科學家解讀人類與乳酸菌協同演化的歷史

食物的背后關聯著人類飲食結構、生活方式和技術文化的變遷發展。從這個視角切入，古代食物遺存為我們理解人類活動對生態系統的作用和影響開辟了新窗口——食物的制作和傳播方式反映了古代人類利用自然資源的智慧，折射出歷史上人類社會在物質和文化方面的廣泛交流。

從小河墓地出土的古老奶酪入手，中國科學家從中追溯乳酸菌菌種演化，從奶源DNA中探尋歐亞人群遷徙與交流的足跡。這為我們更加細致地認識人類發展的歷史進程及其與環境高度互動的復雜關系提供了重要線索。

奶酪是一種發酵奶制品。與酸奶類似，人們通過在牛奶、羊奶等動物奶中添加富含乳酸菌等微生物的發酵劑，將其制成奶酪。在微生物的作用下，奶酪或酸奶較之動物奶別具風味，且更易于保存。

那么，奶酪制作工藝是何時在中國出現的？它從哪里傳來又如何廣泛傳播開？最近，中國科學院古脊椎動物與古人類研究所付巧妹研究團隊在國際著名學術期刊《細胞》雜志發表了一項最新研究，通過從已知世界上最古老的奶酪中獲取的高質量古代乳酸菌基因組，他們以獨特的古微生物學視角和直接的古分子證據給出了有趣的答案。

最古老奶酪，已適合乳糖不耐人群

早在距今近4000年的青銅時代，新疆小河人群就掌握了用開菲爾粒制作酸奶和奶酪的工藝。乳糖含量的大幅降低，讓這一乳糖不耐受人群也能輕松食用奶制品

廣袤無垠的塔克拉瑪干沙漠中，隱藏著一個古老而神秘的墓地——小河墓地。

這個距今約3500年至4000年的墓地，位于我國新疆若羌縣孔雀河下游河谷南約60千米的荒漠中，是夏商時期塔里木盆地特色鮮明的青銅時代文化遺存。它的外觀為一座橢圓形沙丘，總面積約2500平方米。高聳的沙丘之上矗立著密密麻麻的木樁，似乎在無聲堅守著此處原住民數千年來獨特而多元的文化。

這里出土的船棺形似無底獨木舟，用動物皮緊緊包裹，棺中的木乃伊“小河公主”服飾精美，顯示出其生前崇高的社會地位。在她胸頸部和身側草編簍中，一些乳黃色塊狀物引起了國際學術界的廣泛興趣：這些距今約3500年的塊狀物質地疏松、形狀不規則、呈多孔狀。這究竟是什么？

2014年，借助先進儀器的綜合測試分析，科學家發現這些塊狀物的乳清蛋白含量較低，以酪蛋白為主，由此確定它們應該是奶酪，而且是開菲爾奶酪。

在古代俄羅斯北高加索地區，當地牧民將牛乳或山羊乳注入羊皮口袋，經自然發酵生產酸乳酒。他們在留有乳酸酒殘留物的羊皮口袋中補加牛乳或山羊乳繼續發酵，長此以往在皮口袋中形成了不規則顆粒狀物體，即為開菲爾粒。先民使用開菲爾粒，將新鮮奶發酵制成酸奶，再經過一定程度的脫脂處理和乳清分離，最終得到開菲爾奶酪。

付巧妹團隊的最新研究為小河奶酪的鑒定帶來了更加確切而細節的證據。研究團隊鑒定了小河墓地中的三例奶酪樣本，從中發現了與發酵相關的豐富微生物群落，如開菲爾乳酸菌、瑞士乳酸菌、馬克斯克魯維酵母，以及庫德里阿茲威氏畢赤酵母等菌株。這些乳酸菌和酵母菌正是典型的開菲爾粒所包含的菌株，這表明新疆小河居民在青銅時代已經掌握了用開菲爾粒發酵制作酸奶或奶酪的工藝。

雖然出土于波蘭、用于過濾液體奶和制作奶酪的陶篩證實奶酪制作工藝可追溯到約8000年前，但小河墓地出土的開菲爾奶酪卻是迄今世界上發現的最古老的奶酪實物。這種奶酪在保留動物奶大部分營養成分的同時，還在制作過程中大幅降低了乳糖含量，這使得乳糖不耐受的小河人群也能輕松食用。

因此，開菲爾奶酪制作工藝的應用對于古代人類社會有著重大意義——它不僅使動物奶更加利于保存和攜帶，還有效減輕了乳糖攝入所引起的胃腸道反應，使古代人群更容易從奶制品中獲取營養。

捕獲乳酸菌DNA，揭秘技術傳播路線

付巧妹設計了70余萬個捕獲探針，從樣本的海量外源微生物中“釣”出開菲爾乳酸菌DNA并重建其基因組，發現小河人群的發酵技術傳播到了西藏和東亞其他內陸地區

這些古老奶酪為何能歷經千年、留存至今呢？這得益于小河墓地特殊的保存環境。首先，沙漠的干燥空氣與鹽漬土壤有著天然的防腐作用。其次，這里的船棺密封性極高，形成了類似真空的環境，進一步減少了空氣和水分的影響，延長了奶酪的保存時間。

盡管如此，這些保存下來的奶酪仍受到大量環境微生物的侵襲，要從中獲得可供分析的發酵微生物古DNA并非易事。

一開始，研究團隊發現，這些奶酪樣本中攜帶的微生物DNA大部分來自外源污染，開菲爾乳酸菌的古DNA含量占比不到1%。即使使用高通量測序技術，測序數據仍然很難達到分析所需要的覆蓋度和深度。

