人類牙釉質同位素研究的進展與展望

關鍵詞：牙釉質；同位素；生長發(fā)育；化學組成；成巖作用

進入21世紀以來，隨著生物考古學的快速發(fā)展，牙齒、骨骼、毛發(fā)及指甲等不同人體組織已陸續(xù)被應用于氫（δ2H）、氧（δ18O）、碳（δ13C）、氮（δ15N）、硫（δ34S）、鍶（87Sr/86Sr）、鋅（δ66Zn）、鎂（δ26Mg）、鈣（δ44/42Ca）及鉛（Pb）等多種同位素研究。其中，牙釉質以其獨特的生長發(fā)育特征和化學組成，備受同位素生物考古學研究者的青睞，尤其是在重建古代人類生命早期的生活史、居住史及健康史等研究方面具有非凡的潛力。目前，國際上對于人類牙釉質的同位素研究已有深刻認識，然而國內由于起步較晚，導致了在實際操作過程中，實驗取樣和研究方法陳舊，具體研究課題偏于單一，甚至對于基本原理的把握也不夠系統(tǒng)和科學。為了加深國內學者對該項研究的理性認識，推動其為中國考古學界重大科學問題的解決作出重要貢獻。下面將圍繞多種同位素研究在人類牙釉質的生長發(fā)育機制、化學組成特征、抵抗成巖作用的有效性中的應用，主要研究主題的回顧及評述，以及對未來研究的思考與展望等幾方面進行綜述。

1人類牙釉質的生長發(fā)育機制

深入了解牙釉質的生長發(fā)育機制，是實現(xiàn)齒冠牙釉質高精度序列取樣的保障，同時也是解讀不同微量元素或同位素融入發(fā)育中的牙釉質模式和時間的基礎。人類牙齒的生長發(fā)育模式具有一致性，并且不受時間、地域、遺傳、個體健康及營養(yǎng)狀況等因素所影響[1]。從口腔上皮的增生開始，直至生長發(fā)育結束，所有牙齒都經歷了牙胚發(fā)生、逐漸礦化、齒冠形成、萌出及完全發(fā)育五個重要階段[2，3]。

對于牙釉質主要附著的齒冠來說，從胎兒14周左右正中切牙開始逐漸礦化，至出生后3～9個月人類乳齒齒冠全部完成發(fā)育，上、下頜相對應的乳齒齒冠生長周期沒有明顯差異[4]。而人類恒齒齒冠礦化的時間較晚，并且生長周期較長，直到14.5歲左右第三臼齒齒冠才發(fā)育結束，上、下頜相對應的恒齒齒冠生長周期差異明顯[5，6]。

牙釉質作為組成人類牙齒的三大主體部分之一，其形成主要包括釉質基質分泌和礦化成熟兩個不同階段，這兩個階段可以根據(jù)成釉細胞結構和功能的變化及其對釉質成分的影響來確定[7]。在牙釉質基質分泌階段，釉質晶體被成釉細胞播種在附近的蛋白質基質中，并在成釉細胞退縮后拉長，產生薄的結晶帶，最終延伸成整個釉質的厚度[8]。圖1中詳細描繪了齒冠形成過程中成釉細胞的分化模式[9，10]。首先，成釉細胞在即將形成的齒尖下方分化，并沉積成為第一個牙釉質增量。之后，沿著釉牙本質界（enamel-dentinaljunction，EDJ）向下延伸到極限，即內釉上皮與外釉上皮融合形成上皮根鞘。在釉質形成的分泌階段，釉質礦物每天沉積（外加生長）。圖上的點位4表示齒尖的成釉細胞分泌結束并過渡到成熟階段（外加生長）；點位5表示的是結束分泌的成釉細胞重組，沿著釉質表面移動，并且即將過渡到成熟階段。這時一個分泌型成釉細胞在齒頸處終止，齒冠形狀確立。此后，整個齒冠釉質處于成熟階段，包括殘余的釉質蛋白清除，以及現(xiàn)有的釉質結晶并不斷生長。

在齒冠的早期發(fā)育過程中，一旦在上皮—間充質的相互作用下確定了釉牙本質界（EDJ）的位置，那么附著牙釉質的齒冠形狀就由五個生長參數(shù)決定，即：1）外加生長率；2）外加生長持續(xù)時間（齒尖）；3）成釉細胞擴展速率；4）成釉細胞擴展持續(xù)時間；5）外加終止的擴展速率[11]。這五個生長參數(shù)也是潛在的生物控制的要點（圖1：A）。

