蔡大伟科技考古学6古代人类饮食结构重建

牙齿的构造
牙冠 牙颈
牙齿是人体硬组织的另一主要组 成部分，它在人体的功能主要是 起撕裂、咀嚼食物的作用。
牙根
牙齿的分类
按照形态学和功能来划 分，牙齿可以分为门齿、 前臼齿、臼齿、犬齿等。 成年人下颗和上颗都具 有16颗牙齿，其中4颗 为门齿、2颗为犬齿、 4颗为前臼齿，6颗为 臼齿。牙根周围的牙周 膜、牙槽骨骨膜及牙酿 则统称为牙周由胶 原蛋白（collagen） 聚合而成。 胶原蛋白由3条多 肽链组成 多肽链主要由甘氨 酸Gly、脯氨酸Pro 和羟脯氨酸Hyp以 3联体联体重复组 成（Gly-Pro-Hyp） n。

氨基酸
原胶原
原纤维
纤维
羟基磷灰石hydroxyapatite(HAP)
例如 锌：智力发育 钙：佝偻病、痉挛抽搐 铁：缺铁性贫血 铜：人体催化剂

碘：甲状腺疾病
微量元素研究历史

人体骨骼和牙齿中微量元素的分析，最初起源于人 们对放射性核素的研究。出于对人体健康的考虑， 从二十世纪40年代起，国际上开展了长达数十年 之久的关于元素锶在人体新陈代谢以及食物链中分 布等方面的研究。

本次课主要内容
人体骨组织基本知识 微量元素分析 稳定同位素分析 ——13C稳定同位素 ——15N稳定同位素

一、人体骨组织基本知识
骨的构成

骨(Bone)是一种器官，主要由骨质构成，具有 一定形态和构造，外被骨膜，内容骨髓，含有 丰富的血管、淋巴管及神经，不断进行新陈代 谢和生长发育，并有修复、再生和改建的能力。
称取大约 0.2g的骨样 ,经去离子水浸泡后 ,置 于超声波水浴中反复清洗至清洗液无色为止 换用5%乙酸在超声波水浴中继续清洗30分 钟 ,倒去洗液后 ,再重复清洗一次 ,然后 ,换上 5%乙酸新液浸泡过夜(15小时以上)
醋酸清洗
样品灰化
马弗炉灰化825度8小时
称取0.02g 的骨粉加入 1mlHNO3 ,在试管中加热 , 于 100 ~ 110 ℃温度下消化1小时。用微量注射器 注入 19ml 去离子水 ,使其总体积达 20ml 。

依靠出土资料的间接推论
食性分析原理
众所周知 ,人类生长与发育所需的营养和能量皆 来自其生存环境的食物。食物经人体消化吸收后, 就转化为人体组织的组成成分，而这些化学组成 与摄取食物的化学组成存在着一一对应关系。 “我即我食” You are what you eat. 利用分析化学的方法手段分析考古遗址出土的生 物骨骼中的化学组成，即稳定同位素比值和微量 元素含量可以揭示古代人类的饮食结构。
元素分析策略

元素分析主要判断人类饮食结构以肉食或植物 性食物为主。
最好选定明确以肉食或以植物性食物为主的人 作为一个标准参照物。 考虑到人的居住环境，同时要运用多种能够分 析综合讨论，例如; Sr/Ca Ba/Ca Ba/Sr


微量元素分析方法(无机质)
微 量 元 素 分 析 方 法
样本切取 超声清洗
古代人类饮食结构的重建
吉林大学边疆考古中心
蔡大伟
前言
关于人类过去吃什么的主题，研究方法已有多种： 通过遗址、墓葬中出土的植物、动物骨骼等来分 析人类的主食结构；——植物考古、动物考古 通过对出土器物中的食物残留来推断其食物组 成；——喇家面条、石磨盘 通过对出土生产工具的门类、用途等的分析来研 究其耕作方式从而对其作物种类做出判断等 等。——农耕器具、采集、狩猎器具等
Sr的生物纯化及其在食物链中营养级之间关系的发 现，被成功地移植到考古学上，导致了利用骨骼中 微量元素方法分析古代人类食谱的方法的诞生。

微量元素Sr的生物纯化
Sr在生物体内存在生物纯化现Biopurification 。 在食物链中,从草食动物→杂食动物→肉食动物, Sr含量逐渐降低, Sr/Ca比率也逐渐降低。 因此根据骨骼中的Sr/Ca比率可为判断食谱是以 植物类食物为主抑或以肉类食物为主。 与Sr类似的元素还有Ba。

