學術爭鳴｜「鹿牙」烏龍「人牙」 ——對「古DNA和多種測年方式證實現代人晚到達中國南方」一文的評論
2021年2月9日，南京大學地理與海洋科學學院孫雪峰、復旦大學生命科學學院李輝等在《美國科學院院報》（PNAS）發表題為「古DNA和多種測年方式證實現代人晚到達中國南方（Ancient DNA and multimethod datingconfirm the late arrival of anatomically modern humans in southern China）」的論文，提出現代人抵達中國南方的時間不早於距今5萬年前，否定以往認為的現代人在距今8-12萬年前已在東亞大陸出現的觀點。文章證據之一是：孫雪峰等2019年在湖南省道縣福岩洞發現了兩枚「人類牙齒」。通過對這兩枚「人類牙齒」進行古DNA分析和加速器質譜碳十四年代測定，構建了人群關係的系統演化樹，得出「道縣人類的DNA位於現代歐亞人類譜系範圍，與現代藏緬人群可能具有遺傳上的聯繫，他們根本就不是十多萬年以前的人類，距今僅有9000多年的歷史」的結論。
發現福岩洞地點並承擔發掘及相關專業研究的團隊成員（以下簡稱「福岩洞研究團隊」）認真研讀了這篇論文並核對了相關數據，發現該研究在年代樣品採集的可靠性、「人類牙齒」來源及分類鑒定、古DNA提取與分析、碳十四年代測定等多方面都存在問題。其中最嚴重的問題是，文中所提及的在福岩洞發現的兩枚「人類牙齒」鑒定錯誤，其中一枚是鹿的門齒，孫雪峰、李輝等在這枚鹿牙齒中提取出「人類」線粒體DNA。這些問題的存在使得該項研究的結果完全不可信。為此，福岩洞研究團隊對孫雪峰、李輝等人的研究及論文撰寫了質疑評論，列舉了該文存在的主要問題。英國牛津大學碳十四加速器中心主任(Director, Oxford Radiocarbon Accelerator Unit) Tom Higham與德國馬普學會人類歷史科學研究所(Max Planck Institute for the Science of Human History)碳十四年代測定專家Katerina Douka也聯名給PNAS寫信對孫雪峰等人的文章中碳十四年代研究提出質疑。5月25日，PNAS發表了上述質疑評論，同時刊登了孫雪峰等人的回復。福岩洞研究團隊的相關質疑和評論如下：
01
「人類牙齒」來源不清、鑒定錯誤
孫雪峰等在文章中表述2019年其在福岩洞發現兩枚「人類牙齒」，分別編號為FY-1HT和FY-2HT（但在文章不同地方孫雪峰等又將這兩枚牙齒分別編號為FY-HT-1、FY1以及FY-HT2、FY-HT-2、FY2）。但這篇論文的作者中沒有任何一人參加過我們團隊2010-2013年福岩洞的發掘工作，也沒有諮詢過我們團隊從事專業研究的成員。文章除提供了一張一人手持一枚似乎為「牙齒」的低解析度照片外，未提供發現「人類牙齒」具體位置的準確信息，卻認定這兩枚「人類牙齒」與我們團隊在福岩洞發現的47枚人類牙齒來自相同地層層位。