由于成釉細胞的分泌會發(fā)生周期性的改變，導致牙釉質在發(fā)育的過程中留下了短周期和長周期的增量標記。短周期增量代表了每天的釉質分泌情況，表現(xiàn)為形成與釉柱長軸相垂直的細線，即釉柱橫紋，測量相鄰橫紋之間的距離可以計算每天的釉質沉積率[12，13]。長周期增量表現(xiàn)為經過7～11天的沉積之后，形成比橫紋更寬的線條，出現(xiàn)在牙釉質切面上稱Retzius條紋，延伸到牙釉質表面又稱釉面橫紋[14，15]。在靈長類動物中，相鄰Retzius條紋之間的距離從釉牙本質界（EDJ）到釉質表面不斷增大，從齒間到齒頸不斷減小[16，17]（圖1：B，C）。

除了受成釉細胞分泌的周期性影響外，出生（新生兒線）和疾?。ㄑ烙再|缺損）也會干擾到人類牙釉質增量條紋的形成[18]。因生長周期不同而產生的增量標記，在牙本質中也同樣存在，特別是牙本質和牙釉質的長周期增量條紋之間存在1：1的關系，所以說它們的形成受到了相同干擾因素的影響[19]。牙釉質和牙本質一旦發(fā)育就不再重塑，這些特殊的增量標記將永久保留，為揭示個體早期不同生命階段融入的微量元素或同位素的動態(tài)變化提供了保障[20]。

牙釉質的礦化成熟發(fā)生在釉質基質分泌階段之后，其特點是礦化的速率大幅提升[7]。相應地，在牙釉質礦化成熟期間，成釉細胞層的鈣含量比分泌期間高4倍，而大約86%的鈣是通過褶皺末梢的成釉細胞主動傳輸?shù)腫21]。與鈣的傳輸方式不同，鍶在成釉細胞層中的傳輸是被動的[22，23]。由于牙釉質礦化程度在整個齒冠上是不同的，通常來說，礦化程度高、密度大的牙釉質區(qū)域，在礦化成熟期鈣和鍶沉積的比例較大。相反，礦化程度低的牙釉質區(qū)域在釉質基質分泌期沉積了更大比例的鈣和鍶。因此，有學者推測，齒冠上牙釉質礦化程度高的部位，鈣的富集率較高，而鍶/鈣（Sr/Ca）的比值較低[24]。也正因為人類牙齒從釉牙本質界（EDJ）到釉質表面的礦化程度不斷增加，所以鍶/鈣（Sr/Ca）的比值在齒冠表面的牙釉質中最低，而在咬合面最深處最高[25，26]。

2人類牙釉質的主要化學組成

牙釉質作為一種具有晶體超微結構的復合材料，包含了大約95%的礦物質，以及4%的水和1%的有機物[27]。其礦物成分主要以羥基磷灰石或磷酸鈣的形式形成。羥基磷灰石的化學式為：Ca10（PO4）6（OH）2，但由于牙釉質生物磷灰石中通常缺乏鈣離子，為了維持平衡，部分磷酸鈣離子被碳酸鈣離子以2：1的形式取代，從而重新組合成了牙釉質羥基磷灰石的化學式：Ca4.5[（PO4）2.7（HPO4）0.2（CO3）0.3]（OH）0.5[28，29]。這其中又包含了兩種適合于同位素分析的氧離子形式，分別是結構性碳酸鹽（CO32–）和更豐富的磷酸鹽（PO43–）[30]。CO32–和PO43–中的δ18O值（又稱δ18OC和δ18OP）是同源的，其同位素組成與人體中的水體氧有直接關聯(lián)，而人體中的水體氧又與恒定體溫下攝入的水的組成有關[31，32]。對于大多數(shù)哺乳動物來說，體內攝入的水反映了當?shù)氐拇髿馑甗30]。因此，如果能科學地測試人和動物不同組織中的δ18O值，將有助于評估其在不同生命階段定居與遷徙過程中伴隨的氣候環(huán)境變化[33]。

目前，學界尚未明確人類牙釉質中CO32–和PO43–之間的直接關系。Bryant和Froelich[34]通過對馬牙釉質的CO32–和PO43–中的δ18O值進行聯(lián)合測定，總結出了哺乳動物羥基磷灰石氧同位素的系統(tǒng)知識。Iacumin等[35]認為這兩種離子之間的關系，可以作為評估牙釉質羥基磷灰中的CO32–離子和原始的δ18OC值受成巖作用影響程度的指示。Koch[36]和Dupras[37]等則提到，由于C-O較弱，因此CO32–離子更容易受到成巖作用的影響。相反，在牙釉質的羥基磷灰石中大部分的氧都與PO43–離子結合在一起，其P-O也更強，被認為更耐成巖作用[38]。但在實際操作過程中，牙釉質中CO32–離子卻是一種精確、快速且廉價的氧同位素分析方法，并且在得到δ18OC值的同時產出δ13CC值，額外提供了個體生前的飲食信息。然而，PO43–離子的分析存在缺乏匹配的參考基質、研究方法偏差、研究流程復雜且耗時等缺點[39，40]，因此，目前已發(fā)表的關于人類牙釉質羥基磷灰石氧穩(wěn)定同位素的研究成果，大多數(shù)都集中于CO32–離子的分析。

