古蛋白質(zhì)助力考古

白昇

提到考古，可能大多人腦海中浮現(xiàn)的是一群專家圍繞在一堆骨頭周圍，通過簡(jiǎn)單拼湊、粗略測(cè)量，給我們提供關(guān)于遙遠(yuǎn)祖先的第一印象。但這只是表面的研究，即使是采用高分辨率的儀器對(duì)這些骨頭進(jìn)行掃描，研究人員也只能根據(jù)他們能看到的結(jié)構(gòu)和形狀來進(jìn)行研究。

而隨著科技的進(jìn)步，人們掌握了對(duì)古DNA的提取和測(cè)序之法，以驚人速度推動(dòng)著考古發(fā)現(xiàn)的進(jìn)展。數(shù)萬年前乃至數(shù)十萬年前的基因組可以被讀取，這項(xiàng)成果曾幫我們證實(shí)了人類家譜的新成員——丹尼索瓦人的存在，并揭示了現(xiàn)代人類是如何與他們以及尼安德特人進(jìn)行雜交繁殖的歷史。

但是，DNA是脆弱的，容易受微生物污染和隨時(shí)間的推移而降解消失。即使是在理想的環(huán)境下，能留存下來的古DNA也不會(huì)超過100萬年。如今，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，復(fù)雜折疊的蛋白質(zhì)也可以應(yīng)用于考古研究分析，它具有與骨骼化石一樣歷久彌堅(jiān)的壽命，但比古DNA能保留更長(zhǎng)的時(shí)間。因此，古蛋白質(zhì)也會(huì)成為我們解開過去秘密的一把鑰匙。

大顯身手的古蛋白質(zhì)

對(duì)古蛋白質(zhì)的研究是一個(gè)新興的跨學(xué)科領(lǐng)域，已經(jīng)在考古學(xué)中大顯身手：2016年，英國(guó)科學(xué)家們通過對(duì)骨頭中常見的膠原蛋白進(jìn)行識(shí)別，從考古遺址中挖掘出的2000多個(gè)細(xì)小而難以辨認(rèn)的各種動(dòng)物骨骼碎片中，科學(xué)家鑒定出尼安德特人的骨骼，因?yàn)槟z原蛋白序列在不同動(dòng)物之間的排列方式有細(xì)微的不同；另一個(gè)例子是加拿大考古學(xué)家在約旦的一個(gè)沙漠綠洲中發(fā)現(xiàn)了舊石器時(shí)代人類利用工具的直接證據(jù)，該證據(jù)就是25萬年前屠宰動(dòng)物殘留在石器工具上的蛋白質(zhì)。

科學(xué)家還可以通過對(duì)共同或相似的蛋白質(zhì)的研究來建立進(jìn)化系譜圖，從而給我們提供物種之間的關(guān)系，而有些方面可能是古DNA無法告訴我們的。比如從霸王龍骨骼中提取的古蛋白質(zhì)，為恐龍與鳥類具有親緣關(guān)系這一理論提供了依據(jù)，而這些古生物的DNA很難在化石中保存下來。

我們體內(nèi)的每一個(gè)細(xì)胞都有相同的基因，同一個(gè)人身上的肝細(xì)胞和神經(jīng)元細(xì)胞，兩者的DNA一樣，但細(xì)胞本身卻千差萬別，因?yàn)樗鼈冇刹煌牡鞍踪|(zhì)組成。如果把DNA比作一本包含所有內(nèi)容的百科全書，蛋白質(zhì)則像是依據(jù)全書編寫出來的各個(gè)學(xué)科的教科書，兩者有差別，但也有很深的聯(lián)系，所以我們也能通過蛋白質(zhì)去鑒定物種。

多虧了遠(yuǎn)古蛋白質(zhì)的存活時(shí)間要比古DNA長(zhǎng)得多，研究人員可以跨越遙遠(yuǎn)的時(shí)光，去解讀那份“教科書”。

古蛋白質(zhì)的測(cè)序相對(duì)簡(jiǎn)單

20世紀(jì)30年代，考古學(xué)家曾試圖通過鑒定蛋白質(zhì)來確定木乃伊的血型，但收效甚微。幾十年后，地球化學(xué)家發(fā)現(xiàn)構(gòu)建蛋白質(zhì)的氨基酸可以在化石中留存數(shù)百萬年，但沒有得到具體的應(yīng)用。直到本世紀(jì)初，古蛋白質(zhì)組學(xué)才逐步確立了完整的研究領(lǐng)域。

2000年，研究人員利用一種名叫質(zhì)譜法的方法來識(shí)別化石中的蛋白質(zhì)，可以更加完整和容易地分析出氨基酸序列，今天的大部分研究都使用了這種方法的改進(jìn)版本。與花費(fèi)數(shù)年時(shí)間才能完成的昂貴的古DNA研究不同，這種方法效率非常高，大約24小時(shí)就能出結(jié)果，成本也相對(duì)較低。