在文章中，孫雪峰等對其發現的兩枚「人類牙齒」未提供任何最基本的牙齒形態鑒定信息，比如，這兩枚「人類牙齒」是上頜牙齒還是下頜牙齒、牙齒類別（門齒、犬齒、前臼齒、臼齒）、左側還是右側、牙齒形態、牙齒尺寸等；也未對這兩枚牙齒與相關古人類及現代人進行對比分析；更沒有指出與我們團隊在福岩洞發現的哪一類、具體哪一件人類牙齒標本做過對比。以這種缺乏最基本的化石形態鑒定與研究規範，未提供任何牙齒鑒定和形態分析數據的方式，孫雪峰等卻能得出其發現的兩枚「人類牙齒」明顯屬於解剖學意義上的現代人，處於我們團隊此前發現的47枚人類牙齒大小和形態變異範圍內的結論(文章第四頁：The human teeth, which are clearly AMH and fit metricallyand morphologically within the range of earlier finds from the site)。這樣的結論沒有任何依據。
2011-2013年在福岩洞發掘期間，我們團隊發現了大量草食性動物牙齒。經過仔細觀察與對比，並請相關第四紀哺乳動物專家鑒定，我們團隊認為孫雪峰等描述的這兩枚「人類牙齒」中編號為FY-2HT（FY-HT2、FY-HT-2、FY2）的牙齒並不是人類牙齒，而是小型草食類動物的門齒（鹿、羊或者麂等）,最接近鹿類的門齒（圖1,圖2）。
孫雪峰等發現的這枚牙齒的主要特徵及其與人類牙齒的區別是（圖1 A; 圖2 A）：(1) 牙齒磨耗主要表現在齒冠舌側，而不在牙齒切緣。這是草食類動物的牙齒特徵；(2) 儘管牙齒磨耗較嚴重，但沒有呈現牙齒鄰接面磨耗痕迹。而在切緣和舌側呈現這樣程度磨耗的人類牙齒，一般都會出現鄰接面磨耗；(3) 這枚牙齒齒冠近中-遠中方向細而窄。這種特徵與人類門齒冠近中-遠中方向較寬闊的特徵不同；(4) 這枚牙齒齒冠較高，齒尖頂部傾斜，齒根明顯彎曲。這些是草食類動物，鹿類門齒的典型特徵，與人類下頜門齒牙齒齒冠頂端平直、與齒根基本呈垂直方向、齒冠在近中-遠中方向較寬，向兩側拓展的形態特點完全不同。
圖1.孫雪峰等在福岩洞發現的牙齒與鹿牙對比.（A）引自Sun et al. 2021；（B）道縣2012年出土的鹿類門齒；（C）附著在現生鹿下頜骨上的門齒及犬齒
圖2.孫雪峰等在福岩洞發現的牙齒同人類牙齒對比.（A）引自Sun et al. 2021；（B）道縣2012年發現的人類下頜側門齒；（C）黃龍洞2006發現的人類上頜中門齒
針對我們團隊提出的「FY-HT-2應該是鹿牙」的一系列形態證據，孫雪峰等在回復中沒有逐一回答。他們只是指出FY-HT-2齒冠釉質大多磨損，無法復原出與鹿牙齒相似的磨耗特點；同時提供了一枚從考古遺址出土的人類牙齒照片做對比，以此證明其與FY-HT-2形態一致。孫雪峰等進一步指出在FY-HT-2中提取出人類DNA就可以證明其是人類牙齒(asconfirmed by DNA analyses)。
事實上，儘管FY-HT-2存在齒冠釉質磨損，但這枚牙齒與鹿牙齒相似的舌側磨耗特徵仍清晰可辨，多位國外學者都注意到了這個特徵。反向推測，即便假設FY-HT-2屬於人類個體，根據齒根形態推測其應為年輕個體，磨耗首先應出現在切緣，不可能呈現與年齡不一致的如此嚴重舌側磨耗。通過觀察孫雪峰等在回復中提供的這枚從考古遺址出土的人類牙齒形態，我們團隊發現其呈現一系列人類特徵，而與FY-HT-2及鹿牙形態明顯不同。這些特徵包括：齒冠寬闊（尤其靠近切緣），而鹿門齒齒冠狹窄；側面觀，齒根向根尖呈明顯縮窄趨勢，而鹿門齒齒根側面觀上下寬度接近；齒根向遠中方向輕微彎曲，沒有達到鹿門齒整個齒根彎曲的程度；齒根呈錐體狀形態，而鹿門齒齒根呈扁平狀形態。