3人類牙釉質抵抗成巖作用的有效性

對牙齒和骨骼中的羥基磷灰石進行同位素研究是十分有必要的。首先，生物個體羥基磷灰石中的CO32–記錄了大量食物（碳水化合物、脂質及蛋白質）的碳同位素組成，而膠原蛋白很大程度上僅受到食物中蛋白質的碳同位素組成的影響[41，42]。其次，一些學者已經證明，利用羥基磷灰石和膠原蛋白碳同位素數(shù)據(jù)的差異性可以評估雜食性動物的營養(yǎng)水平[43，44]。最后，由于鍶的離子半徑（0.113nm）和鈣（0.099nm）接近，當鍶通過食物進入生物體內后，會取代鈣沉積在不同組織的羥基磷灰石中，并成為同位素追溯人和動物居住史的主要研究材料[45，46]。但生物體不同組織的羥基磷灰石在開展同位素研究之前，必須對其受成巖作用的影響程度進行評估。

自然界中，人和動物最容易保存的生物羥基磷灰石的組織有：骨骼、牙本質、牙釉質及鱗片等[47]。在長期的地下埋藏過程中，這些生物組織通常會遭受來自溫度、水文、地球化學及微生物等因素的干擾，進而產生溶解、吸附、膠原蛋白流失及結晶度增加等物理和化學改變[48，49]。Nielsen-Mars和Hedges[50，51]提出了用膠原含量、組織的完整性、孔隙度及結晶度四個參數(shù)，來作為判斷不同埋藏地點和不同埋藏環(huán)境下生物體不同組織的成巖模式。而這四個成巖參數(shù)之間具有相關性，參數(shù)越高表示成巖作用等級越高。

人類牙本質和骨骼富含的有機物大于20%，礦物晶體體積?。?0nm×4nm）、孔隙大且結晶度差，在埋藏的過程中通常會經歷廣泛的再結晶并較難修復[52，53]。如果再結晶產物為碳酸鹽羥基磷灰石，則可能將環(huán)境中的碳酸鹽引入樣品；而如果再結晶產物為氟磷灰石，則結構性碳酸鹽的同位素組成可能不受影響[54]。因此，過去研究者提出用Ca/P值、X射線衍射、拉曼光譜和掃描電鏡等方法來監(jiān)測考古遺址中人類牙本質和骨骼的成巖污染程度[28，55]，并嘗試采用物理打磨和稀乙酸反復清洗、浸泡來去除樣品的成巖污染[56，57]。但盡管如此，目前尚未有被學術界公認的監(jiān)測和去除成巖污染的方法，并且牙本質和骨骼的生物羥基磷灰石是否適合進行同位素研究仍存在爭議[45，58]。

不同于骨骼和牙本質，人類牙釉質有著高密度的礦化組織，其礦物含量超過95%，生物羥基磷灰石的晶體結構更有序，相對晶體尺寸也更大（130nm×30nm），對成巖作用有很強的抵抗力，在長期的埋藏過程中保留了原始的同位素特征[59-61]。Kocn[62]認為人類牙釉質中氟離子也占有一定比重，即使受成巖作用的影響，再結晶的產物也多為氟磷灰石，不能對原始的同位素造成影響。Kohn和Cerling[63]總結了46項關于成巖作用的研究成果，結果發(fā)現(xiàn)不同時空范圍內考古遺址中出土的人類骨骼和牙本質幾乎從未完整保存過原始的同位素組成，而所有牙釉質樣品中生物羥基磷灰石的CO32–和PO43–同位素組成也沒有任何變化的證據(jù)，并且牙釉質中鍶同位素（87Sr/86Sr）的保存狀況也比其他組織好。因此，在生物考古學界牙釉質已成為羥基磷灰石同位素分析和研究的主要對象[64，65]。

