考古大事件

2009年

Buckley 等人首次報道了基于質譜的動物考古學（zooarchaeology by mass spectrometry, ZooMS）, 通過 MALDI-TOF 技術分析骨膠原蛋白指紋肽段來鑒定骨骼、牙齒等破碎動物骨骼，從而實現物種鑒定^[1]。

2024年

蘭州大學環(huán)境考古張東菊教授團隊在《Nature》上發(fā)表重要成果，憑該技術從 2500 余件骨骼中篩出丹尼索瓦人肋骨化石，將其生存時間延至 4 萬年前^[2]。

2025年

中科院古脊椎動物與古人類研究所付巧妹教授團隊在《Science》上發(fā)文，對河北地質大學博物館收藏的哈爾濱古人類頭骨樣本進行了深入的古蛋白質組學研究,  證實 14.6 萬年前的哈爾濱頭骨屬于丹尼索瓦人^[3]。

短短兩年間，我國考古領域獲得兩次重大突破，精準定位神秘古人類的時空軌跡。而在這些重要成果的背后，在實驗方法中都使用了 ZooMS。ZooMS 究竟是什么呢？

1. 形態(tài)學分析：動物考古學傳統(tǒng)的鑒定方法是形態(tài)學分析,  依靠鑒定人員的測量手段以及經驗判斷骨骼形態(tài)，從而判斷古遺址中動物遺存所代表的相關物種的種屬，這種方法對遺存保存狀況要求極高，若針對破碎、經熱處理的骨頭或骨制品，一旦原始形態(tài)消失或改變，就很難實現種屬鑒定。

2. 分子生物學：近年來，分子生物學在考古領域中廣泛應用，通過比較不同種屬的生物大分子（DNA 或蛋白質）的序列差異即可達到種屬鑒定的目的。

• 古 DNA 分析：從古代生物遺骸中提取微量殘存的 DNA 片段，通過測序和比對，還原其遺傳信息并解讀物種、親緣或演化關系。但古 DNA 對環(huán)境極其敏感，高溫、潮濕、微生物活動都會加速其降解，且 DNA 分析成本高且操作要求嚴格（如需在超凈室中提取古代 DNA），也面臨著受到外源 DNA 污染的問題。

• 古蛋白分析：從古代生物遺骸（如骨骼、牙齒、毛發(fā)）中提取并鑒定殘存的蛋白質，通過分析其氨基酸序列，反推物種歸屬、親緣關系甚至生理特征。而在出土動物遺存中，膠原蛋白等蛋白質是骨骼、牙齒、皮膚等生物組織中含量最多的成分，且可保存數百萬年，因此古蛋白分析方法可成為古 DNA 的重要補充。

目前，古蛋白質分析主要有兩種方法：

1. 基于串聯(lián)質譜的蛋白質組學技術（LC-MS/MS）：可對蛋白質序列進行深度解析，適用于篩選后的目標樣本精細蛋白質分析。

2. 基于一級質譜的肽質量指紋圖譜技術（PMF）：基于 MALDI-TOF 質譜可實現超高通量的蛋白質鑒定，成為大規(guī)模樣本初篩的理想選擇。
   

ZooMS 方法原理為由于不同種屬動物的Ⅰ型膠原蛋白氨基酸序列存在顯著差異，經蛋白酶（如胰蛋白酶）酶切后，產生的肽段混合物會呈現出具有種屬特異性的質量數分布。這種特征性分布可通過 MALDI-TOF MS 技術轉化為直觀的肽質量指紋圖譜，研究人員通過比對圖譜即可快速完成種屬鑒定。

在考古中，研究人員常需從成千上萬件碎骨中尋找人骨樣本，有時即便分析1000 余件骨骼，也未必能發(fā)現人類化石。此時，ZooMS 憑借 MALDI-TOF 的高通量優(yōu)勢，可快速從海量樣本中篩選出人骨候選樣品；篩選完成后，再通過 LC-MS/MS 進行深度分析，最終判斷目標樣本（如人類肋骨碎片）是否屬于遠古人類，形成 “高效篩選 + 精準驗證” 的完整研究流程。

圖1：ZooMS 膠原蛋白分析流程圖

（圖源來自文獻4）

ZooMS 方法可以高通量、低成本和準確地鑒定那些不具備形態(tài)鑒定特征的碎骨、動物硬組織、軟組織及相關制品，已成功應用于不同時期、不同埋藏環(huán)境的考古遺址動物遺存的鑒定中。此外，很多食品、藥品、保健品和皮草中都含有膠原蛋白類物質，也可用于鑒定其動物來源，判斷是否摻假或造假。

未來，隨著更高通量的 MALDI-TOF 技術（布魯克10000Hz Smartbeam? 3D 激光器可實現 < 5 min 384 個樣品采集），以及 ZooMS 數據庫的持續(xù)擴容，基于 MALDI-TOF 的 ZooMS 方法將在古蛋白研究等考古領域中發(fā)揮更大作用。

[1] Buckley, M., Rapid Communications in Mass Spectrometry,23(2009):3843-3854.

[2] Xia, H., Zhang, D., Wang, J.et al.  Nature 632, 108–113 (2024). 

[3] Qiaomei Fu et al. Science 389, 704 (2025)

[4] 劉理,  饒慧蕓, 楊益民. 文物保護與考古科學, 1005-1538(2023).

[5] Buckley, M., Journal of Archaeological Science. 41 (2014): 631-641.