關於孫雪峰等發現的另一枚編號為FY-1HT（FY-HT-1、FY1）的「人類牙齒」，經我們團隊根據文章提供的照片進行形態鑒定，認為其為人類右側上頜第三臼齒。這枚牙齒保存狀態良好，齒根尚未完全形成；正在形成中的齒根上端邊緣形態與結構清晰，幾乎沒有地層埋藏磨蝕及動物啃咬的痕迹。而我們團隊此前在福岩洞發現的人類牙齒及動物牙齒均呈現明顯的地層埋藏磨蝕及動物啃咬痕迹。因此，這枚編號為FY-1HT（FY-HT-1、FY1）的牙齒與我們團隊在福岩洞發現的人類牙齒經歷了兩種不同的埋藏歷史，孫雪峰等認為其發現的「人類牙齒」及動物牙齒與我們團隊此前在福岩洞發現的47枚人類牙齒代表「相同的樣本來源」的觀點令人懷疑。
針對我們團隊提出的FY-1HT（FY-HT-1、FY1）與此前發現的47枚人類牙齒關係的質疑，孫雪峰等給出的回復是：這枚牙齒的保存狀態與此前發現的人類牙齒不能區分，但明顯處於變異範圍內(RegardingFY-HT-1, its preservation is visually indistinct from existing samples. Butwithin sample variation is clear, and expected)。在2015年的文章中，我們團隊對發現的每一枚牙齒的保存狀態都做了詳細描述並提供了清晰照片，這也是對古人類牙齒化石研究的最基本規範和要求。而孫雪峰等只是簡單回復，未提供任何證據，比如與47枚牙齒中的哪一枚做了對比、對比了哪些特徵等，因此不具有說服力。
02
從鹿牙中提取出人類DNA，
構建人類系統演化樹
孫雪峰等在文章中描述了在牙齒中提取古DNA的取樣方法：為避免污染，李輝領導的復旦大學實驗團隊在每枚「人類牙齒」根部鑽一小洞，獲取內部微量骨粉以提取古DNA信息。然而如其論文中圖1所示，編號為FY-1HT（FY-HT-1、FY1）的牙齒沒有齒根，李輝等如何鑽孔並獲得骨粉，我們團隊感到疑問。而對編號為FY-2HT（FY-HT2、FY-HT-2、FY2）的鹿類牙齒如何鑽孔獲取骨粉，孫雪峰、李輝等並未提供在其齒根鑽孔的照片等證據。更不可思議的是，孫雪峰、李輝等在這枚編號為FY-2HT（FY-HT2、FY-HT-2、FY2）的鹿類牙齒中提取到「人類」線粒體DNA。他們利用從鹿牙中提取的「人類」線粒體DNA序列與53例不同地區的現代人、10例解剖學意義上的現代人、10例尼安德特人、1例西班牙Atapuerca SH地點出土的更新世中期古人類以及1例黑猩猩線粒體DNA序列進行對比分析，並建立了這枚鹿牙代表的「人類」個體與這些對比樣本關係的系統演化樹。
根據構建的系統演化樹，孫雪峰、李輝等認為從鹿牙中提取的「人類」古DNA位於現代歐亞人類譜系範圍(文章第二頁：Fuyan mtDNA fellwithin the variation of present-day Eurasian lineages)，並以此得到「驚人的」重要的發現：在現代藏緬人群中檢測到從這枚鹿牙中提取到的「人類」線粒體DNA，揭示在福岩洞發現的鹿牙與現代藏緬人群可能具有遺傳上的聯繫(文章第二頁：Surprisingly, the mtDNA lineage found in the Fuyan sample FY-HT-2 has been detected in living Tibeto–Burman populations, revealing potential genetic links tothem (Fig. 2II))！
03
年代測定
