青藏高原被稱為「世界屋脊」，其平均海拔超過4000公尺，也被認為是世界第三極。盡管青藏高原具有低溫、低氧和強紫外線的嚴苛環境，但還是有很多生命在這片土地上繁衍生息。
青藏高原上生活的藏族同胞以放牧為主，長期飼養牦牛、馬、山羊和家牛等大型家養動物。家牛包括普通牛 ( Bos taurus taurus )和瘤牛 ( B. t. indicus ) 兩個亞種。家牛在中國被稱為黃牛，是指除牦牛和水牛之外的家牛的總稱。
在中國，黃牛品種資源十分豐富，在【國家畜禽遺傳資源誌—牛誌】上，目前已有57個地方黃牛品種。青藏高原地區的黃牛品種眾多，包括西藏自治區的阿沛甲砸牛、西藏牛、日喀則駝峰牛和樟木牛；雲南省的迪慶牛、四川省的甘孜牛和青海省的柴達木牛等。由於青藏高原地形復雜，遷移到高原腹地的黃牛未曾大規模遷移到其他地方，從而保留了其原始的特征。
考古學和古DNA證據表明，黃牛是最早進入青藏高原的家養動物之一，青藏高原黃牛也是目前中國乃至全世界最原始的黃牛種質資源。經過幾千年的自然選擇和人工選擇，青藏高原黃牛具有體型較小、成熟較晚和適應高原氣候等獨特的特點。
在如此極端的環境下，黃牛何時何地進入青藏高原？又如何快速適應高原環境？這些問題引起了科研工作者的極大興趣。
青藏高原的黃牛
（圖片來源：西北農林科技大學陳寧博拍攝）
黃牛起源
我們早期透過分子遺傳標記研究表明青藏高原黃牛擁有獨立的父系和母系起源。從父系角度出發，全世界家牛至少有5個支系，青藏高原黃牛屬於獨立的一個支系(Y2b)；青藏高原黃牛的母系起源主要為普通牛（T3119，T3055和T4支系），分布在中國和尼泊爾邊境地區的高原黃牛起源於瘤牛。
古DNA證據表明，至少在距今3900年前，於西亞新月沃地馴化的家牛就已經進入東亞。進入東亞之後，其血統也發生了改變，我們稱之為東亞普通牛，以距今3900年的陜北石峁遺址出土的黃牛為代表。
基因組學證據也支持石峁黃牛為現代青藏高原黃牛和東北亞家牛的祖先，例如中國東北的延邊牛、日本和牛和南韓韓牛等。
以石峁黃牛為代表的家牛群體在進入中國之後繼續擴散，它們向東擴散至中國東北地區，隨後進入北韓半島和日本；向西則進入青藏高原邊緣地帶，在隨後的幾千年之間逐步擴散到整個青藏高原地區，考古學和遺傳學證據進一步支持，黃牛至少在2500年前就擴散到青藏高原南部腹地的邦嘎地區。
青藏高原牧民飼養的黃牛
（圖片來源：西北農林科技大學陳寧博拍攝)
黃牛如何適應高原氣候？
與家牛一萬年的馴化歷史相比，青藏高原黃牛可能只有三千年到四千年的歷史，在如此短的時間內，黃牛究竟是如何快速適應高原的環境？為了解決這一問題，我們收集了青藏高原8個黃牛族群共89頭黃牛的樣品，進行基因組測序並分析。
收集的黃牛樣品來自青藏高原東北部、中部和南部地區的主要放牧區，海拔在3400~4300 米之間，隨後我們透過和全世界其他家牛的基因組資訊進行分析，發現青藏高原黃牛擁有豐富的遺傳多樣性。
與8個青藏高原黃牛族群的地理分布位置一致，其祖先血統成分也表現出東亞普通牛到南亞瘤牛的連續性變化。
在隨後三千多年的繁衍過程中，透過生存環境對一代代黃牛的自然選擇作用，透過優勝劣汰機制保留下來的有利黃牛個體都非常適應青藏高原環境，這些個體在基因組序列上發生了一些微變化，那麽這些變化是怎樣發生的呢？
