骨化学考古 微量元素与稳定同位素 生物化学基础知识课件

微量元素与稳定同位素

ArchaeologicalBoneChemistry一、微量元素分析基本概念元素（Element）：不能通过化学反应再细分的简单物质。puresubstancesthatcannotbedecomposedbyordinarymeanstoothersubstances.化合物（Compound）：两个或更多的元素通过化学键结合在一起的物质。H2O原子（Atom）:保持一种元素化学性质的最小粒子。分子（Molecule）：保持一种元素或化合物化学性质的最小粒子。Ne一个原子组成的分子-单原子分子ClClClClC1个四氯化碳（CCl4）分子包含1个碳原子和4个氯原子。四氯化碳（CCl4）是由碳元素和氯元素组成的化合物。元素周期表现代化学的元素周期律是1869年俄国科学家门捷列夫(DmitriMendeleev)首创的，他将当时已知的63种元素依原子量大小并以表的形式排列，把有相似化学性质的元素放在同一列，就是元素周期表的雏形。利用周期表，门捷列夫成功的预测当时尚未发现的元素的特性。已发现118种周期族人体元素的组成人体含有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%）：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%。单位：克，g微量元素（<0.01%)

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。骨骼的元素分析原理：人死亡后其骨骼在埋藏过程中经过沉积作用，其中的元素浓度变化相当小，因而考古出土的古人类骨骼中的元素水平也应是其生前饮食状况的合理反映。两种分析方法：

1.分析骨骼中锶和Sr/Ca，区别人类饮食结构中肉食和植食比例的不同（生物纯化）。

2.运用一系列元素来辨别食谱。将特定元素的含量和特定的食谱联系起来,不仅研究食谱中动物蛋白和植物蛋白资源,而且测试微量元素的含量可能对骨骼新陈代谢和生理上的影响。与动植物蛋白相关的微量元素研究研究者发现，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,海洋物种中的镁也高于陆地物种。镁主要富含在谷物当中与食肉相关的锌Zn1975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(DicksonMound)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）。微量元素Zn研究的问题坚果和贝类中也存在较高的Zn，与肉类相似,在分析中必须考虑到坚果和贝类被食用的潜在可能。研究表明,坚果和贝类中Sr含量要比肉类高一个数量级以上。再利用Zn进行食谱分析时,需采用Sr、Zn双重指示剂，如果：

Zn高，Sr低-------考虑以肉食为主；

Zn高，Sr高-------考虑以坚果和贝类为主。与食谱有关的微量元素Sr和BaSr和Ba在生物体内存在生物纯化现象。在食物链中,从草食动物→杂食动物→肉食动物,Sr和Ba含量逐渐降低,Sr/Ca和Ba/Ca比率也逐渐降低。因此根据骨骼中的Sr/Ca和Ba/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。肉食资源越多，Sr/Ca和Ba/Ca越低。锶进入人

骨的途径Sr/Ca和Ba/Ca的问题1.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。微量元素研究的其他问题生物吸收不同人对微量元素的摄取能力不同，而且常常有很大变化。污染问题骨骼在长期埋藏过程中常常会受到土壤里面微量元素的污染。元素分析的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。同时要运用多种能够分析综合讨论，例如;Sr/CaBa/CaBa/SrZn.稳定同位素原子Atom古代哲学家认为所有物质都是有极其微小的粒子构成的，大约在公元前450年，古希腊時期伟大的唯物主义哲学家德谟克利特（Democritus）创造了原子这个词语，意思就是不可切割。原子论：万物由原子构成。德谟克利特的原子唯物论思想是古希腊唯物主义发展的最重要成果。墨子德谟克利“始”和“端”道尔顿的原子理论道尔顿原子理论是英国科学家道尔顿在十九世纪初提出来的。道尔顿原子论认为，物质世界的最小单位是原子，原子是单一的，独立的，不可被分割的，在化学变化中保持着稳定的状态，同类原子的属性也是一致的。道尔顿原子理论，是人类第一次依据科学实验的证据，成系统的阐述了微观物质世界，是人类对认识物质世界的一次深刻的，具有飞跃性的成就。卢瑟福-波尔原子模型1911年由卢瑟福（ErnestRutherford，1871～1937）提出：原子的质量几乎全部集中在直径很小的核心区域，叫原子核，电子在原子核外绕核作轨道运动。原子核带正电，电子带负电。1913年尼·玻尔(NielsBohr，1885-1962），在卢瑟福模型的基础上，他提出了电子在核外的量子化轨道，解决了原子结构的稳定性问题，描绘出了完整而令人信服的原子结构学说。原子核电子原子结构原子核电子云原子核结构原子核是由质子和中子构成的。质子（Protons）：是原子核内带正电的粒子。中子（Neutrons）：核内不带电的粒子。质量数、原子数和中子数质量数（A）：核内质子数和中子数之和。原子数（Z）：核内质子的数目。中子数（N）：核内中子的数目。