為提高數據量，付巧妹設計了70余萬個捕獲探針，用類似釣魚的方法，成功將這些奶酪樣本中的開菲爾乳酸菌基因組從海量外源微生物DNA中“釣取”分離出來，并使其捕獲數據從0.43%—0.55%富集提升至64%—80%，最終得以重建世界上首例完整度達92%、深度達26.7×（×指基因組中每個堿基被測序的平均次數，次數越多表明數據準確性和可信度越高）的古代乳酸菌基因組。

人類通過貿易和遷徙來傳播特定的發酵微生物種群和相應的發酵技術，而開菲爾乳酸菌便是追蹤開菲爾奶酪制作工藝（即開菲爾發酵技術）應用和傳播歷史的理想對象。

通過從奶酪樣本中重建古代開菲爾乳酸菌基因組，并結合歐亞大陸不同地區現代開菲爾乳酸菌基因組進行系統發育關系分析，研究團隊發現，開菲爾乳酸菌主要分為歐洲和東亞兩個支系。

一是歐洲支系，主要包括來自歐洲（德國）、亞洲沿海和島嶼地區（中國天津、廣東、臺灣，以及日本、新加坡）的菌株，符合從高加索擴散到歐洲及亞洲和東南亞沿海地區的擴散路線。

一是東亞支系，即從新疆傳播到西藏等東亞其他內陸地區。這是一條新的傳播路線。而新疆小河居民所用的古代新疆開菲爾乳酸菌菌株與現代西藏菌株更加接近，且位于該支系的基部位置。

這也說明，歐亞大陸不同地區古人群在應用和馴化開菲爾乳酸菌的過程中，有過不同的遷徙和交流路線，而這兩個菌株支系的分化，很可能就是其共同祖先被馴化后在不同人群中傳播的結果。

追溯奶源DNA，印證古人群互動交流

通過提取分析奶酪樣本中的哺乳動物DNA信息發現，小河地區的產奶山羊來自新石器時代后的一個馴化山羊支系，這意味著他們與歐亞草原牧民之間可能存在廣泛交流互動

新疆小河的古代居民是用哪些家畜產奶并制作奶酪的？通過提取分析奶酪樣本中的哺乳動物DNA信息，研究團隊發現奶源來自牛或山羊。

有意思的是，在三個奶酪樣品中，有兩個檢測到微量的牛DNA，一個提取到較高質量的山羊DNA，兩種DNA并未同時出現在同一樣品中。這說明，新疆地區的古代居民很可能是單獨使用牛奶或羊奶來制作奶酪的，而不像希臘或中東地區那樣經常使用混合奶來制作。不過，這一推測還需要更多樣本和數據予以證實。

透過這些奶源DNA信息，科學家將用于制作小河奶酪的產奶山羊，與歐亞其他地區古代和現代山羊的線粒體基因組信息進行了比對。結果顯示，小河地區的產奶山羊并非來自東亞內陸地區同時期分布的馴化山羊，而是來自新石器時代以后的一個支系，這群山羊隨著草原牧民的遷徙，廣泛分布于歐亞大陸。這說明，青銅時代的新疆小河居民與歐亞草原牧民之間很可能存在著廣泛交流與互動，他們畜養的產奶山羊很可能來自草原牧民。

這一推測與團隊此前發現新疆青銅時代人群混合有同時期歐亞草原人群遺傳成分的結果一致。這些結果折射出新疆小河地區畜牧業發展的可能來源。

古今菌株“找不同”，揭示人菌協同演化史

人類與發酵微生物的相互作用和協同演化是一個動態復雜且互利共生的過程。人類不僅改造了發酵微生物，也在一定程度上被發酵微生物所影響和塑造

人類和發酵微生物之間的協同演化是一個復雜而有趣的過程。研究發現，數千年來，開菲爾乳酸菌在基因組功能元件方面發生了演變，而這正是開菲爾乳酸菌在應對外界環境的適應性演化及在發酵條件下被人類偏好性馴化和傳播共同作用的結果。

相比青銅時代的開菲爾乳酸菌，現代開菲爾乳酸菌菌株出現了一些功能性基因簇。例如，現代菌株出現了可能參與到耐藥機制的基因簇，這反映出乳酸菌對環境壓力的適應。現代菌還出現了能對抗外源DNA入侵的基因簇，以維持基因組的穩定性。此外，減輕腸道炎癥反應相關的基因簇也出現在現代乳酸菌中。

考慮到開菲爾酸奶的制作是通過開菲爾粒進行，而古人群在貿易交流中能夠很方便地交易開菲爾粒，那么這些基因簇的出現很可能與當時人群對攜帶不同支系開菲爾乳酸菌的開菲爾粒的偏好有關。

由此可見，人類與發酵微生物的相互作用和協同演化是一個動態復雜且互利共生的過程。人類不僅通過偏向性的選擇和利用改造了發酵微生物，也在一定程度上被發酵微生物所影響和塑造。這種共生關系極大豐富了古代人類的食物資源，對古代人類的健康產生積極影響，同時推動了與發酵工藝相關的文化和技術的進步。

古老奶酪的制作和傳播方式反映了古代人類利用自然資源的智慧，折射出過去人類社會在物質和文化方面的廣泛交流，為我們更加細致認識人類發展的歷史進程及其與環境高度互動的復雜關系提供了重要線索。

(作者為中國科學院古脊椎動物與古人類研究所分子古生物學實驗室工程師)