史前中国的人与动物互动：基于龙山时期古粪便的宏基因组分析所得的见解

《Journal of Archaeological Science》：Human-animal interactions in prehistoric China: Insights from metagenomic analysis of Longshan period paleofeces

古DNA分析揭示龙山时期黄城台遗址三例犬类粪便样本的宿主身份、饮食结构和肠道菌群特征，证实这些古犬与陕西现代犬亲缘关系密切。通过古环境DNA和植硅体分析发现，犬类饮食包含牛、羊、黍等人类主食，且存在人类提供的发酵碳水化合物的肠道菌群特征，表明当时存在人类主动喂养犬类行为。研究同时通过碳氮同位素分析揭示遗址内社会等级差异，证实高阶层与犬类存在密切互动，为探讨古代社会结构和人犬共生关系提供分子证据。

　　

马志刚|胡青|徐汉林|文海霞|熊建学|韩倩|裴学松|邵静|马晓琳|文少青

复旦大学考古科学研究院，上海，200433，中国

摘要

人与动物的互动对动物进化有着深远的影响，并反映了社会行为，然而来自史前时期的直接分子证据却非常有限。在这项研究中，我们利用鸟枪法宏基因组学技术对三份古粪便进行了分析，这些粪便可追溯到龙山时期（约4000–3800年前），是从中国陕西石峁遗址的黄城台精英阶层遗址中挖掘出来的。我们的目标是阐明人与动物的互动关系，包括宿主身份、饮食以及肠道微生物群。遗传分析表明，这些古粪便来自三只无关的雌性家犬，它们与现代陕西犬种关系密切。饮食分析显示，这些犬的饮食非常多样，包括家养动物（牛、羊）、鹿、狐尾粟和普通粟，这表明它们的进食行为直接与人类的生存策略相关，而非独立觅食。植物性食物成分的存在也通过植硅体分析得到了进一步确认。肠道微生物组分析显示乳酸菌数量较多，这与它们长期食用富含碳水化合物或发酵食品有关，暗示它们可能是通过人类提供的食物残余物获得食物的，或者是通过捡食获得的。人类相关细菌的高丰度进一步凸显了它们与人类之间的密切日常互动，同时也引发了关于人畜共患病传播风险的担忧。此外，饮食组成提供了与黄城台精英地位相关的直接生物学证据，突显了石峁遗址存在较高的社会等级制度。这项研究展示了古代宏基因组学在重建过去人与动物关系和社会结构方面的价值。

引言

人与动物的互动显著影响了动物的进化轨迹，并通过管理和喂养动物反映了人类行为和社会发展。这种复杂的关系可以通过三个相互关联的维度来探讨：动物的适应性进食策略、人类与动物之间的生物互动，以及动物所体现的社会文化象征意义。首先，适应性进食策略，如游牧放牧、控制繁殖和季节性饲喂，展示了生态和文化环境如何塑造了牲畜管理（Outram等人，2009年；Müldner和Richards，2005年）。例如新石器时代的犬类管理，其饮食习性根据当地生存策略而有所不同。在以水稻种植为主的天罗山社区，狗主要食用植物性食物；而在以粟米和水稻混合种植的双墩地区，它们富含肉类的饮食表明狗可能在狩猎中发挥作用（Zhang等人，2021年）。这些模式凸显了受当地生存系统影响的人与动物之间的适应性互动。其次，人类与动物之间的生物影响体现在家养动物的饮食组成和肠道微生物群上，这些直接受到人类喂养方式和共同生活的影晌（Pellowe，2024年）。这些生物特征为重建驯化生态、古代经济体系和社会分层提供了宝贵的依据（Reese等人，2021年）。对青铜时代犬类粪便的宏基因组分析显示，尽管饮食有显著变化，它们的肠道微生物群仍然相对稳定，这表明长期的人类喂养方式和密切的共同生活起到了缓冲作用（Rampelli等人，2021年）。第三，动物所体现的人类社会文化象征意义通过稳定同位素分析得到证明，同位素组成与饮食之间存在强相关性，正如“人如其食”这一说法所体现的（Kohn，1999年）。因此，食物成为解读过去社会结构和文化差异的宝贵依据，饮食禁忌划定了群体边界，而消费模式则反映了身份、年龄和地位（Hayden，2014年）。例如，在仰韶文化中，饮食差异揭示了新兴的社会分层。在灵宝西坡遗址，高等级个体感染绦虫的比例最高，表明他们经常食用猪肉并享有肉类的特权。同样，在洛阳中沟的垃圾坑中发现的个体比正式墓葬中的个体摄入的动物蛋白更少，进一步凸显了饮食作为社会等级的标志（Hayden，2014年）。

