论文部分内容阅读
提到考古，可能大多人脑海中浮现的是一群专家围绕在一堆骨头周围，通过简单拼凑、粗略测量，给我们提供关于遥远祖先的第一印象。但这只是表面的研究，即使是采用高分辨率的儀器对这些骨头进行扫描，研究人员也只能根据他们能看到的结构和形状来进行研究。
而随着科技的进步，人们掌握了对古DNA的提取和测序之法，以惊人速度推动着考古发现的进展。数万年前乃至数十万年前的基因组可以被读取，这项成果曾帮我们证实了人类家谱的新成员——丹尼索瓦人的存在，并揭示了现代人类是如何与他们以及尼安德特人进行杂交繁殖的历史。
但是，DNA是脆弱的，容易受微生物污染和随时间的推移而降解消失。即使是在理想的环境下，能留存下来的古DNA也不会超过100万年。如今，科学家发现，复杂折叠的蛋白质也可以应用于考古研究分析，它具有与骨骼化石一样历久弥坚的寿命，但比古DNA能保留更长的时间。因此，古蛋白质也会成为我们解开过去秘密的一把钥匙。
大显身手的古蛋白质
对古蛋白质的研究是一个新兴的跨学科领域，已经在考古学中大显身手：2016年，英国科学家们通过对骨头中常见的胶原蛋白进行识别，从考古遗址中挖掘出的2000多个细小而难以辨认的各种动物骨骼碎片中，科学家鉴定出尼安德特人的骨骼，因为胶原蛋白序列在不同动物之间的排列方式有细微的不同；另一个例子是加拿大考古学家在约旦的一个沙漠绿洲中发现了旧石器时代人类利用工具的直接证据，该证据就是25万年前屠宰动物残留在石器工具上的蛋白质。
科学家还可以通过对共同或相似的蛋白质的研究来建立进化系谱图，从而给我们提供物种之间的关系，而有些方面可能是古DNA无法告诉我们的。比如从霸王龙骨骼中提取的古蛋白质，为恐龙与鸟类具有亲缘关系这一理论提供了依据，而这些古生物的DNA很难在化石中保存下来。
我们体内的每一个细胞都有相同的基因，同一个人身上的肝细胞和神经元细胞，两者的DNA一样，但细胞本身却千差万别，因为它们由不同的蛋白质组成。如果把DNA比作一本包含所有内容的百科全书，蛋白质则像是依据全书编写出来的各个学科的教科书，两者有差别，但也有很深的联系，所以我们也能通过蛋白质去鉴定物种。
多亏了远古蛋白质的存活时间要比古DNA长得多，研究人员可以跨越遥远的时光，去解读那份“教科书”。
古蛋白质的测序相对简单
20世纪30年代，考古学家曾试图通过鉴定蛋白质来确定木乃伊的血型，但收效甚微。几十年后，地球化学家发现构建蛋白质的氨基酸可以在化石中留存数百万年，但没有得到具体的应用。直到本世纪初，古蛋白质组学才逐步确立了完整的研究领域。
2000年，研究人员利用一种名叫质谱法的方法来识别化石中的蛋白质，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这种方法的改进版本。与花费数年时间才能完成的昂贵的古DNA研究不同，这种方法效率非常高，大约24小时就能出结果，成本也相对较低。
质谱法，就是将蛋白质降解、分离后进行检测的方法。在质谱法中，首先，需要从面包屑大小的化石样品中提取出蛋白质，且将蛋白质降解为小分子氨基酸，然后检测这些氨基酸的构成。最后研究人员进一步推测出蛋白质的结构，再与具体的物种联系起来。
如今，质谱法已在蛋白质考古学中得到多次应用。例如，有的科学家利用该法，从一个有着12万年历史的巨型海狸头骨上测定出了其中的蛋白质；还有科学家利用此法对一些已灭绝的南美动物进行古蛋白质的测定，并将这些物种进行分类，解决了一直以来难以解释其归属的谜题。
但质谱法并不完美，因为它在提取蛋白质时会破坏样品，这对珍贵的古生物遗骸来说是个硬伤。所以一般此法最主要的应用在那些本就已经碎片化的化石上。
那么有没有不会对样品造成损害的鉴定方法？
非破坏性的免疫电泳法