4幾個研究主題的進展與評述

目前，國際上針對人類牙釉質的同位素研究多是圍繞最耐成巖作用的氧（δ18O）、碳（δ13C）及鍶（87Sr/86Sr）展開，它們是牙釉質生物羥基磷灰石的主要或替代成分。隨著質譜技術的飛速發(fā)展，鋅（δ66Zn）、鎂（δ26Mg）、鈣（δ44/42Ca）及鉛（Pb）等非傳統(tǒng)同位素方法的應用也逐漸成為新的研究趨勢。由于生物與環(huán)境之間固有的協(xié)同作用，使得人類牙釉質同位素研究的科學范圍非常廣泛。除了探討古代人類生命早期的飲食結構、喂養(yǎng)策略、生業(yè)模式、生存環(huán)境及遷徙與融合之外，近年來人類牙釉質同位素研究還被應用于個體生理和病理狀況的研究。本文將以往有關人類牙釉質同位素研究的諸多話題，升華并凝練為人類的生活史、居住史及健康史三大科學主題進行評述。

4.1人類生活史的復原

4.1.1傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素方法的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

早在20世紀80年代末，國際生物考古學界就已經認可了人類牙釉質進行穩(wěn)定同位素研究的優(yōu)越性[58]。近年來，隨著牙釉質序列采樣的碳、氧穩(wěn)定同位素研究不斷深化，針對個體或群體幼年生活史的復原也被提上日程[66-69]，但這項研究仍存在較多缺陷。研究結果顯示，季節(jié)變化、母乳喂養(yǎng)、身體發(fā)育及食物烹飪等不同因素都會影響個體牙釉質δ18O值的變化[70，71]。盡管Robert等[72]在1988年的研究中就已經提出“母乳喂養(yǎng)的嬰兒尿液中δ18O值明顯高于配方奶粉喂養(yǎng)的嬰兒；與飲用當?shù)氐乇硭膵雰合啾?，母乳喂養(yǎng)的嬰兒尿液中δ18O值約富集4.0‰～5.0‰”。然而，與氣候、季節(jié)、緯度及海拔等自然因素相比，母乳喂養(yǎng)對人體δ18O值變化的影響是微不足道的，因為當這些自然環(huán)境發(fā)生變化時人體δ18O值的變化范圍基本在10.0‰以上[73]。另一方面，碳穩(wěn)定同位素分析雖然有效地提供了飲食信息，但也僅限于個體生前所攝取的植被類型，或依賴于任何中間消費者的組織所留下的獨特碳同位素特征[74，75]，所以無法確定食物資源的確切信息。此外，牙釉質的δ13C值實際上僅能識別嬰兒出生后大約6個月之前的純母乳喂養(yǎng)階段，而短暫的純母乳喂養(yǎng)期在具體研究過程中往往被之后更重要的斷乳期所掩蓋[76]。

由于干擾因素較多，截止到目前，生物考古學界應用牙釉質羥基磷灰石碳、氧穩(wěn)定同位素來復原古代人類早期生活史的廣泛性，遠遠不及牙本質膠原蛋白的碳、氮穩(wěn)定同位素研究。然而，使用單一的地球化學方法來解讀人類生活史，其研究范圍往往十分有限。例如，盡管牙本質氮同位素分析是一種揭示個體生前營養(yǎng)狀況的成熟方法，但氮同位素僅局限于區(qū)分個體的蛋白質消耗量，同樣無法確定蛋白質來源[77]。此外，作為提取碳、氮穩(wěn)定同位素的膠原蛋白在生物遺骸埋葬后會迅速降解，在年代超過50ka的樣本中很少會有存留，尤其在濕熱的氣候環(huán)境下更難保存[78，79]。因此，牙釉質非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素分析的展開，對于揭示古代人類生活史進行了實質性的改進。

4.1.2非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素方法的潛力與缺陷

在復原人類生活史的過程中，當無法提取膠原蛋白以分析氮同位素時，鋅、鎂及鈣等非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素方法也可以從人和動物能有效抵抗成巖作用的牙釉質中獲取營養(yǎng)級信息[78，80]：

1）牙釉質鋅穩(wěn)定同位素分析結果是區(qū)分肉食動物和草食動物的重要指標。鋅穩(wěn)定同位素最初的研究對象主要來自于哺乳動物的組織，直到2011年才被應用于對人類血液、骨骼及牙齒的研究上[81]。迄今為止，牙釉質已成為鋅穩(wěn)定同位素研究的主要材料，盡管研究案例有限，但已經凸顯出了重建個體生活史的巨大潛力。牙釉質的鋅同位素組成受食物來源的影響最大，并且陸生營養(yǎng)鏈的δ66Zn值與δ15N值的變化趨勢相反，較高的營養(yǎng)級與較低的δ66Zn值相關[82-85]。肉食動物牙釉質羥基磷灰石中通常缺乏較重的鋅同位素，其表現(xiàn)的δ66Zn值也比同一地點食物網(wǎng)中的食草動物低約0.4‰～0.5‰[80]。