孫雪峰等分別採用不同技術的釋光測年手段測定福岩洞洞穴鬆散堆積物年代、不平衡鈾（U）系方法測定鈣板年代、加速器質譜放射性碳（AMS 碳十四）測年方法測定哺乳動物化石和「人類牙齒」年代。結合古DNA證據，孫雪峰等提出加速器質譜碳十四測年方法能夠獲得「人類牙齒」的真實年代，進而將在福岩洞發現的編號為FY-2HT（FY-HT2、FY-HT-2、FY2）的「人類牙齒」生存年代確定為9290-9470年前。
通過仔細閱讀該文及相關的補充材料，我們團隊認為其用於加速器質譜碳十四測年方法測定年代的「人類牙齒」及動物化石除地層採集位置與2015年報道發現人類化石的地層位置是否相同無法確認，此外，其開展的「人類牙齒」、動物牙齒和骨骼加速器質譜總有機碳（TOC)碳十四測年的前處理流程並不清楚，很難確定測年結果的可靠性。文中引用的文獻97是關於有機質轉化為二氧化碳併合成石墨靶的文獻，並沒有化石牙齒和骨骼提取總有機碳的前處理方法。而文中引用的文獻86也不是合成石墨靶的文獻，而是有關光釋光測年的文獻。由於缺乏前處理方法的描述，讀者無法確定除有機膠原蛋白外，在骨骼和牙齒檢測的總有機碳的其他成分類型，因為孫雪峰等獲得的C/N比值(在編號為FY-HT-2的「人類牙齒」為46.2)遠高於牙齒和骨骼化石中適合於碳十四年代測定的有機膠原蛋白的C/N比值(2.9-3.6,DeNiro,1985,Nature;或者3.1-3.5,Klinken,1999,JAS)。同時，用於測年的福岩洞人類牙齒化石（FY-HT-1）的碳百分含量達到了2.3，也遠高於現代牙釉中的0.1-0.8的碳百分含量。此外，該文中絕大多數有機膠原蛋白測年樣品都沒有提供C/N比值，年代可靠性有待進一步確認。這些數據提示孫雪峰等人的年代測試樣品可能經歷了後期改造或者污染，因此他們的加速器質譜碳十四測年方法獲得的年代數據的可信程度還值得商榷。英國牛津大學碳十四加速器中心主任Tom Higham教授是AMS碳十四年代測定領域的權威，對許多更新世晚期古人類化石地點做過年代測定。他在5月25日和德國馬普學會Katerina Douka同期發表的評論信中，同樣提出了上述問題。
負責福岩洞化石AMS碳十四年代測定工作的北京大學教授吳小紅指出：孫雪峰等人發表論文中的絕大多數年代樣品是動物骨骼或牙齒，僅有少數幾個樣品來自人類，這需要對地層沉積過程仔細分析，確定動物化石的年代能否代表人類化石的年代。其次，該文沒有清楚描述碳十四測年樣品的前處理過程，測年結果可靠性難以判斷。再次，該研究的大多數年代數據來自骨骼或者牙齒的總有機碳（TOC），從這些樣品的碳氮含量和碳氮比值來看，不能排除樣品有腐殖質等外來含碳組分的影響。在考古年代研究領域通常不用TOC進行骨骼的碳十四年代測定，而是提取出骨骼或者牙齒中的原生組分—膠原蛋白或明膠蛋白進行年代測定以儘可能排除外來碳的影響，從而得到可靠的碳十四年代數據。孫雪峰等人的文章中報道了92個碳十四數據，其中有27個數據來自膠原蛋白，僅有一份膠原蛋白樣品按照國際慣例測定了碳氮含量和碳氮比值。遺憾的是，這份樣品的結果並沒有落入適合測年的膠原蛋白數值範圍之內，其他26份樣品沒有提供證據可以排除外來污染物影響。在孫雪峰等人回應質疑的答覆中，對原文中使用的樣品前處理方法依然沒有給出具體的描述，僅說是採用了與我們團隊於2015發表在《自然》（Nature）雜誌上用於福岩洞加速器質譜測年相似的流程。相似與相同雖是一字之差，但內涵卻大不相同。北京大學加速器質譜碳十四實驗室並沒有使用膠原蛋白（collagen）（如孫雪峰等文章中所用的）進行碳十四年代測定，而是用明膠蛋白（gelatin）進行碳十四年代測定。