答案是肯定的。接下来要介绍的这种方法在古蛋白质组学中也很有地位，像质谱法一样，这种名叫交叉免疫电泳法也是非常快速的（可在2到3天内得到结果），当然也比古DNA测序的成本更低。
前文提到的加拿大考古学家发现旧石器时代人类利用工具的直接证据的例子，所用的鉴定方法就是免疫电泳法。2016年，由加拿大维多利亚大学考古学家艾普莉·诺埃尔领导的团队，使用该法分析了44件石器工具上的蛋白质残留物，这些工具发现于约旦东北部一处气候湿润的沼泽地遗址，有着25万年的历史。之所以选择对这些石器工具进行检测，是因为在沼泽地区很难找到骨骼化石的踪迹。尽管该遗址的发掘工作还没有确定是哪一种类的古人类曾经在此处生活，但研究发现，他们当时在这里宰杀了牛、马、鸭、犀牛和骆驼等动物。这种食物的多样性，表现出当时的人类已有相当的能力捕食不同的猎物了。
与质谱法不同的是，免疫电泳法不会对古生物化石或残留物造成破坏。研究人员只要使用富含抗体的血清（即免疫血清），就可针对特定的抗原（蛋白质）进行识别。比如只要我们知道犀牛身上的抗原，然后就可以利用相应的抗体去鉴定它，因为抗体和抗原的结合是特异性的。
遗憾的是，研究人员只能使用从现存物种中提取的免疫血清。如果一个物种没有留下任何后代，他们就无法通过这种方法鉴别它了。而且免疫电泳法也存在缺陷。因为蛋白质是由一系列氨基酸组成的，然后经过复杂的折叠才形成一个特定的蛋白质链。这种免疫学方法都是抗体通过氨基酸的折叠形状来识别蛋白质的。如果蛋白质的折叠结构被破坏，抗体就不能准确识别它们。
新技术发展的“阵痛期”
就像任何一个年轻的科学领域一样，都会有发展的“阵痛期”。使用质谱法的研究人员质疑免疫电泳法的准确性，而免疫电泳法的拥护者指出了质谱法的破坏性。不过，不同方法的支持者之间若能进行更大的合作将是所有人的胜利。在这个领域中，每个科学家都有自己的“锤子”，不管是质谱法还是免疫电泳法，甚至是古DNA测定法，总的来说，能够准确敲对钉子的就是好方法。
也许在未来的某一天，随着研究人员突破了古代蛋白质分析的极限，可能会出现比这些都更具优势的方法。总之，这是一个新领域，有着蓬勃向上的发展空间。
而随着科技的进步，人们掌握了对古DNA的提取和测序之法，以惊人速度推动着考古发现的进展。数万年前乃至数十万年前的基因组可以被读取，这项成果曾帮我们证实了人类家谱的新成员——丹尼索瓦人的存在，并揭示了现代人类是如何与他们以及尼安德特人进行杂交繁殖的历史。
但是，DNA是脆弱的，容易受微生物污染和随时间的推移而降解消失。即使是在理想的环境下，能留存下来的古DNA也不会超过100万年。如今，科学家发现，复杂折叠的蛋白质也可以应用于考古研究分析，它具有与骨骼化石一样历久弥坚的寿命，但比古DNA能保留更长的时间。因此，古蛋白质也会成为我们解开过去秘密的一把钥匙。
大显身手的古蛋白质
对古蛋白质的研究是一个新兴的跨学科领域，已经在考古学中大显身手：2016年，英国科学家们通过对骨头中常见的胶原蛋白进行识别，从考古遗址中挖掘出的2000多个细小而难以辨认的各种动物骨骼碎片中，科学家鉴定出尼安德特人的骨骼，因为胶原蛋白序列在不同动物之间的排列方式有细微的不同；另一个例子是加拿大考古学家在约旦的一个沙漠绿洲中发现了旧石器时代人类利用工具的直接证据，该证据就是25万年前屠宰动物残留在石器工具上的蛋白质。
科学家还可以通过对共同或相似的蛋白质的研究来建立进化系谱图，从而给我们提供物种之间的关系，而有些方面可能是古DNA无法告诉我们的。比如从霸王龙骨骼中提取的古蛋白质，为恐龙与鸟类具有亲缘关系这一理论提供了依据，而这些古生物的DNA很难在化石中保存下来。
我们体内的每一个细胞都有相同的基因，同一个人身上的肝细胞和神经元细胞，两者的DNA一样，但细胞本身却千差万别，因为它们由不同的蛋白质组成。如果把DNA比作一本包含所有内容的百科全书，蛋白质则像是依据全书编写出来的各个学科的教科书，两者有差别，但也有很深的联系，所以我们也能通过蛋白质去鉴定物种。