2）牙釉質鈣穩(wěn)定同位素分析法可以有效識別食物中的蛋白質來源。鈣穩(wěn)定同位素作為一種強有力的食物鏈示蹤劑。Tacail等對現(xiàn)代人類牙釉質鈣穩(wěn)定同位素分析后認為，長期母乳喂養(yǎng)的幼兒體內的δ44/42Ca值，通常比短期母乳喂養(yǎng)/商業(yè)奶粉喂養(yǎng)的幼兒值更低[86]。另一方面，相較于肉類而言，鈣同位素在乳制品中的含量較高，而相較于植物和水等其他食物來源，鈣同位素在乳制品中的含量則異常低[77]。作為鈣的主要儲存庫，牙釉質的鈣穩(wěn)定同位素分析還為追溯個體對于乳制品的消費模式提供了一種方法，以補充傳統(tǒng)氮穩(wěn)定同位素無法區(qū)分蛋白質來源的缺陷，以及陶器中殘留物分析對于古代乳業(yè)發(fā)展狀況的評估[87]。

3）牙釉質鎂穩(wěn)定同位素分析法可以有效解讀生態(tài)相互作用。在牙釉質羥基磷灰石中，鎂是僅次于鈣的第二大金屬元素，與其他非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素相仿，牙釉質的鎂穩(wěn)定同位素分析也可以重建古代人類的食物網(wǎng)，并為了解生態(tài)相互作用提供了機會[88]。研究結果表明，人和動物組織中的鎂穩(wěn)定同位素分餾主要取決于生理代謝，但攝入的食物類型也可能會造成營養(yǎng)級之間的重疊。由于從草食動物到肉食動物體內的δ26Mg值整體呈上升趨勢。因此，當無法進行膠原蛋白的氮同位素分析時，牙釉質的鎂穩(wěn)定同位素研究也可以有效揭示個體的營養(yǎng)級信息，并且還可以探索早期人類活動的深時生態(tài)系統(tǒng)。

牙釉質非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素分析，為解決復雜的生物分餾機制提供了新的代用指標，特別是在標本取樣有限和保存狀況不佳的前提下能夠精確地重建個體生活史。而該項研究之所以能在短時間內實現(xiàn)飛速發(fā)展，離不開多接收電感耦合等離子體質譜法（MC-ICP-MS）的支持[74，89，90]。相較于傳統(tǒng)的牙釉質碳、氧穩(wěn)定同位素分析，MC-ICP-MS技術在非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素分析過程中的應用不但節(jié)省了樣本量，而且對于同位素比值的測試精度也提高了一個數(shù)量級以上[79，91，92]。盡管如此，牙釉質的非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素研究，仍有許多亟待完善之處。如，生理代謝與體內非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素分餾機制的關系尚未得到充分探索，這很大程度上限制了對個體體內同位素數(shù)據(jù)變化的理解和解釋。對牙釉質高精度的序列取樣進行非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素分析可以科學地監(jiān)測個體生命早期生活史的動態(tài)變化，但該取樣方法所依賴的具有耗材少、靈活性大等優(yōu)勢的手工鉆孔或激光熔蝕微鉆孔技術卻明顯缺乏推廣。

4.2人類居住史的追蹤

4.2.1氧穩(wěn)定同位素方法的廣泛性與復雜性

相較于復原生活史，氧同位素研究對于追蹤人類居住環(huán)境和遷徙路徑等居住史的相關內容具有更大潛力。人類牙釉質生物磷灰石是人類牙齒的無機成分，并能在37°C的恒溫環(huán)境下與人體水保持同位素平衡狀態(tài)。人體水中氧的主要輸入來源是飲用水、食物水及大氣中的氧，人體水主要反映了飲用水中氧的同位素組成[93]。而地下水或地表水的氧同位素組成與當?shù)氐慕邓Ｊ接嘘P，而當?shù)氐慕邓Ｊ诫S著緯度、濕度、海拔及海陸位置等自然因素的變化而變化，正是這些變化促使δ18O值成為追蹤人類居住史的相關地理標志[94-96]。通過使用線性回歸的方式將牙釉質羥基磷灰石中測定的δ18OC或δ18OP值轉換為相應的δ18OW值，并將其置于不同區(qū)域飲用水的δ18OW值空間分布圖（同位素景觀/isoscapes）中進行比較，從而追蹤個體不同生命階段的居住史狀況[97-100]。