三、稳定同位素分析
什么是同位素？

原子核是由质子（带正电）和中子（不带电）组成。


质子数相同，中子数不同的原子，互称同位素。
同位素的化学性质是相同的，但由于它们的中子数 不同，这就造成了各原子质量会有所不同。 同位素分为两类：
稳定同位素（无可测放射性的同位素） 13C
放射性同位素（凡能自发地放出粒子并衰变为另一种同位素者）14C

其他与动植物蛋白相关的微量元素

研究者发现，一些微 量元素主要存在于动 物蛋白中，例如，锌、 铜、钼、硒等元素。 另一些微量元素在植 物组织中中聚集得更 多，例如锰、镁等元 素。 理论上，检测古人骨 骼中的这些元素，就 可以估计出食谱是以 肉类食物为主，还是 以植食为主。


与植物食物相关的镁Mg
成骨细胞是骨形成的主要 功能细胞，负责骨基质的 合成、分泌和矿化。 骨细胞是成熟骨组织中的 主要细胞，使骨组织钙、 磷沉积和释放处于稳定状 态，以维持血钙平衡，是 维持成熟骨新陈代谢的主 要细胞。
骨膜（营养、新生、感觉）
骨外膜
(periosteum)
外层：胶原纤维粗大密集，形成 穿通纤维(perfprating fiber)。

肉食资源越多，Sr/Ca越低。
锶进入人 骨的途径
Sr/Ca 和Ba/Ca的问题
海水相对于淡水, Sr/Ca比率明显升高。因此,海 洋食物中的Sr/Ca比率应比淡水食物高。然而由 于在许多陆生标本中存在较高的Sr浓度,海生与陆 生生物的Sr/Ca比经常有重叠,因此在某些情况下, 用Sr/Ca来判断海生或陆生食谱会不准确。 Burton等对来自南北美洲14个考古遗址 171件 史前人类骨骼的分析表明, 一般来说那些主要靠海 洋资源维生的遗址里的人骨中的钡锶比率Ba/Sr 要比靠陆地资源维生的人骨中的钡锶比率低，由 此区别依赖海生资源或陆生资源维生的人群。

也称为哈弗氏管
密质骨结构
骨单位
骨单位由中央管 (哈佛氏管) 和周围 4-20层同心圆排列的骨板构成。
中央管
骨陷窝
哈弗氏骨板
Bone Cell
骨陷窝
骨板
骨小管
内蒙古赤峰林西县井沟子（2500BP）
松质骨结构
成骨细胞
骨细胞 破骨细胞
骨小梁
针状或片状骨小梁 构成的多孔网架结 构
4种骨细胞
骨细胞 成骨细胞(osteoblast) 骨细胞(osteocyte) 破骨细胞(osteoclast)
平行排列的胶原纤维，与羟磷灰石粘合， 形成的薄板结构，是骨基质的存在形式。
骨质结构—骨密质和骨松质
密质骨Compact bone，一种 由多层紧密排列的骨板构成， 质地致密，耐压性较大，配布 于骨的表面。 松质骨Spongy bone，呈海绵 状，由相互交织的骨小梁 trabeculae排列而成，配布于 骨的内部，骨小梁的排列与骨 所承受的压力和张力的方向一 致，因而能承受较大的重量。
二、微量元素分析
人体元素的组成(常用/g)

人体含有80多种元素，其中必须的有31种，分为宏量元素 （也叫常量元素）和微量元素。 常量元素（>0.01%）单位：克，g 共11种，氧65％、碳18%、氢10％、氮3%、钙1.5％、磷 1%、钾0.35％、硫0.25%、钠0.15％、氯0.15%、镁 0.05%。
溶样
测试
电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS 电感耦合等离子体发射光谱仪ICP-AES
ICP-MS等离子质谱仪

我国研究现状
郑晓瑛1993年《中国甘肃酒泉青铜时代人类股骨 化学元素含量分析》，人类学学报。 魏博源1994年《广西崇左县冲塘新石器时代人骨 微量元素的初步研究》，人类学学报。 胡耀武2005年《贾湖遗址人骨的元素分析》揭示 了贾湖先民生活方式从狩猎、采集至稻作农业和家 畜驯养的发展过程，人类学学报。 张全超2006年《新疆罗布淖尔古墓沟青铜时代人 骨微量元素的初步研究》考古与文物。
易碎。两种成分比例，随年龄的增长而发生变化。
有机质与无机质比例

幼儿有机质和无机质各占一半，故弹性较大，柔软，
易发生变形，在外力作用下不易骨折或折而不断，
称青枝骨折。

成年人骨的有机质和无机质比例约为3:7，最为合
适，因而骨具有很大硬度和一定的弹性，较坚韧，
其抗压力约为15kg／平方米。

老年人的骨，无机质所占比例更大，脆性较大，易

门齿Incisor
犬齿canine
前臼齿 Premolar 臼齿
Molar teeth
骨骼和牙齿反映的问题
人体的骨组织终身都在进行新陈代谢，
一直处于形成、 成熟、 破坏、 重建的 循环过程中。骨骼中的化学组成， 一般 只能代表其死前10年左右的平均水平。 牙齿与骨骼不同，牙齿的珐琅质， 自初 步钙化直至生长完成， 就不再参与新陈 代谢作用而发生改变，属于人体的死组 织，反映了该个体自出生至青少年时期 的食物结构。