多亏了远古蛋白质的存活时间要比古DNA长得多，研究人员可以跨越遥远的时光，去解读那份“教科书”。
古蛋白质的测序相对简单
20世纪30年代，考古学家曾试图通过鉴定蛋白质来确定木乃伊的血型，但收效甚微。几十年后，地球化学家发现构建蛋白质的氨基酸可以在化石中留存数百万年，但没有得到具体的应用。直到本世纪初，古蛋白质组学才逐步确立了完整的研究领域。
2000年，研究人员利用一种名叫质谱法的方法来识别化石中的蛋白质，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这种方法的改进版本。与花费数年时间才能完成的昂贵的古DNA研究不同，这种方法效率非常高，大约24小时就能出结果，成本也相对较低。
质谱法，就是将蛋白质降解、分离后进行检测的方法。在质谱法中，首先，需要从面包屑大小的化石样品中提取出蛋白质，且将蛋白质降解为小分子氨基酸，然后检测这些氨基酸的构成。最后研究人员进一步推测出蛋白质的结构，再与具体的物种联系起来。
如今，质谱法已在蛋白质考古学中得到多次应用。例如，有的科学家利用该法，从一个有着12万年历史的巨型海狸头骨上测定出了其中的蛋白质；还有科学家利用此法对一些已灭绝的南美动物进行古蛋白质的测定，并将这些物种进行分类，解决了一直以来难以解释其归属的谜题。
但质谱法并不完美，因为它在提取蛋白质时会破坏样品，这对珍贵的古生物遗骸来说是个硬伤。所以一般此法最主要的应用在那些本就已经碎片化的化石上。
那么有没有不会对样品造成损害的鉴定方法？
非破坏性的免疫电泳法
答案是肯定的。接下来要介绍的这种方法在古蛋白质组学中也很有地位，像质谱法一样，这种名叫交叉免疫电泳法也是非常快速的（可在2到3天内得到结果），当然也比古DNA测序的成本更低。
前文提到的加拿大考古学家发现旧石器时代人类利用工具的直接证据的例子，所用的鉴定方法就是免疫电泳法。2016年，由加拿大维多利亚大学考古学家艾普莉·诺埃尔领导的团队，使用该法分析了44件石器工具上的蛋白质残留物，这些工具发现于约旦东北部一处气候湿润的沼泽地遗址，有着25万年的历史。之所以选择对这些石器工具进行检测，是因为在沼泽地区很难找到骨骼化石的踪迹。尽管该遗址的发掘工作还没有确定是哪一种类的古人类曾经在此处生活，但研究发现，他们当时在这里宰杀了牛、马、鸭、犀牛和骆驼等动物。这种食物的多样性，表现出当时的人类已有相当的能力捕食不同的猎物了。
与质谱法不同的是，免疫电泳法不会对古生物化石或残留物造成破坏。研究人员只要使用富含抗体的血清（即免疫血清），就可针对特定的抗原（蛋白质）进行识别。比如只要我们知道犀牛身上的抗原，然后就可以利用相应的抗体去鉴定它，因为抗体和抗原的结合是特异性的。
遗憾的是，研究人员只能使用从现存物种中提取的免疫血清。如果一个物种没有留下任何后代，他们就无法通过这种方法鉴别它了。而且免疫电泳法也存在缺陷。因为蛋白质是由一系列氨基酸组成的，然后经过复杂的折叠才形成一个特定的蛋白质链。这种免疫学方法都是抗体通过氨基酸的折叠形状来识别蛋白质的。如果蛋白质的折叠结构被破坏，抗体就不能准确识别它们。
新技术发展的“阵痛期”
就像任何一个年轻的科学领域一样，都会有发展的“阵痛期”。使用质谱法的研究人员质疑免疫电泳法的准确性，而免疫电泳法的拥护者指出了质谱法的破坏性。不过，不同方法的支持者之间若能进行更大的合作将是所有人的胜利。在这个领域中，每个科学家都有自己的“锤子”，不管是质谱法还是免疫电泳法，甚至是古DNA测定法，总的来说，能够准确敲对钉子的就是好方法。
也许在未来的某一天，随着研究人员突破了古代蛋白质分析的极限，可能会出现比这些都更具优势的方法。总之，这是一个新领域，有着蓬勃向上的发展空间。