ZooMS 技術(shù)及其在考古學中的應(yīng)用

文 圖/劉珊

考古學家檢查丹尼索瓦洞穴的沉積物

ZooMS（proteomic zooarchaeology by mass spectrometry screening）是通過質(zhì)譜法檢測蛋白質(zhì)組分來進行動物考古學研究的技術(shù)，旨在確認考古遺址中出土碎骨的生物種屬，從而進行生物考古學的相關(guān)研究。需要特別指出的是，該方法能有效篩選出合適的樣品進行14C 測年、骨化學和古DNA分析等有損分析。2010 年，ZooMS 技術(shù)由曼徹斯特大學的Buckley 教授和約克大學的Collins教授共同創(chuàng)立。

具體而言，膠原蛋白是脊椎動物體內(nèi)含量最豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，有高度穩(wěn)定的三螺旋結(jié)構(gòu)。不同生物的膠原蛋白，氨基酸組成和排列方式也不同，這使得不同種屬生物的膠原蛋白組分如同“指紋”一樣獨一無二。因此，通過碎骨膠原蛋白組分的還原，與已知物種蛋白質(zhì)組分進行比較，即可獲取樣本所代表生物的具體種屬。

顯然，ZooMS 技術(shù)對殘存的、變形的、抑或消失殆盡的生物骨骼樣品背后的“潛信息”的挖掘和重建具有重要的意義和價值。目前，該方法已經(jīng)在考古學等相關(guān)領(lǐng)域的研究中發(fā)揮出越來越重要的作用，解決了一系列的學術(shù)難點和熱點。

動物種屬的鑒定

山羊

一直以來，如何區(qū)分山羊和綿羊的骨骼是學術(shù)界的一個難題。鑒于此，Buckley 教授等提出了利用ZooMS 技術(shù)進行膠原蛋白肽測序可以明確區(qū)分綿羊和山羊。2001 年，他們對土耳其中南部的Domuztepe 遺址26 例新石器時代可能屬于山羊和綿羊的碎骨標本進行了ZooMS 技術(shù)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們的膠原蛋白結(jié)構(gòu)之間存在兩處明顯差異，實現(xiàn)了快速、經(jīng)濟、有效地區(qū)分綿羊和山羊。

對海洋動物骨骼進行鑒定，可以揭示物種變遷與先民之間的關(guān)系。然而，沿?？脊胚z址中出土的化石大多是碎骨，研究者難以從形態(tài)上辨認其種屬。2018 年，俄克拉荷馬大學Hofman 教授等人采用ZooMS 技術(shù)鑒定了加州海峽群島附近遺址20 個碎骨樣品。結(jié)果顯示，先民曾捕食北象海豹、耳海豹和海獺等三種海洋哺乳動物。此外，海洋哺乳動物的分布很可能揭示晚更新世先民的活動路線。

蝙蝠種群的分布極易受人類活動的影響，是潛在的生態(tài)指標。因此，通過分析蝙蝠物種組合和分布是重建古環(huán)境與先民關(guān)系的重要方法。2018 年，Buckley 教授和蘇格蘭國家博物館的Herman 教授通過ZooMS 技術(shù)對英格蘭德比郡平洞遺址蝙蝠碎骨進行研究，確定了7 個蝙蝠屬，即鼠耳蝠屬（Myotis）、褐山蝠（Nyctalus）、普通伏翼（Pipistrellus）、歐洲寬耳蝠（Barbasella）、灰大耳蝠（Plecotus）、大棕蝠（Eptesus）、菊頭蝠（Rhinolophus）。該項研究鑒定的古蝙蝠種群分類不僅為英格蘭古環(huán)境變遷提供了重要數(shù)據(jù)，而且有助于揭示更新世以來英國蝙蝠的變遷與人類活動的關(guān)系。

17 世紀中期，大西洋灰鯨在北大西洋逐漸滅絕。然而，由于缺乏充分的資料，導致人們對大西洋灰鯨消失之前的分布范圍缺乏認識。2019 年，喬治亞大學Garrison 教授等人用ZooMS 技術(shù)，分析了六個來自西大西洋的灰鯨骨骼，表明了全新世灰鯨在喬治亞灣和佛羅里達大西洋沿岸的存在，并還原了它們的遷徙路線和繁殖區(qū)域。

