基於冰河時期歐洲大量人類化石記錄的新研究顯示了古代人口如何應對氣候的劇烈變化。透過使用機器學習演算法分析牙科數據，該研究詳細介紹了遷徙趨勢、人口動態以及末次冰川極盛時期的重大影響。

冰河時期狩獵採集群體的藝術再現。圖片來源：© Tom Björklund

一個國際研究小組利用迄今為止最大的冰河時期歐洲人類化石數據集，展示了史前狩獵採集者在距今4.7萬年至7000年期間是如何應對氣候變遷的。根據8月16日發表在《科學進展》（Science Advances）雜誌上的研究報告，在最寒冷的時期，人口數量急劇下降，在西部，冰河時期的歐洲人甚至面臨滅絕。

首席研究員、德國圖賓根大學森肯貝格人類進化與古環境中心的漢內斯-拉特曼博士與圖賓根大學、意大利費拉拉大學和美國紐約大學的同事合作，開發了一種基於機器學習演算法的化石分析新方法。

大約4.5 萬年前，第一批現代人在上一個冰河時期遷徙到歐洲，標誌著所謂的”上舊石器時代”的開始。這些早期人類一直居住在歐洲大陸上–甚至在大約2.5 萬年前所謂的”末次冰川最盛期”，當時冰川覆蓋了歐洲北部和中部的大部分地區。

德國南部Hohlenstein-Stadel 洞穴中的三個人類頭骨，年代約為8500 年前，很可能屬於一個家庭：一個男人（左）、一個女人（右）和一個孩子（中）。圖片來源：© 圖賓根大學骨收藏館

“長期以來，考古學家一直在爭論氣候變遷和相關的新環境條件對當時狩獵採集者人口結構的影響。”該研究的第一作者、圖賓根大學森肯貝格人類進化與古環境中心的漢內斯-拉特曼（Hannes Rathmann）博士解釋說：”由於可獲得的化石數量有限，而且用於古DNA分析的化石分子保存狀況往往很差，因此很難就氣候因素對遷徙、人口成長、減少和滅絕的影響得出結論。

因此，拉特曼與來自義大利、美國和德國的研究小組一起，選擇了一種新的方法來澄清這個問題：研究小組沒有分析少數零散的史前個體的古DNA，而是研究了他們的牙齒。牙齒是人體最堅硬的組織，因此也是考古學家最常發現的骨骼化石。

這使他們能夠收集到前所未有的數據集，其規模遠遠超過以往的骨骼和基因數據集。拉特曼解釋：「我們新收集的數據包括來自歐洲各地的450名史前人類的牙齒數據，時間跨度為4.7萬年前至7000年前。

研究人員重點研究了牙齒的”形態”特徵–牙齒內部的微小變化，如牙冠尖突的數量和形狀、咀嚼面上的脊和溝紋，或智齒的有無。

拉特曼解釋說：”這些特徵是可以遺傳的，這意味著我們可以利用它們來追蹤冰河時代人類之間的遺傳關係，而不需要保存完好的古代DNA。由於這些特徵可以用肉眼觀察到，研究團隊也研究了數百張公開發表的化石照片。世界大戰期間遺失或毀壞的化石。

研究結果表明，在大約4.7 萬年前到2.8 萬年前的”中全冰期”，西歐和東歐的人口在基因上聯繫緊密。 “這項發現與我們先前從考古學研究中獲得的知識是一致的，考古學研究發現不同地區的石器、狩獵武器和便攜式藝術品具有廣泛的相似性，”該研究的合著者、圖賓根大學DFG 高級研究中心”文字、骨骼、基因、工具”的朱迪斯-拜爾（Judith Beier）博士解釋。

在這段時期，歐洲的大部分地區都是開闊的大草原，可以養活大批哺乳動物–這是狩獵採集者的主要食物來源。這些條件很可能有利於人口的相互連結。

在隨後的時期，即2.8 萬年前至1.47 萬年前的”晚期嚴冰期”，研究人員發現西歐和東歐之間沒有遺傳聯繫。此外，分析表明，這兩個地區的人口數量大幅減少，導致遺傳多樣性喪失。

“這種人口結構的劇烈變化很可能是由巨大的氣候變化引起的。”圖賓根的科學家解釋說：”這一時期的氣溫降到了整個上舊石器時代的最低值，並在末次冰川極盛時期達到頂峰，當時的冰原面積達到最大，覆蓋了歐洲北部和中部的大部分地區。了以獵物為生的狩獵採集者，”Rathmann 解釋道。

研究結果支持了一個長期存在的理論，即族群不僅被不斷推進的冰原驅趕向南遷移，而且還被分隔到環境條件更為有利、基本上與世隔絕的避難所。這項研究的另一個重要發現是，在從中期冰川過渡到晚期冰川時，西歐的族群滅絕了，取而代之的是從東歐遷移而來的新族群。

晚期延冰期過後，氣溫穩定回升，冰川消退，草原和森林植被恢復，以前被遺棄的地區開始重新定居。研究小組觀察到，在這段時期，西歐和東歐以前與世隔絕、數量大幅減少的族群數量開始恢復增長，地區間的遷徙也重新開始。

“基於我們稱為Pheno-ABC 的全新機器學習演算法–使我們首次能夠利用形態學資料重建複雜的史前人口事件。據我們所知，這在以前從未實現過，”共同第一作者、來自費拉拉大學的瑪麗亞-特雷莎-維扎里（Maria Teresa Vizzari）博士說，她在演算法的開發過程中發揮了關鍵作用。

這項新的分析工具可以從眾多測試結果中找出最有可能的人口組成方案。據研究人員稱，Pheno-ABC 方法可能會在未來徹底改變對化石骨骼形態的分析。

“我們的研究為了解冰河時期歐洲人的人口歷史提供了重要線索，並凸顯了氣候和環境變化對史前人類生活的深遠影響。如果我們想解決未來複雜的環境問題，我們就應該迫切地從我們的過去吸取經驗教訓，”Rathmann 最後補充道。

編譯自/ scitechdaily