從20世紀80年代起，有學者已經試圖通過研究人體組織生物羥基磷灰石與飲用水之間的線性關系來了解人類的居住環(huán)境，這也成為了氧穩(wěn)定同位素追蹤人類居住史的基礎[101，102]。然而，由于不同的水/牙釉質轉換方程的斜率和截距存在明顯差異，進而可能會導致轉換后的飲用水δ18OW值也出現(xiàn)偏移。因此，一直以來依賴于全球降水同位素網(wǎng)絡形成的不同水/牙釉質轉換方程被廣泛提出[103，104]。20世紀初開始，以Bowend等[105，106]為代表的學者試圖構建高分辨率的全球大氣降水δ18OW值空間分布圖（同位素景觀/isoscapes），時至今日人們已經對中國[107]、美國[108]、墨西哥[109]、法國[110]、南非[99]及韓國[111]等廣大地區(qū)自來水的δ18OW值空間變化有了更多的了解。在此基礎上，牙釉質生物羥基磷灰石的氧穩(wěn)定同位素研究，除了被生物考古學界廣泛應用于全新世和更新世人群的居住史追蹤之外，還經常被現(xiàn)代法醫(yī)人類學用來考察身分不明遺骸的出生地、居住地及活動軌跡等信息。

除了自然因素對人類飲用水的同位素組成產生影響之外，人體的生理和新陳代謝因素，如體型差異、鍛煉強度、營養(yǎng)壓力和疾病都被證明會影響組織—飲食同位素分餾[112，113]。如果人體組織的氧同位素組成受到干擾，那么對于其居住模式的分析和解釋便會復雜。Brettel等[114]研究還發(fā)現(xiàn)，喂養(yǎng)模式、飲食習慣及烹飪方法也會影響人體水的δ18OW值，進而影響其鈣化組織中的δ18O值。如釀造、燉煮及腌制都會造成水體的蒸發(fā)分餾，從而導致δ18OW值富集，至于富集程度則因具體的烹飪技術、時間及溫度而異[114]。因此，當我們通過牙釉質生物羥基磷灰石的氧同位素研究來追蹤人類居住史的時候，必須考慮到以上多種影響因素。

4.2.2鍶同位素方法的高效性與局限性

鍶同位素方法追蹤人類居住史，其靈感主要來自于環(huán)境地球化學中的物源研究[115]。自然界中土壤、地下水及植物中富含了大量生物可利用的鍶（BioavailableSr），以食物和飲用水為媒介進入人和動物體內，所以確定某地生物可利用的鍶組成是推斷人類居住史的前提。由于鍶的原子量較大，在食物鏈的遷移過程中同位素分餾很小，往往被忽略不計[116]。此外，古代人類牙釉質和骨骼的87Sr/86Sr比值基本都會受到基巖的控制[117]，但事實上并非所有地區(qū)生物可利用的鍶都完全來自于基巖。因此，利用鍶同位素方法追蹤人類居住史，必須要認真考察當?shù)鼗鶐r、土壤、水和植物等地質環(huán)境的鍶同位素組成特征[45，46，118]。

在21世紀初，牙釉質中生物可利用的鍶到成巖作用的鍶較低的重置率就已經被相關學者認可[119]，但直到近十多年來，牙釉質才成為鍶同位素方法追蹤古代人類居住史的主要研究材料[120-122]，目前鍶、氧同位素聯(lián)合使用的方法也逐漸被提上日程。特別是隨著區(qū)域性生物鍶同位素比值分布圖陸續(xù)建立，為示蹤人類來源地和遷徙路線提供了基礎，但利用人體不同組織的鍶同位素分析來追蹤人類居住史，卻面臨諸如較難辨別個體來源地等學術難題[45，123]。這也體現(xiàn)了單一同位素追蹤人類居住史的固有局限性，而多同位素分析方法則具有解決這些問題的可能。如牙釉質鉛同位素分析因其空間變異性大以及有據(jù)可查的地質和地理限制因素，在一定程度上可以提高個體來源地評估的準確性。

4.2.3鉛同位素方法的先進性與獨特性

雖然鉛和鍶都來自于地質源，但它們沒有直接聯(lián)系，分別反映了生物圈的不同方面，通常認為鍶同位素與巖石的巖性密切相關，而鉛同位素則與地質構造體系相關[124]。在生物考古學分析中通常測試四種不同豐度的鉛同位素，其中206Pb、207Pb和208Pb是放射性同位素，而204Pb則是原始同位素[125]。在考古學研究中，鉛同位素方法可用來揭示自然和人為鉛暴露情況下人群的地理遷徙，特別是與鍶等其他同位素研究相結合時將具有更大潛力。但直到2000年Montgomery等[126]才首次將其應用于人類牙釉質研究。從牙釉質的相關分析結果來看，生物圈中產生的鉛主要通過母體的血液或乳汁進入胎兒或嬰幼兒體內[123]。而在斷乳之后，個體體內的鉛都是通過吸入灰塵、攝取飲食及皮膚接觸等途徑融入。與成人體內鉛保存比率5%～15%相比，嬰幼兒的胃腸道尚未完全發(fā)育，他們體內最終保存鉛的比例將更高，可達到40%[125]。此外，當個體在空腹或飲水后的狀態(tài)下，飲食中的鉛將會被更有效地吸收（嬰幼兒吸收率為100%，成人為35%～60%），而如果同時攝入高濃度的鈣、鐵和鎂時則會抑制鉛的吸收[127]。盡管鉛進入人體后，在軟組織中將很快被清除，但卻能牢固地保存在骨骼和牙齒中，為監(jiān)測個體長期接觸該種同位素提供了條件，并可模擬鉛污染源在其不同生命階段居住史中的變化[128]。