我們透過和低海拔地區的黃牛基因組序列比較，在青藏高原黃牛基因組上發現了影響體型大小的 HMGA2 和 NCAPG 基因。青藏高原黃牛在這兩個基因上存在頻率非常高的兩個基因突變，且這兩個突變在低海拔地區的黃牛中幾乎沒有，這可能是導致青藏高原黃牛體型較小的原因。
我們還發現參與能量代謝的 DUOXA2 基因也存在一個高頻的突變，這個變異與高原黃牛的機體能量代謝相關，透過調節能量代謝使其更好地適應了高原極端環境。於是我們推測，這些變異可能就是青藏高原黃牛透過自然選擇適應高原環境的「關鍵密碼」。
但是短短的三千多年，僅僅透過自然選擇來適應這種極端環境是遠遠不夠的。為了更好地適應青藏高原的極端環境，青藏高原黃牛選擇了與牦牛進行「通婚」。
通婚
牦牛被人們譽為「高原之舟」，自古至今是青藏高原牧區的優勢家畜，牦牛能充分利用高寒草地牧草資源，對當地生態環境條件具有極強適應力，耐粗飼，在空氣稀薄、寒冷、牧草生長期短等惡劣環境條件下能生活自如。
牦牛和黃牛可以發生雜交，並且其雜交後代——犏牛對人類定居高海拔極端環境也意義重大。牦牛、黃牛和犏牛，它們不僅是高原農業犁耕和運輸的主力，而且全身是寶，牛肉，酥油和酸奶等農產品是重要的食物資源，牦牛毛編織的帳篷能抵禦風雪酷寒，牛糞更是每家必不可少的主要燃料。
那麽牦牛和黃牛的「通婚」最早是什麽時候開始的呢？青藏高原南部地區邦嘎遺址的考古發現為我們提供了重要線索。邦嘎遺址海拔3750公尺，早期遺存距今2000至3000年，是西藏為數不多的經系統考古發掘的高海拔史前遺址。邦嘎遺址的動物考古研究發現，邦嘎先民同時利用了牦牛與黃牛，並且大部份牛的死亡年齡都大於四歲，這與青藏高原現代牧民的家牛利用與管理模式相似。
透過對邦嘎遺址的5塊牛骨進行年代學和古DNA分析，我們發現，早在距今2500年前，黃牛已經伴隨先民的遷徙活動到達邦嘎。邦嘎先民在那時已經開始進行牦牛和黃牛的「通婚」實驗。到目前為止，這種有意的「通婚」事件至少持續了2500年，甚至更長，這就需要未來更多的考古證據來證明。
那麽青藏高原的黃牛究竟透過「通婚」從牦牛那裏獲得了哪些「優秀基因」呢？我們進一步研究發現，青藏高原不同海拔地區的黃牛擁有很多牦牛的「優秀基因」。例如：與缺氧反應( EGLN1 )、冷適應( LPR11 )、DNA損傷修復( LATS1 )和抗紫外線( GNPAT )相關的功能基因。這些有利基因透過「通婚」的方式或多或少地影響了遷徙至青藏高原的黃牛。再加上祖輩的「言傳身教」，它們後代的適應能力越來越強。
我們還發現，有牦牛血統來源的非編碼區變異可以改變原有的「基因表現平衡」，一旦改變了這種基因表現平衡，影響高海拔適應的基因就會「積極表現」，所以「通婚」後的黃牛後代適應能力更強。牦牛和黃牛之間的「通婚」，也是另一個增強青藏高原黃牛應對高原環境能力的「關鍵密碼」。
邦嘎遺址考古現場
（圖片來源：四川大學考古科學中心呂紅亮教授團隊提供）
黃牛和牦牛的雜交後代——犏牛
（圖片來源：西北農林科技大學陳寧博拍攝）
