,上述推論不符合已知證據。智人繼承的尼安德塔人 DNA 皆來自超過 5 萬年前,非洲外族群尚未分家以前的階段。超過 4 萬年前進入歐洲的智人,確實見過尼安德塔人,有些人還有過更多遺傳交流;但是他們後來都滅團了,和更晚的歐洲智人沒有直接關係。[4, 5]

 

與尼安德塔人擁有類似口腔微生物,距今 1.4 到 3 萬多年前的歐洲智人,非常可能是在尼安德塔人消失以後才進入歐洲,其實沒有見面的機會。雙方的口腔微生物之所以相似,我想並非來自直接交流,而是另有原因。

 

即使沒有農業,智人與尼安德塔人都吃很多澱粉?

 

另一項值得一提的發現是,尼安德塔人與智人的口腔,都存在不少會消化澱粉的鏈球菌型號。如果飲食中沒什麼澱粉,這類微生物不太可能這麼豐富;由此推論,尚未發明農業的智人,甚至是尼安德塔人,或許平時都攝取不少澱粉。

 

005

美國的猶他,富含澱粉的野生馬鈴薯 Solanum jamesii。考古研究發現,尚未出現農業的一萬年前,當地人已經會食用這種植物。圖/取自 Starch granule evidence for the earliest potato use in North America

 

古今的智人飲食可謂千變萬化,即使沒有米、麥、玉米等農作物,不依賴農業,光憑採集塊根、塊莖、果果等食物,也能獲得大量澱粉。

 

至於尼安德塔人吃什麼,目前了解仍很有限。有些研究認為尼安德塔人主要吃肉,尤其是大型植食動物的肉。這回提出的大量澱粉,仍是需要驗證的論點。

 

我個人的想法是,即使沒有農業,仰賴所謂的採集、狩獵、漁業,不同時空的智人飲食也差異很大,尼安德塔人或許也是如此。有些吃肉當主食,有些大量攝取澱粉,搞不好更接近實際狀況。至今取樣非常有限下,難以評估尼安德塔人的飲食多元性。

短篇 北美洲最早被吃掉的野生馬鈴薯,在一萬多年前的猶他

原產於美洲的番薯,是被洋流還是被人帶到太平洋島嶼的?

短篇 南非17萬年前,悶燒「非洲馬鈴薯」小金梅草根莖

 

001

尼安德塔人會吃草嗎?圖/取自 Mauricio Anton

 

一千多年前美洲古人的腸道菌

 

住在腸道的微生物們會影響消化、免疫等功能,近年來知名度大增,可能連榕樹下的阿伯都知道。

 

近日發表的另一項研究,獲得了距今 1000 到 2000 年前,幾位美洲古人的腸道菌。取樣腸道菌通常不會深入腸道,而是由糞便採樣。新研究也是如此,稀有的樣本來自美國西南部 3 處遺址的糞便化石。[6, 7, 8, 9, 10]

 

研究者嘗試 15 個樣本,成功 8 個,定序當中所有 DNA 後,總共拼湊出 498 種細菌的基因組。這兒想要探索的對象是「古代」「腸道菌」,排除疑似非古代的樣本後剩下 209 個,其中只有 181 種源自腸道,最有機會真的是古代人的腸道菌。

 

微生物數量多、突變多,品系差異千變萬化,大部分不在人類的認知內;這類研究方法又是靠拼湊 DNA 推測,沒有獲得完整的真正細菌。因此這兒的「種」和一般講的物種不太ㄧ樣,指的是 species-level genome bin,簡稱 SGB。為求方便,本文直接寫成種。

 

181 種古代腸道菌中有 39%,也就是 61 種之前沒有見過。它們或許已經消失,或是古代美國西南部獨特的款式。探索古代微生物時,發現未知的微生物算是常態。

 

007

古代與現代的史密斯甲烷短桿菌,根據基因組差異建構的演化樹。紅色是來自古代美洲人的樣本。圖/取自 [參考資料 6]

 

呼應人類大歷史的腸道共生關係

 

古代和 789 位現代人相比,大部分腸道菌種類還是共通的,不過遺傳上有點出入。古代樣本拼湊出 2 款 Methanobrevibacter smithii,中文姑且稱之為「史密斯甲烷短桿菌」。甲烷短桿菌常常在腸道發現,它們不是細菌,是古生菌(archaea,也叫作太古生物)。