同位素原子数相同，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。同位素的形成同位素的形成部分是因为元素自身发生了衰变形成同位素，还有一部分是因为元素在大气中受到了高能粒子的撞击发生变化形成的或在高温高压特殊环境的条件下形成的。稳定同位素（StableIsotope）某元素中不发生或极不易发生放射性衰变的同位素。1913年J.J.汤姆孙和F.W.阿斯顿用磁分析器发现天然氖是由质量数为20和22的两种同位素所组成，第一次发现了稳定同位素。地球上已发现的稳定同位素共274种。

氚氕氘稳定同位素的丰度放射性同位素（Radioisotope）放射性同位素的原子核很不稳定，会不间断地、自发地放射出射线，直至变成另一种稳定同位素，这就是所谓“核衰变”。放射性同位素在进行核衰变的时候，可放射出α射线、β射线、γ射线和电子俘获等。核衰变的速度不受温度、压力、电磁场等外界条件的影响，也不受元素所处状态的影响，只和时间有关。放射性同位素衰变的快慢，通常用“半衰期”来表示。半衰期（half-life）即一定数量放射性同位素原子数目减少到其初始值一半时所需要的时间。如P(磷)－32的半衰期是14.3天，就是说，假使原来有100万个P(磷)－32原子，经过14.3天后，只剩下50万个了。同位素比值（样品的同位素比值相对于标准物质同位素比值的千分差）标准物质的稳定同位素比值被定义为0‰

氧同位素数值的转换同位素标准物质对同位素标准物质的要求是：（a）组成均一性质稳定；(b)数量较多，以便长期使用；(c)化学制备和同位素测量的手续简便；（d）大致为天然同位素比值变化范围的中值，以便用于绝大多数样品的测定；（e）可以做为世界范围的零点。生物化学基础知识内容蛋白质基本知识——胶原蛋白糖类基本知识——参与代谢脂类基本知识——残留物分析骨骼的成岩作用——污染的识别与防治蛋白质基本知识生物大分子生命是由蛋白质、核酸、多糖和脂类等四中大分子组成。生命中最重要的两类物质是蛋白质（Protein）和核酸（Nucleicacid）。蛋白质主要作用是执行生物功能，核酸主要作用是传递遗传信息，决定蛋白质的结构和功能。氨基酸（aminoacid，AA），其结构通式如下：蛋白质的构件分子-氨基酸羧基氨基侧链α碳原子氢原子疏水性氨基酸亲水性氨基酸20种常见氨基酸（8种必需AA）中文名英文名三字母缩写缩写中文名英文名三字母缩写缩写1.丙氨酸AlanineAlaA11.苏氨酸Threonine