質(zhì)譜法，就是將蛋白質(zhì)降解、分離后進(jìn)行檢測(cè)的方法。在質(zhì)譜法中，首先，需要從面包屑大小的化石樣品中提取出蛋白質(zhì)，且將蛋白質(zhì)降解為小分子氨基酸，然后檢測(cè)這些氨基酸的構(gòu)成。最后研究人員進(jìn)一步推測(cè)出蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，再與具體的物種聯(lián)系起來。

如今，質(zhì)譜法已在蛋白質(zhì)考古學(xué)中得到多次應(yīng)用。例如，有的科學(xué)家利用該法，從一個(gè)有著12萬年歷史的巨型海貍頭骨上測(cè)定出了其中的蛋白質(zhì)；還有科學(xué)家利用此法對(duì)一些已滅絕的南美動(dòng)物進(jìn)行古蛋白質(zhì)的測(cè)定，并將這些物種進(jìn)行分類，解決了一直以來難以解釋其歸屬的謎題。

但質(zhì)譜法并不完美，因?yàn)樗谔崛〉鞍踪|(zhì)時(shí)會(huì)破壞樣品，這對(duì)珍貴的古生物遺骸來說是個(gè)硬傷。所以一般此法最主要的應(yīng)用在那些本就已經(jīng)碎片化的化石上。

那么有沒有不會(huì)對(duì)樣品造成損害的鑒定方法？

非破壞性的免疫電泳法

答案是肯定的。接下來要介紹的這種方法在古蛋白質(zhì)組學(xué)中也很有地位，像質(zhì)譜法一樣，這種名叫交叉免疫電泳法也是非?？焖俚模稍?到3天內(nèi)得到結(jié)果），當(dāng)然也比古DNA測(cè)序的成本更低。

前文提到的加拿大考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)舊石器時(shí)代人類利用工具的直接證據(jù)的例子，所用的鑒定方法就是免疫電泳法。2016年，由加拿大維多利亞大學(xué)考古學(xué)家艾普莉·諾埃爾領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，使用該法分析了44件石器工具上的蛋白質(zhì)殘留物，這些工具發(fā)現(xiàn)于約旦東北部一處氣候濕潤(rùn)的沼澤地遺址，有著25萬年的歷史。之所以選擇對(duì)這些石器工具進(jìn)行檢測(cè)，是因?yàn)樵谡訚傻貐^(qū)很難找到骨骼化石的蹤跡。盡管該遺址的發(fā)掘工作還沒有確定是哪一種類的古人類曾經(jīng)在此處生活，但研究發(fā)現(xiàn)，他們當(dāng)時(shí)在這里宰殺了牛、馬、鴨、犀牛和駱駝等動(dòng)物。這種食物的多樣性，表現(xiàn)出當(dāng)時(shí)的人類已有相當(dāng)?shù)哪芰Σ妒巢煌墨C物了。

與質(zhì)譜法不同的是，免疫電泳法不會(huì)對(duì)古生物化石或殘留物造成破壞。研究人員只要使用富含抗體的血清（即免疫血清），就可針對(duì)特定的抗原（蛋白質(zhì)）進(jìn)行識(shí)別。比如只要我們知道犀牛身上的抗原，然后就可以利用相應(yīng)的抗體去鑒定它，因?yàn)榭贵w和抗原的結(jié)合是特異性的。

遺憾的是，研究人員只能使用從現(xiàn)存物種中提取的免疫血清。如果一個(gè)物種沒有留下任何后代，他們就無法通過這種方法鑒別它了。而且免疫電泳法也存在缺陷。因?yàn)榈鞍踪|(zhì)是由一系列氨基酸組成的，然后經(jīng)過復(fù)雜的折疊才形成一個(gè)特定的蛋白質(zhì)鏈。這種免疫學(xué)方法都是抗體通過氨基酸的折疊形狀來識(shí)別蛋白質(zhì)的。如果蛋白質(zhì)的折疊結(jié)構(gòu)被破壞，抗體就不能準(zhǔn)確識(shí)別它們。

新技術(shù)發(fā)展的“陣痛期”

就像任何一個(gè)年輕的科學(xué)領(lǐng)域一樣，都會(huì)有發(fā)展的“陣痛期”。使用質(zhì)譜法的研究人員質(zhì)疑免疫電泳法的準(zhǔn)確性，而免疫電泳法的擁護(hù)者指出了質(zhì)譜法的破壞性。不過，不同方法的支持者之間若能進(jìn)行更大的合作將是所有人的勝利。在這個(gè)領(lǐng)域中，每個(gè)科學(xué)家都有自己的“錘子”，不管是質(zhì)譜法還是免疫電泳法，甚至是古DNA測(cè)定法，總的來說，能夠準(zhǔn)確敲對(duì)釘子的就是好方法。

也許在未來的某一天，隨著研究人員突破了古代蛋白質(zhì)分析的極限，可能會(huì)出現(xiàn)比這些都更具優(yōu)勢(shì)的方法?？傊?，這是一個(gè)新領(lǐng)域，有著蓬勃向上的發(fā)展空間。