古蛋白質助力考古

白昇

提到考古，可能大多人腦海中浮現的是一群專家圍繞在一堆骨頭周圍，通過簡單拼湊、粗略測量，給我們提供關于遙遠祖先的第一印象。但這只是表面的研究，即使是采用高分辨率的儀器對這些骨頭進行掃描，研究人員也只能根據他們能看到的結構和形狀來進行研究。

而隨著科技的進步，人們掌握了對古DNA的提取和測序之法，以驚人速度推動著考古發現的進展。數萬年前乃至數十萬年前的基因組可以被讀取，這項成果曾幫我們證實了人類家譜的新成員——丹尼索瓦人的存在，并揭示了現代人類是如何與他們以及尼安德特人進行雜交繁殖的歷史。

但是，DNA是脆弱的，容易受微生物污染和隨時間的推移而降解消失。即使是在理想的環境下，能留存下來的古DNA也不會超過100萬年。如今，科學家發現，復雜折疊的蛋白質也可以應用于考古研究分析，它具有與骨骼化石一樣歷久彌堅的壽命，但比古DNA能保留更長的時間。因此，古蛋白質也會成為我們解開過去秘密的一把鑰匙。

大顯身手的古蛋白質

對古蛋白質的研究是一個新興的跨學科領域，已經在考古學中大顯身手：2016年，英國科學家們通過對骨頭中常見的膠原蛋白進行識別，從考古遺址中挖掘出的2000多個細小而難以辨認的各種動物骨骼碎片中，科學家鑒定出尼安德特人的骨骼，因為膠原蛋白序列在不同動物之間的排列方式有細微的不同；另一個例子是加拿大考古學家在約旦的一個沙漠綠洲中發現了舊石器時代人類利用工具的直接證據，該證據就是25萬年前屠宰動物殘留在石器工具上的蛋白質。

科學家還可以通過對共同或相似的蛋白質的研究來建立進化系譜圖，從而給我們提供物種之間的關系，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，為恐龍與鳥類具有親緣關系這一理論提供了依據，而這些古生物的DNA很難在化石中保存下來。

我們體內的每一個細胞都有相同的基因，同一個人身上的肝細胞和神經元細胞，兩者的DNA一樣，但細胞本身卻千差萬別，因為它們由不同的蛋白質組成。如果把DNA比作一本包含所有內容的百科全書，蛋白質則像是依據全書編寫出來的各個學科的教科書，兩者有差別，但也有很深的聯系，所以我們也能通過蛋白質去鑒定物種。

多虧了遠古蛋白質的存活時間要比古DNA長得多，研究人員可以跨越遙遠的時光，去解讀那份“教科書”。

古蛋白質的測序相對簡單

20世紀30年代，考古學家曾試圖通過鑒定蛋白質來確定木乃伊的血型，但收效甚微。幾十年后，地球化學家發現構建蛋白質的氨基酸可以在化石中留存數百萬年，但沒有得到具體的應用。直到本世紀初，古蛋白質組學才逐步確立了完整的研究領域。

2000年，研究人員利用一種名叫質譜法的方法來識別化石中的蛋白質，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版本。與花費數年時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小時就能出結果，成本也相對較低。

質譜法，就是將蛋白質降解、分離后進行檢測的方法。在質譜法中，首先，需要從面包屑大小的化石樣品中提取出蛋白質，且將蛋白質降解為小分子氨基酸，然后檢測這些氨基酸的構成。最后研究人員進一步推測出蛋白質的結構，再與具體的物種聯系起來。

如今，質譜法已在蛋白質考古學中得到多次應用。例如，有的科學家利用該法，從一個有著12萬年歷史的巨型海貍頭骨上測定出了其中的蛋白質；還有科學家利用此法對一些已滅絕的南美動物進行古蛋白質的測定，并將這些物種進行分類，解決了一直以來難以解釋其歸屬的謎題。

但質譜法并不完美，因為它在提取蛋白質時會破壞樣品，這對珍貴的古生物遺骸來說是個硬傷。所以一般此法最主要的應用在那些本就已經碎片化的化石上。

那么有沒有不會對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組學中也很有地位，像質譜法一樣，這種名叫交叉免疫電泳法也是非常快速的（可在2到3天內得到結果），當然也比古DNA測序的成本更低。

前文提到的加拿大考古學家發現舊石器時代人類利用工具的直接證據的例子，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考古學家艾普莉·諾埃爾領導的團隊，使用該法分析了44件石器工具上的蛋白質殘留物，這些工具發現于約旦東北部一處氣候濕潤的沼澤地遺址，有著25萬年的歷史。之所以選擇對這些石器工具進行檢測，是因為在沼澤地區很難找到骨骼化石的蹤跡。盡管該遺址的發掘工作還沒有確定是哪一種類的古人類曾經在此處生活，但研究發現，他們當時在這里宰殺了牛、馬、鴨、犀牛和駱駝等動物。這種食物的多樣性，表現出當時的人類已有相當的能力捕食不同的獵物了。

與質譜法不同的是，免疫電泳法不會對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），就可針對特定的抗原（蛋白質）進行識別。比如只要我們知道犀牛身上的抗原，然后就可以利用相應的抗體去鑒定它，因為抗體和抗原的結合是特異性的。

遺憾的是，研究人員只能使用從現存物種中提取的免疫血清。如果一個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。因為蛋白質是由一系列氨基酸組成的，然后經過復雜的折疊才形成一個特定的蛋白質鏈。這種免疫學方法都是抗體通過氨基酸的折疊形狀來識別蛋白質的。如果蛋白質的折疊結構被破壞，抗體就不能準確識別它們。

新技術發展的“陣痛期”

就像任何一個年輕的科學領域一樣，都會有發展的“陣痛期”。使用質譜法的研究人員質疑免疫電泳法的準確性，而免疫電泳法的擁護者指出了質譜法的破壞性。不過，不同方法的支持者之間若能進行更大的合作將是所有人的勝利。在這個領域中，每個科學家都有自己的“錘子”，不管是質譜法還是免疫電泳法，甚至是古DNA測定法，總的來說，能夠準確敲對釘子的就是好方法。

也許在未來的某一天，隨著研究人員突破了古代蛋白質分析的極限，可能會出現比這些都更具優勢的方法。總之，這是一個新領域，有著蓬勃向上的發展空間。