ZooMS 技術及其在考古學中的應用

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）是通過質譜法檢測蛋白質組分來進行動物考古學研究的技術，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 技術由曼徹斯特大學的Buckley 教授和約克大學的Collins教授共同創立。

具體而言，膠原蛋白是脊椎動物體內含量最豐富的營養物質，有高度穩定的三螺旋結構。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，該方法已經在考古學等相關領域的研究中發揮出越來越重要的作用，解決了一系列的學術難點和熱點。

動物種屬的鑒定

山羊

一直以來，如何區分山羊和綿羊的骨骼是學術界的一個難題。鑒于此，Buckley 教授等提出了利用ZooMS 技術進行膠原蛋白肽測序可以明確區分綿羊和山羊。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 技術分析，結果發現它們的膠原蛋白結構之間存在兩處明顯差異，實現了快速、經濟、有效地區分綿羊和山羊。

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系。然而，沿海考古遺址中出土的化石大多是碎骨，研究者難以從形態上辨認其種屬。2018 年，俄克拉荷馬大學Hofman 教授等人采用ZooMS 技術鑒定了加州海峽群島附近遺址20 個碎骨樣品。結果顯示，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，是潛在的生態指標。因此，通過分析蝙蝠物種組合和分布是重建古環境與先民關系的重要方法。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境變遷提供了重要數據，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，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域。

沿海遺址海洋生物碎骨樣品

顯然，ZooMS 技術在動物種屬鑒定方面的應用日漸重要。目前，加勒比和佛羅里達地區的海龜碎骨、加拿大努納武特地區更新世的駱駝遺骸、澳大利亞晚更新世的袋鼠遺骸、巴拿馬珍珠群島發現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上很難辨認其是否屬于人科，限制了相關研究的深入。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。在此基礎上，進行了14C 測年、穩定同位素分析、古DNA 分析。研究結果顯示：AR-14 代表的嬰兒個體食物中蛋白質主要源于母乳，測年結果為36840±660 BP；生物分子數據顯示該遺址的人骨標本既具有現代人的基因，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、丹尼索瓦人及現代人的祖先彼此都有過雜交。這使得現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 研究發現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超過了5 萬年。這項研究成果完善了人類起源的相關問題，利用ZooMS 技術，我們將會探索到更多藏在骨頭中的秘密。

食物或骨質工具鑒別

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遺址被發現。以上數據表明，該城鎮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，西安臨潼區灣李村戰國晚期M208 中發現了一個銅敦，里面盛放著塊狀碳化物，掰開其中一塊發現有白色的彈性肌腱膜和肉絲。經過X 光分析，內部沒有骨頭存在，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技術最終鑒定其為黃牛肉。這是我國目前首次將該方法應用在考古學研究。

2016 年，楊益民教授等人利用ZooMS 技術分析了新疆小河墓地3500 年前的固體奶制品，結果顯示是奶酪，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，發現了酸奶沉積物。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

兩顆灰鯨須側視圖

西安灣李村戰國晚期M208 銅敦中的肉制品

人類的愛美之心由來已久，考古遺址也發現了大量的化妝工具及其相關物。通過ZooMS技術的分析，我們可以獲知古人化妝的細節。2016 年，楊益民教授等人對新疆小河墓地的一個皮包及內含物進行了一系列科技分析，發現內含物是用牛心制成的化妝棒，上面覆蓋著一層赤鐵礦粉。這個發現不僅揭示了該遺址牛的特殊用途，而且還呈現出獨特的宗教功能。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，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，應用ZooMS 技術分析其鑲嵌骨雕的粘合劑。結果顯示，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。

在測年技術中的應用

膠原蛋白是骨骼測年的常用材料，但受限于保存環境及提取技術等，相關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 技術是篩選14C 測年樣品的一個重要手段。

ZooMS 技術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。可見，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 技術在考古學研究領域越來越重要，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 技術測蛋白序列時可能會產生錯誤的結果。因此，相關環節一定要避免交叉污染。其次，相關數據庫還很不完善，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組學中特定部分的序列組成。隨著ZooMS 技術的改進和完善，一定能發揮出更大的潛力和魅力。