牛屬的各類「牛」在中國都有分布，那麽除了現今依舊生活在青藏高原的黃牛、牦牛以及它們雜交的後代——犏牛以外，在歷史的長河中會不會還有其它「牛」也曾經生活在這片廣闊的高原上？它們和黃牛以及牦牛之間又會有怎樣的故事？
在好奇心的驅使下，我們從青藏高原東北部的一處叫塔溫搭裏哈的考古遺址中采集到了3個古老的牛骨遺存，希望從中尋找線索和答案。由於這些牛骨經歷了近三千年的時光洗禮，我們已無法從其形態上判斷它們究竟來自於哪種牛。
因此，我們再次借助古DNA技術，希望從這些牛骨中提取殘存的古DNA片段，用一種類似「親子鑒定」的方法破解它們的身份之謎。
我們透過提取古DNA並進行擴增和基因組測序等一系列工作後，成功獲得了這三個古代牛骨中的遺傳資訊。透過對這些古老遺傳資訊的解析，我們發現它們的母親分別為黃牛和東亞原牛。
原牛，顧名思義是一種原始的、沒有被馴化的牛，它們的足跡曾遍布整個歐亞大陸和非洲北部。現代家牛的祖先來自於西亞的普通原牛和南亞的瘤原牛。非常可惜的是，原牛已於1627年滅絕。
東亞原牛是指分布在東亞地區的一種原牛，目前還未在青藏高原上發現它們生存過的痕跡。我們在塔溫搭裏哈遺址發現的這個東亞原牛樣品，距今已有3400年的歷史，證明了在家養黃牛到來後的數百年時間裏，青藏高原上可能還自由地生活著原牛。
動物骨骼遺存的形態學鑒定
（圖片來源：中國科學院青藏高原研究所陳順港拍攝）
既然黃牛與東亞原牛曾在3000多年前的青藏高原相遇，那麽它們之間是否也會像黃牛與牦牛有過「親密接觸」呢？帶著這個疑問，我們進一步開展了核基因組分析。
令人驚喜的是，我們發現一例樣本的粒線體屬於東亞原牛，但核基因組卻與黃牛相似。深入解析其祖先血統後，我們發現這一個體同時擁有84%的黃牛血統和16%的東亞原牛血統，印證了其「混血兒」的獨特身份。
至此，遺傳學和古DNA研究幫助我們認識到，不僅黃牛與牦牛有過「通婚」，黃牛與東亞原牛也有過「通婚」。更加令人印象深刻的是，我們在邦嘎黃牛中也檢測到了牦牛和東亞原牛的血統，這也成為了原牛—黃牛—牦牛「混合雜交」的最佳例證。
在超凈實驗室提取樣本中的古DNA
（圖片來源：中國科學院青藏高原研究所韓旭提供）
我們透過與中國科學院青藏高原研究所、四川大學考古科學中心、美國聖路易華盛頓大學、中國地質大學（武漢）、崖州灣國家實驗室、蘭州大學、吉林農業大學、中國科學院昆明動物所等多家單位合作，將這些關於青藏高原黃牛、牦牛、犏牛和東亞原牛的系列研究工作發表在了【Nature Communications】【Science Advances】和【Science Bulletin】雜誌上。這一系列的研究豐富了我們對於青藏高原史前牛屬動物資源的了解，也認識了牛屬動物之間的「通婚」方式。
如果在未來想要進一步探索青藏高原牛屬動物演化的奧秘，可以透過進一步對現代和古代樣品的基因組進行深入研究，來揭開青藏高原牛屬家養動物的神秘面紗。
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出品：科普中國
作者：陳寧博、呂陽、雷初朝（西北農林科技大學）
張正為、呂紅亮（四川大學）
陳順港（中國科學院青藏高原研究所）
監制：中國科普博覽