古粪便保存了饮食残余物、肠道微生物群和环境DNA，为了解古代动物的饮食组成、生态适应性和人与动物互动提供了宝贵信息（Shillito等人，2020年；Blong和Shillito，2021年；Reinhard和Bryant，1992年）。传统的古粪便研究方法，如形态分析和植物微化石检测，往往受到保存条件和环境因素的限制，影响分析结果的准确性（Blong等人，2023年；Yang等人，2022a；Wibowo等人，2021年）。古粪便中的稳定碳和氮同位素组成（δ¹³C和δ¹⁵N）可以重建饮食的同位素特征，提供一种客观的方法来识别食物来源，包括C3和C4植物以及海洋和陆地动物（Wibowo等人，2021年；Battillo和Fisher，2015年）。对晚全新世西伯利亚犬类的同位素分析显示，它们的饮食多样，包括海洋和淡水资源以及C4食物，表明它们具有适应性觅食策略，并且暴露于人类活动的影响下（Losey等人，2022年）。新石器时代晚期的狗主要跟随人类的饮食，主要通过捡食或获得的人类食物为食，这表明在中国喂养家犬是人类的一种古老传统（Wang等人，2024年）。对阿拉斯加Nunalleq遗址犬类古粪便的蛋白质组学分析显示，它们的饮食主要由鲑鱼组成，证明了古代蛋白质在研究古代狗的消化系统和饮食来源方面的可行性（Runge等人，2021年）。然而，同位素方法在准确识别特定食物来源物种或在复杂多样的饮食组成中精确确定宿主身份方面存在局限性。近年来，基于宏基因组技术的古代环境DNA（eDNA）成为研究人类历史的强大工具（Ozdogan等人，2024年），它通过在高分辨率水平上识别宿主物种和饮食成分，克服了这些限制。这种方法还提供了肠道微生物群组成的直接分子证据，并揭示了宿主与其环境之间的互动。值得注意的是，宏基因组分析在区分亲缘关系密切的犬科亚种（如狗和狼）方面表现出色，成为探索古代人与狗互动的关键工具。

石峁遗址位于中国的新石器时代晚期至青铜时代早期（约公元前2300–1800年），是陕西省已知最大的史前城市遗址之一（Sun等人，2018年）。该遗址以石墙环绕的“黄城台”为中心，具有内外双重防御结构（Sun等人，2020年，2021年）。黄城台核心区域的高等级墓葬揭示了人类和犬类祭祀的习俗（Jaang等人，2018年），并且已经挖掘出了三份疑似古代犬类的古粪便。本研究应用古代eDNA方法对这些来自黄城台的古粪便进行了分析，以确定宿主亚种和遗传特征，重建饮食组成和肠道微生物群，最终探讨石峁居民的动物驯养行为和人与动物之间的互动。

章节片段

考古样本和植硅体分析

本研究中分析的三份古粪便是从中国陕西省神木县石峁遗址黄城台的一个明确地层中挖掘出来的（图1）。石峁位于黄土高原北部的鄂尔多斯沙漠边缘，是已知最大的晚龙山时期有城墙的定居点，占地面积约400公顷（Jaang等人，2018年）。对该地层中纺织碎片的放射性碳测年结果显示……

结果

经过预处理后，共有833,078,670个合并后的读段被保留下来用于后续分析（表S2）。这些合并后的双端读段的长度主要集中在40到80 bp之间，与古代DNA片段的典型长度分布一致（图S1）。为了减少由于短读段错误比对重复真核序列而导致的分类错误，对这些读段进行了去重并重新组装，得到了170,983个contigs，平均长度……

讨论

本研究利用古代宏基因组数据，鉴定出三份来自三只无关雌性犬类的古粪便样本。这些古代犬与现代陕西犬种的遗传关系最为接近。古代宏基因组数据直接证明了石峁遗址家犬的饮食结构，加深了我们对石峁居民生存模式的了解。

CRediT作者贡献声明

马志刚：数据管理、正式分析、研究调查、方法论、软件应用、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。胡青：研究调查、方法论、撰写、审稿与编辑。徐汉林：方法论、可视化、撰写、审稿与编辑。文海霞：研究调查、方法论。熊建学：研究调查、资源获取。韩倩：研究调查、资源获取。裴学松：研究调查、资源获取。邵静：概念构思、项目管理

利益冲突声明

作者声明以下可能的财务利益或个人关系可能构成潜在的利益冲突：马晓琳报告称获得了中国国家自然科学基金会的财政支持。文少青报告称获得了兰台青年学者计划的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金会（编号32371692）对XM的支持，以及兰台青年学者计划（编号2022LTQN602）对SW的支持。