膠原蛋白和明膠蛋白的提取方法確實是相似的，但內涵並不相同。從膠原蛋白到明膠蛋白增加的最後幾步處理措施，大大增加了去除樣品中雜質的力度。在承認所測的大多數樣品膠原蛋白保存狀況很差的條件下，孫雪峰等認為兩個樣品膠原蛋白、碳酸鈣和全有機碳組分測年結果之間差距很小，所以污染也很小，這並不成立。文中，他們有12個樣品同時測定了膠原蛋白和TOC，只有兩個樣品不同組分的測年結果落在了1σ誤差範圍之內（如回信中所提的FY3-1和FY3-5），其餘數據的差距都超出了這個範圍，有不少數據相差上千年，有數據相差了上萬年。這些結果也是牛津大學Tom Higham等認為孫雪峰等人使用的前處理方法不能排除樣品中混入環境腐殖質影響（使得樣品數據偏年輕）的依據。事實上，牛津大學加速器質譜碳十四實驗室對來自福岩洞的若干動物骨骼樣品嘗試進行碳十四測年，但所有樣品都沒能提取出適合測年的蛋白組分，說明福岩洞遺址骨骼保存條件並不理想，樣品中混入外來污染物的可能性很大。孫雪峰等對北京大學獲得的樣品BA140121的碳十四測年結果（39,150 ± 270 B.P.）給予肯定，以此來支持了他們的觀點：認為現代人到達中國南方的時間不早於65ka。關於這個數據有兩點需要說明：第一，這是沒有經過日曆年代校正的碳十四年代數據，這個數據接近北大有機物加速器質譜碳十四年代測定的高限，而且根據福岩洞遺址骨質樣品保存情況，樣品BA140121的碳十四年代可以作為年代數據參考，不適合用作絕對年代；第二，根據福岩洞遺址不同測年方法多個測年數據的分析，這個遺址的堆積情況應該是相對複雜的，不是一個時期堆積形成的，除非有充足的可靠年代確定所有堆積單元的年代，否則沒有辦法用部分數據來否定其他可能性。
在孫雪峰等的回復中，他們使用現代骨骼和牙齒以及距今3100年前左右的殷墟大墓中骨骼和牙齒的不同物質的碳十四測年結果，來證明其文章中前處理方法和測年結果的可靠。事實上，現代骨骼和牙齒樣品中碳十四濃度與周邊環境物質中現代有機質和大氣中的碳十四濃度接近，沒有顯著的有機質分解，有機質含量較高，外源物質的碳十四濃度和現代樣品中的濃度接近，難以確定是否存在外源污染和污染的大小。對於殷墟大墓中的牙齒和骨骼樣品（年代為距今約3100年前），其膠原蛋白或總碳樣品中的碳十四濃度是現代（1950年）大氣中碳十四濃度的70%，即使現代碳的污染有10%，其碳十四濃度提高到73%，造成的碳十四年代偏離只有340年左右。對於年代超過8萬年的樣品（碳十四濃度接近為零），若現代碳污染有10%（20%），其碳十四濃度提高到10%（20%），計算獲得的碳十四年代為~18500（~12930）年。這說明對於有機質含量少，年代老的樣品，少量的現代碳污染就會造成顯著的年代偏差（偏年輕）。因此孫雪峰等使用近現代樣品的測年結果對比，還不足以證明先前研究中測年結果的可靠性。另外考古樣品在埋藏過程中有很多可能引入環境含碳物質，而且每個樣品都有其獨特性，某一個樣品保存狀態好，外來污染物少，不能代表其他樣品就一定如此，如果不能採用正確的研究方法，用這種樣品和樣品之間類比的方法來說明問題是沒有意義的。
值得注意的是，孫雪峰等採用鈾系和釋光測年方法對福岩洞地層含化石堆積物樣品的年代測定數據都在更新世晚期。2015年我們團隊發表的文章通過福岩洞動物群組成的分析也推斷該堆積物中化石年代更符合更新世晚期的地質時代。對於這些支持福岩洞人類生存在更新世晚期的其他方法的年代測定結果及動物群組成分析，孫雪峰等人在文章中沒有做任何討論或評論。他們在文中提出早期堆積物的侵蝕和後期充填模式來解釋化石年代和堆積物及次生碳酸鹽蓋板年代的不一致。事實上，該模式在智人洞的研究中（Jin etal.,2009,Chinese Science Bulletin）已經提及，而且2015年的文章中也討論了堆積物再堆積（或後期充填）的可能性，而在孫雪峰等的這篇文章中卻並沒有提及。