近20年來，應用牙釉質鉛同位素分析來追蹤不同時空范圍內人群的流動與來源等居住史問題已經逐漸普遍。然而，針對個體牙釉質中鉛源的解釋，相關學者往往只關注自然環(huán)境中暴露的鉛，而忽視了與人類關系密切的含鉛物質產品。這些人為接觸到的含鉛物質產品可能存在采購、進口及當?shù)厣a等多種來源方式，也可能是人群中主流或唯一的鉛來源[129，130]。在無法繪制所有潛在鉛來源地圖的情況下，就需要充分關注考古學材料和歷史文獻提供的信息。此外，儀器分析技術的進步，尤其是激光剝蝕多接收電感耦合等離子體質譜法（LA-MC-ICP-MS）的應用，無需提煉樣品就能獲取高空間分辨率的同位素數(shù)據(jù)，既有效解決了牙釉質鍶同位素比值的混合效應，也是獲取個體產前和生命早期體內鉛強度動態(tài)變化的有力工具。特別是對于鉛含量極低的齒冠牙釉質來說，這種分析技術可以更精確地評估牙釉質鉛含量與居住環(huán)境、飲食特征及生活方式之間的關聯(lián)，從而追蹤個體生命早期不同階段鉛來源的途徑[131]。需要注意的是，鍶含量較低的牙釉質樣本，其LA-MC-ICP-MS測試的準確度較低，可能滿足不了牙釉質高精度序列取樣的理想鍶同位素研究結果[132-134]。

4.3人類健康史的探索

以上提到的牙釉質同位素研究主題，絕大部分是基于生物組織與其飲食之間的對應關系，即“我即我食”（Youarewhatyoueat）[135]。但實際上，飲食和營養(yǎng)雖然相關，卻并不是緊密相連的，對飲食的理解并不一定就是對營養(yǎng)或健康的理解[136]。人類任何的消化代謝異常都有可能會影響到體內的同位素分餾，基于此，F(xiàn)uller等在2004年提出了“我非我食”（Youarenotwhatyoueat）的概念[137]。這意味著在分析穩(wěn)定同位素自然豐度方面的創(chuàng)新已經從重建人類群體的飲食結構拓展到生理健康、疾病過程及營養(yǎng)狀態(tài)等相關主題。

牙釉質的主要化學成分，決定了其對人類健康史的探索主要是依靠氧、鉛及鈣等同位素分析來實現(xiàn)。近年來已經開展的系列工作，為了解人類過去和現(xiàn)在的健康狀況提供了同位素生物化學的解釋。Luz等最早發(fā)現(xiàn)糖尿病患者體內的δ18O值與飲用水中δ18OW值呈正相關[32]。Kuo等也提出，個體尿液的穩(wěn)定同位素分析對于指證腎臟疾病具有潛在作用[138]。Reitsema和Crews經過實驗比較，認為患有鐮狀細胞貧血的個體δ18O值明顯低于健康人群[112]。Li等曾經采用激光熔蝕微鉆孔技術對個體牙釉質進行了高精度的序列取樣，研究結果表明女性第三臼齒中的鈣穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù)負偏移，可能與體內的月經初潮、雌激素水平變化和骨質增生等生理變化有關[86，139]。鎂穩(wěn)定同位素分餾與人體的新陳代謝過程密切相關，而作為人體的生物必須元素，鎂的缺乏會導致嚴重的營養(yǎng)不良和新陳代謝紊亂[140]。當人體因吸入大量鉛而導致鉛中毒時，會出現(xiàn)胃腸道疾?。ū忝?、惡心及食欲不振）、不孕癥和神經系統(tǒng)的并發(fā)癥（嗜睡、抽搐和虛弱）等臨床疾病，對體內鉛同位素分餾產生較大影響[123]。此外，Reitsema和Richards等都曾在相關文章綜述中討論了懷孕期間的生理變化和新陳代謝、營養(yǎng)壓力（包括飲食失調）以及其他特定疾?。ㄈ绻琴|疏松癥、糖尿病及肝病等），對人體同位素自然豐度的影響[136，141]。