 

超過一千年的 2 款史密斯甲烷短桿菌,遺傳上彼此最相似,落在現代樣本的 DNA 變異之內。估計所有這類古生菌共同祖先的年代,介於距今 5.1 到 12.8 萬年之間,平均 8.5 萬年前。似乎是智人祖先離開非洲時,裝在肚子裡,一起帶著走的腸道菌之一。

 

有意思的是,美洲古代古生菌和最近同類分家的年代,介於距今 1.6 到 4 萬年之間,平均 2.7 萬年前。倘若估計正確,大概落在智人移民美洲,與亞洲漸漸分家的年代範圍。

 

這些與人共生的微生物,也隱藏著遷徙移民史的線索。

 

008

在 PCA 之下的腸道菌組成,古代美洲人較類似非工業化社會的現代人,不像工業化社會的現代人。圖/取自 [參考資料 7]

 

尚未工業化,沒有抗生素的年代

 

生活環境、日常飲食,都是影響腸道菌組成的主要原因。和 789 位現代人相比,古人的腸道菌較接近非工業化社會的人,和工業化社會的人差異很明顯,符合預期。

 

基因層次上,工業化社會現代人的腸道菌,有比較多分解聚糖(glycan)的基因(endo-4-O-sulfatase、SusD-like protein)。

 

相對地,古人和非工業化現代人的腸道菌,則有較多分解澱粉、肝糖(glycogen)的基因(carbohydrate-active enzyme,簡稱 CAZyme);另外它們的可動遺傳因子也比較多(mobile genetic element,例如轉座子),也許在變動的環境下,有助於增加適應力。

 

但是不論工業化或非工業化社會的現代人,腸道菌配備對抗抗生素的基因,都明顯比古人更多。讓我們一瞥抗生素廣泛使用後,對腸道菌的影響。

 

上述兩項研究,不管論點有無道理,樣本都相當難得,肯定是酷炫的研究!

 

短篇 由尼安德塔人牙結石獲取DNA,研究飲食習慣

尼安德塔人與穿越時代的腸道菌!與古代人共生,是怎樣的微生物?

瑞典棕熊牙結石中的微生物,受到抗生素影響

短篇  尼安德塔人,主要吃肉肉

沒有化石沒關係,從泥土也能取得尼安德塔人DNA!

歐洲最早的智人時尚 Runway 在哪裡?在4.6萬年前的保加利亞啦

最初移民歐洲的智人,與尼安德塔人情慾交流,但是後來滅團

超過4.5萬年捷克金馬小姐,最古早已知智人DNA

羅馬尼亞3.5萬年前PM小姐,保有智人遺傳多樣性

反映古早人遷徙的胃幽門螺旋桿菌

 

1. Yates, J. A. F., Velsko, I. M., Aron, F., Posth, C., Hofman, C. A., Austin, R. M., … & Warinner, C. (2021). The evolution and changing ecology of the African hominid oral microbiome Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(20).

2. Turns out developing a taste for carbs wasn’t a bad thing

3. The surprising evolutionary history of our oral bacteria

4. Hajdinjak, M., Mafessoni, F., Skov, L., Vernot, B., Hübner, A., Fu, Q., … & Pääbo, S. (2021). Initial Upper Palaeolithic humans in Europe had recent Neanderthal ancestry. Nature, 592(7853), 253-257.

5. Prüfer, K., Posth, C., Yu, H., Stoessel, A., Spyrou, M. A., Deviese, T., … & Krause, J. (2021). A genome sequence from a modern human skull over 45,000 years old from Zlatý kůň in Czechia. Nature Ecology & Evolution, 1-6.

6. Wibowo, M. C., Yang, Z., Borry, M., Hübner, A., Huang, K. D., Tierney, B. T., … & Kostic, A. D. (2021). Reconstruction of ancient microbial genomes from the human gut. Nature, 1-6.

7. Ancient human faeces reveal gut microbes of the past

8. Ancient gut microbiomes may offer clues to modern diseases

9. Research reveals ancient people had more diverse gut microorganisms

10. Piles of ancient poop reveal ‘extinction event’ in human gut bacteria

 

歡迎光臨粉絲團一起討論盲眼的尼安德塔石器匠

arrow
arrow
    全站熱搜

    尼安德塔人 發表在 痞客邦 留言(0) 人氣()