根據以上情況，我們團隊認為孫雪峰、李輝等人的這項研究在「人類牙齒」及其他年代測試樣品採集、「人類牙齒」鑒定、DNA提取與分析、年代測定等方面都存在錯誤或不確定性。因此，這項研究獲得的研究結果是不可信的，不能否定此前研究認為的福岩洞人類牙齒的年代及演化地位。
04
研究工作嚴謹性、規範性
除上述「人類牙齒」鑒定、數據提取、實驗測試分析、年代測定等方面的問題外，孫雪峰、李輝等的這項研究及論文寫作存在大量不規範、不嚴謹等問題，包括野外採集化石標本及實驗室處理規範、研究數據採集、分析與論證規範、人類牙齒鑒定與論證規範、論文寫作規範與嚴謹性（重要研究標本編號混亂、地點或單位名稱錯誤、插圖質量差、文獻引用錯誤）等。孫雪峰等人的文章在PNAS發表後，多位從事古人類牙齒化石和解剖學研究的國外學者對這樣一篇缺乏基本研究規範、存在較多錯誤且不嚴謹的文章通過《美國科學院院報（PNAS）》評審表示震驚和不理解。一位從事古人類牙齒形態研究的法國學者評價說：「這篇文章無論材料與方法及附屬部分對人類及動物牙齒沒有進行適當的描述。對此，我感到吃驚！「I am also surprisedthat the human (and animal) material is not described properly in the article(neither in the Material and Methods nor in the SOM file)」。另外一位從事牙齒人類學研究的美國學者表示：「PNAS怎麼了，接受這樣一篇有嚴重瑕疵的文章？通常情況下，(PNAS)審稿流程極其嚴格，但是顯然仍有一些（這樣的）論文經過漏洞通過評審」(What is it with PNAS accepting papers that have seriousflaws? Ordinarily, the review process is extremely demanding but apparentlysome papers slip through the cracks!)。
道縣福岩洞背景介紹：2010年10月，中國科學院古脊椎動物與古人類研究所劉武、吳秀傑等在湖南省道縣野外考察。根據以往線索，在道縣樂福堂鄉塘碑村附近的福岩洞（村民又稱為後背山洞）發現哺乳動物化石。試掘後，確認這裡蘊藏豐富的化石資源，具有良好的研究前景。2011年開始，組成了包括古人類學、舊石器考古學、地質學、年代學、環境及第四紀哺乳動物等學科專家參加的多學科研究團隊，在湖南省文物考古研究所、道縣文物管理局協助下對福岩洞進行了連續3年的發掘，發現47顆人類牙齒化石。期間，對福岩洞地層堆積、化石埋藏、環境、動物群組成以及人類化石等開展多方面的實驗測試和綜合研究。2015年10月，該研究團隊在《自然》（Nature）發表論文，將福岩洞人類化石年代確定為8-12萬年前，根據對人類牙齒化石的研究並結合其他研究證據，提出現代人8-12萬年前在東亞大陸已經出現。該項研究成果入選2015年「中國科學十大進展」。
作者：福岩洞研究團隊
供圖：福岩洞研究團隊