迄今為止，人類牙釉質、牙本質、毛發(fā)、指甲、尿液、血液及糞便中的同位素數(shù)據(jù)作為相對非侵入性的自然示蹤劑，為了解古代人類的營養(yǎng)和疾病過程發(fā)揮了重要作用。需要指出的是，由于“我非我食”這一原理是建立在生物體同位素與健康狀況之間相關性的基礎之上，隱藏在其中的響應機制仍需深入探索[142]。因此，為了幫助突破穩(wěn)定同位素在考古學研究中應用的上限，更高效地監(jiān)測其對人體生理學歷時性變化的敏感度，未來采用諸如牙釉質高精度序列取樣這樣極具創(chuàng)造性和創(chuàng)新性的取樣方法是非常有必要的。

5總結與展望

自20世紀90年代，“骨學悖論”（Theosteologicalparadox）提出以后，生物考古學實踐對于古代人類生物和文化屬性的詮釋就開始面臨諸多挑戰(zhàn)，研究方法和理念也亟需不斷更新。在這樣的學術背景下，對于同位素與人體不同組織之間協(xié)同作用的深入探索，也成了無法規(guī)避的課題之一。牙釉質的多同位素研究在國際生物考古學界已有三十余年歷史，盡管在研究的過程中存在諸多難點和局限性，但不可否認的是，相對于人體其他組織的同位素研究，牙釉質的多同位素研究卻具有獨特優(yōu)勢，在未來仍是重建古代人類生活史、居住史及健康史的重要和常規(guī)方法。

中國生物考古學界有關牙釉質的同位素研究起步較晚，目前與國際上還存在一定差距，但中國的研究材料非常豐富，也有許多重大考古學問題的解決需要其助力。因此，在新時代中國特色考古學理論體系建設的大背景下，快速發(fā)展牙釉質的多同位素研究也是現(xiàn)實需求。結合國際上已有的研究現(xiàn)狀，中國在發(fā)展該項研究的過程中應認真考量四方面內容：

第一，持續(xù)并深入探索牙釉質與其他人體組織相結合的多同位素分析。由于人體不同組織的生長周期和新陳代謝差異性，多組織聯(lián)合的同位素分析（如以牙本質和牙釉質的高精度序列取樣、聽骨、肢骨及肋骨等人體組織為關聯(lián)式地研究材料），將有可能揭示個體從胎兒期至死亡前夕不同生命階段對應的生活史、居住史及健康史的動態(tài)變化。多同位素分析，特別是非傳統(tǒng)同位素方法的引入和應用，不但大大提高了研究的準確度和精確度，還有效地彌補了牙釉質羥基磷灰石傳統(tǒng)同位素分析的缺陷和不足。

第二，推廣科學且先進的牙釉質取樣和分析策略。牙釉質堅硬的結構和較少的分量，增加了同位素研究的取樣難度，目前國際上該項研究多數(shù)還停留在整個齒冠取樣或粗糙序列取樣的方式。隨著質譜技術的不斷提升，對牙釉質進行高精度序列取樣的同位素分析將成為未來不可逆轉的趨勢，積極推廣具有耗材少、靈活性大等優(yōu)勢的手工鉆孔或激光熔蝕微鉆孔技術便成了開展這項研究的先決條件。此外，應選擇合理的質譜分析技術，如正確辨別TIMS、MC-ICP-MS及LA-MC-ICP-MS等方法的優(yōu)缺點，并在具體研究中作出正確的選擇。

第三，充分發(fā)揮牙釉質羥基磷灰石的天然優(yōu)勢，深入監(jiān)測生理代謝對人體同位素豐度的影響，加強對古代人類健康史的探索。迄今為止，雖然相關學者已經討論了生理健康、疾病過程及營養(yǎng)狀態(tài)對于人體同位素自然豐度的影響，但由于生物體同位素變化因素十分復雜，因此，隱藏在其中的響應機制仍需深入探索。這就要求未來應充分利用牙釉質高精度序列取樣的同位素分析優(yōu)勢，通過大量的基礎案例研究，進一步調查生態(tài)系統(tǒng)中同位素的生物分餾機制，特別是針對非傳統(tǒng)同位素分析，以便合理的理解和解釋人體同位素豐度的變化。

第四，拓展研究的時空范圍。多同位素分析不僅拓展了研究話題，也為標本取樣有限和保存狀況不佳的情況下，揭示個體生活史、居住史及健康史創(chuàng)造了條件。因此，在研究材料的選擇方面，應結合考古學背景，關注不同時空框架下的個體樣本，從而為理解文化傳承、文明延續(xù)等問題提供新的證據(jù)。