沿海遺址海洋生物碎骨樣品

顯然，ZooMS 技術(shù)在動物種屬鑒定方面的應(yīng)用日漸重要。目前，加勒比和佛羅里達地區(qū)的海龜碎骨、加拿大努納武特地區(qū)更新世的駱駝遺骸、澳大利亞晚更新世的袋鼠遺骸、巴拿馬珍珠群島發(fā)現(xiàn)的矮鹿遺骸等的鑒定，都取得了很好的效果。

人科碎骨的篩選

4 萬年前，解剖學意義上的現(xiàn)代人逐漸取代了尼安德特人，為了探明這一取代過程，研究者需要對大量人科碎骨進行分子層面的分析，然而考古遺址出土的碎骨從形態(tài)上很難辨認其是否屬于人科，限制了相關(guān)研究的深入。2016 年，德國馬普人類演化研究所的Welker 博士等人利用ZooMS 技術(shù)鑒定了法國Grotte du Renne 遺址出土的196 個碎骨樣品，識別出28 個人科碎骨。在此基礎(chǔ)上，進行了14C 測年、穩(wěn)定同位素分析、古DNA 分析。研究結(jié)果顯示：AR-14 代表的嬰兒個體食物中蛋白質(zhì)主要源于母乳，測年結(jié)果為36840±660 BP；生物分子數(shù)據(jù)顯示該遺址的人骨標本既具有現(xiàn)代人的基因，也具有尼安德特人的基因，這使我們更加全面的看待人類起源的問題。

20 世紀80 年代，丹尼索瓦洞穴人骨的DNA 研究成果顯示，尼安德特人、丹尼索瓦人及現(xiàn)代人的祖先彼此都有過雜交。這使得現(xiàn)代人的起源問題變得更為復雜。為了深入研究，亟需從丹尼索瓦洞穴成百上千的碎骨中篩選出人類碎骨的標本。2018 年，牛津大學Higham教授等人認為ZooMS 技術(shù)是最合適的方法。在Buckely 教授的幫助下，他們從丹尼索瓦洞穴800 個碎骨里篩選到一塊丹尼索瓦人碎骨，進一步的古DNA 研究發(fā)現(xiàn)這塊碎骨的母親是尼安德特人，父親是丹尼索瓦人，測年分析結(jié)果顯示沒有任何可追蹤的14C，這意味著這塊碎骨的年代已經(jīng)超過了5 萬年。這項研究成果完善了人類起源的相關(guān)問題，利用ZooMS 技術(shù)，我們將會探索到更多藏在骨頭中的秘密。

食物或骨質(zhì)工具鑒別

蛋殼是考古遺址中常見的遺物，對于理解先民的行為意義重大。然而，面對破碎的蛋殼，研究人員卻無從下手。2013 年，約克大學Stewart 教授等人利用ZooMS 技術(shù)對蛋殼進行分析，進而對其進行分類，以了解先民和蛋類的關(guān)系。他們在英國Hungate 和Coppergate遺址采集了超過2750 個蛋殼碎片進行分析，鑒定出雞蛋、鵝蛋和鴨蛋。其中，鵝蛋殼在Coppergate 遺址所占比例高達41%，雞蛋在兩個地點都普遍存在，但鴨蛋殼僅在Coppergate遺址被發(fā)現(xiàn)。以上數(shù)據(jù)表明，該城鎮(zhèn)的各個社會階層都可以獲得雞蛋，而鵝蛋可能是貴族食物。

通過對殘留物的分析可以反映古器皿的功能、先民的習俗、先民對食物的加工等信息。2010 年，西安臨潼區(qū)灣李村戰(zhàn)國晚期M208 中發(fā)現(xiàn)了一個銅敦，里面盛放著塊狀碳化物，掰開其中一塊發(fā)現(xiàn)有白色的彈性肌腱膜和肉絲。經(jīng)過X 光分析，內(nèi)部沒有骨頭存在，這導致無法通過動物考古等手段研究其屬于哪種肉類。中國科學院大學的楊益民教授等人利用ZooMS技術(shù)最終鑒定其為黃牛肉。這是我國目前首次將該方法應(yīng)用在考古學研究。