稳定同位素的天然丰度
稳定同位素分析结果的表达和标准

一般定义同位素比值 R为某一元素的重同位素原 子丰度与轻同位素原子丰度之比，例如D/H, 13C/12C, 34S/32S等, 由于轻元素在自然界中轻同 位素的相对丰度很高，而重同位素的相对丰度都 很低，R值就很低且很冗长繁琐不便于比较，故在 实际工作中采用了样品的δ值来表示样品的同位素 成分。

人体中镁的总量有 60～65 %存在于骨骼中 , 临床研究和实验室里喂养动物的实验都显示出食 谱中的镁含量越高 , 血清和骨骼中的镁含量就 越高。因为植物组织中的镁高于动物体, 骨骼中 的镁含量也就记录了食谱中肉食和植食之间相对 比例。
镁主要富含在谷物当中
与食肉相关的锌Zn

1975 年,吉尔伯特（RI, Gilbert）使用锌、铜、 镁、锰和锶辨识食谱。希望通过此研究得出锌和 铜与动物蛋白质，锶、镁、锰与植物蛋白质的摄 取关系。这个技术被运用于迪更斯土冢 (Dickson Mound) 的伊利诺群体 , 他们的历史 跨度从伍德兰晚期 (以采集狩猎为主) 到密西西比 中期 (以农业为主) 。这项研究部分得到了成功 , 因此证明锌确实也能作为一种辨别食谱的元素来 使用（肉食或植物）。
破骨细胞行使骨吸收的功能。 在破骨细胞吸收骨基质的有机 物和矿质的过程中，造成基质 表面不规则，形成近似细胞形 状的陷窝，称为Howship 陷 窝。
骨祖细胞即前成骨细胞，主要存在 于骨膜中于骨折愈合新骨再生时， 或在骨缺损之修复时，骨祖细胞 可被激活，并分化成为成骨细胞
骨祖细胞(osteoprogenitor cell)


微量元素（<0.01% ）单位：微克，ug ①必需的共8种，包括碘、锌、硒、铜、钼、铬、钴及铁； ②可能必需的元素共5种，包括锰、硅、硼、钒及镍； ③具有潜在的毒性，但在低剂量时，可能具有人体必需功能 的元素共7种，包括氟、铅、镉、汞、砷、铝及锡
微量元素与健康和营养水平

微量元素的主要生理功能就是构成酶和维生素、参 有机体的代谢。人体内的微量元素反映了人们对食 物营养的吸收情况和健康状况。
1.HAP分子式为Ca5(PO4)3(OH), 但是经常被Ca10(PO4)6(OH)2的形 式以突出它是由两部分组成的晶体。 2.OH基能被氟、氯离子代替，生成 氟磷灰石或氯磷灰石。
Ca PO4
OH
3.血液中的碳酸根进入可形成
Ca5(PO4，CO3)3(OH)，是13C的
主要来源。
胶原纤维与HAP组成骨板
骨质(Bone Substance) 骨(Bone)
骨膜(Bone periosteum)
骨髓(Bone marrow)
一、骨质

骨质又称作骨基质，是钙化的细胞间质，是人体
最大的Ca2+库，由有机质和无机质构成。 有机质:主要为胶原纤维 无机质:主要为羟基磷灰石

脱钙骨（去掉无机质）仍具原骨形状，但柔软有 弹性；煅烧骨（去掉有机）虽形状不变，但脆而
内层：富含小血管和细胞
（骨祖细胞）
骨膜
骨内膜： 有骨祖细胞
(endosteum)
骨髓
骨髓(bone marrow) 骨髓充填于骨髓腔和松质间 隙内。胎儿和幼儿的骨髓内含发育阶段不同的红细 胞和某些白细胞，呈红色，称红骨髓red bone marrow，有造血功能。 5岁以后，长骨骨干内的红骨髓逐渐被脂肪组织代 替，呈黄色，称黄骨髓yellow bone marrow， 失去造血活力。但在慢性失血过多或重度贫血时， 黄骨髓可转化为红骨髓，恢复造血功能。 而在椎骨、骼骨、肋骨、胸骨及肽骨和股骨的近侧 端松质内，终生都是红骨髓，因此，临床常选骼后 上嵴等处进行骨髓穿刺，检查骨髓象。