2016 年，楊益民教授等人利用ZooMS 技術(shù)分析了新疆小河墓地3500 年前的固體奶制品，結(jié)果顯示是奶酪，并且含有開菲爾乳酸菌和酵母菌，因此可以推斷當時的先民已能夠釀制一種特殊的發(fā)酵乳，即開菲爾（kefir）。對臨近的距今約3800 年前的古墓溝墓地中的殘留物進行分析，發(fā)現(xiàn)了酸奶沉積物。研究者推斷：一是兩處墓地同屬小河文化，奶制品卻明顯不同，這可能由于小河墓地人有乳糖不耐的體質(zhì)特征，需要更易消化的奶酪制品；二是當時的羅布泊氣候在惡化，固體奶制品保存期長且易于攜帶，更適合人類長距離的遷移。

三顆灰鯨牙齒碎片

兩顆灰鯨須側(cè)視圖

西安灣李村戰(zhàn)國晚期M208 銅敦中的肉制品

人類的愛美之心由來已久，考古遺址也發(fā)現(xiàn)了大量的化妝工具及其相關(guān)物。通過ZooMS技術(shù)的分析，我們可以獲知古人化妝的細節(jié)。2016 年，楊益民教授等人對新疆小河墓地的一個皮包及內(nèi)含物進行了一系列科技分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)含物是用牛心制成的化妝棒，上面覆蓋著一層赤鐵礦粉。這個發(fā)現(xiàn)不僅揭示了該遺址牛的特殊用途，而且還呈現(xiàn)出獨特的宗教功能。此外，這些紅色的化妝棒通常與婦女一起埋葬，這意味著這些婦女可能在宗教活動中起特殊作用。

膠粘劑是早期人類使用最廣泛的材料之一。然而，想精準地分析它們的成分卻面臨諸多挑戰(zhàn)，以致于無法得知它們的來源。2014 年，楊益民教授等人對小河墓地出土的一件法杖樣品，應(yīng)用ZooMS 技術(shù)分析其鑲嵌骨雕的粘合劑。結(jié)果顯示，鑲嵌骨雕的粘合劑為牛膠，從而將我國動物膠利用時間追溯到了3500 年前。

在測年技術(shù)中的應(yīng)用

膠原蛋白是骨骼測年的常用材料，但受限于保存環(huán)境及提取技術(shù)等，相關(guān)的測年價格也較為昂貴。2016 年，曼徹斯特大學Harvey 教授等人提出可以用ZooMS 技術(shù)篩選出放射性碳測年的樣品。該團隊利用Cayman Brac 洞穴的硬毛鼠骨骼進行測試，證實這些樣品可以用于14C測年。顯然，ZooMS 技術(shù)是篩選14C 測年樣品的一個重要手段。

ZooMS 技術(shù)指紋圖譜中觀察到的谷氨酰胺的脫酰胺程度可以作為測年的指標。2019 年，曼徹斯特大學Chowdhury 等教授分析了來自法國Grotte Mandrin 遺址的一組已知年代的骨標本，以驗證脫酰胺法是否可用于年代測定。分析結(jié)果表明，脫酰胺法可以測年，但只有在保存的極其完好的樣品中，觀察到的脫酰胺化程度才更加接近準確年代?？梢?，脫酰胺程度對于年代測定具有潛在的適用性。

a M17 出土皮囊及內(nèi)裝化妝棒；b M17 化妝棒的表面形貌；c M17 化妝棒的CT 切片；d M22 出土皮囊及內(nèi)裝化妝棒；e M22 化妝棒的表面形貌；f M22 化妝棒的CT 切片

Cayman Brac 洞穴出土硬毛鼠頭骨

盡管ZooMS 技術(shù)在考古學研究領(lǐng)域越來越重要，但它的局限性也日漸凸顯。首先，古骨可能會受到土壤、細菌、實驗室污染物等的污染，通過ZooMS 技術(shù)測蛋白序列時可能會產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。因此，相關(guān)環(huán)節(jié)一定要避免交叉污染。其次，相關(guān)數(shù)據(jù)庫還很不完善，需要確定更多物種的生物標記信息。最后，胰蛋白酶位點修飾之后的一些肽不再與標準蛋白肽匹配，因此需要更深入的研究蛋白質(zhì)組學中特定部分的序列組成。隨著ZooMS 技術(shù)的改進和完善，一定能發(fā)揮出更大的潛力和魅力。