ThrT2.缬氨酸ValineValV12.半胱氨酸CysteineCysC3.亮氨酸LeucineLeuL13.酪氨酸TyrosineTyrY4.异亮氨酸IsoleucineIleI14.天冬酰胺AsparagineAsnN5.苯丙氨酸PhenylalaninePheF15.谷氨酰胺GlutamineGlnQ6.色氨酸TryptophaneTrpW16.组氨酸HlstidineHisH7.蛋氨酸MethionineMetM17.赖氨酸LysineLysK8.脯氨酸ProlineProP18.精氨酸ArgnineArgR9.甘氨酸GlycineGlyG19.天冬氨酸AsparticacidAspD10.丝氨酸SerineSerS20.谷氨酸GlutamicacidGluE氨基酸的连接（肽）羧基氨基肽键（也叫酰胺键）肽与多肽链N端C端表示方法：Leu-Ala-Asp-Glu-Ser--------氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构。蛋白质的空间结构蛋白质的结构蛋白质的合成蛋白质代谢1.合成蛋白质：外源蛋白质进入人体，在消化道内消化（各种蛋白质水解酶）后形成游离的氨基酸，然后才能被吸收，进入血液，供给细胞合成自身蛋白质。2.分解代谢：氨基酸先脱去氨基，形成碳骨架——α-酮酸可进行氧化，形成CO2和H2O，产生ATP，也可转化为糖和脂肪。胶原蛋白Collagen胶原蛋白是脊椎动物体内含量最丰富的蛋白质，约占体内所有蛋白质的30%，是动物体结缔组织中非常重要的结构性纤维蛋白质，它分布於人体的真皮层、硬骨、肌腱、齿质、筋膜、器官被膜、纤维性软骨等组织中，扮演结合组织的角色，在软骨与肌腱中含90%以上，皮肤组织含50%以上，主要提供组织所需的强度及柔软性。胶原蛋白分为四种类型：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。Ⅰ型主要分布在骨骼中。胶原蛋白在体内以胶原纤维的形式存在。胶原蛋白结构胶原蛋白是由3条多肽链组成的。多肽链主要以3联体重复组成：（gly-X-Y）nX是脯氨酸proY是羟脯氨酸Hyp和羟赖氨酸Hyl细胞合成的胶原蛋白初级结构：包含三股螺旋区域、非三股螺旋区域、碳端蛋白分子及氮端蛋白分子，而胶原蛋白又包含在其中。骨胶原蛋白两种类型人类骨骼中的骨胶原具有两种状态。不可溶性胶原蛋白（InsolubleCollagen，简称ISC）——明胶化法提取，对于无法提取出ISC的骨样，古食谱的重建也就无从谈起。可溶性胶原蛋白（SolubleCollagen，简称SC）。在骨骼的长期埋藏过程中，ISC可逐渐转化为SC，在利用明胶化法提取时，SC很容易溶解在废液里，在处理过程中尝尝予以废弃。小双桥遗址位于河南省郑州市西北约20Km的小双桥村及其西南，地理坐标为34051′N，133033′E。实验样品全部选自该遗址考古发掘出土的动物骨骼，共４例个体。经动物考古学家鉴定，分别是1例狗、1例猪和2例牛。动物的年代为商代中期（距今约3400年）。SC与ISC的C、N稳定同位素比值相似，同样可以应用于古食谱研究稳定同位素比值相似的机理研究结果表明，SC与ISC的总氨基酸组成，完全符合Ⅰ型胶原蛋白的特点。此外，SC与ISC相比，8种必需氨基酸组成，非常接近，变异范围仅为0.25%；而11种半必需氨基酸和非必需氨基酸，则变化稍大0.90%。显然，不同性质氨基酸含量的少许差异，是造成两种蛋白Ｃ、Ｎ稳定同位素相似但不相同的主要原因。糖基本知识糖的生理功能1.提供能源3.构成细胞的成分2.提供碳源4.构成某些生物活性物质糖的概念糖(carbohydrates)即碳水化合物Cn（H2O）n其化学本质为多羟醛或多羟酮类及其衍生物或多聚物。葡萄糖果糖糖为什么是甜的？早在20世纪60年代，就有人提出了糖之所以甜，是因为糖类分子中都含有多羟基，多羟基中两个氢原子之间有一定的距离，这个距离恰好能与舌头上的味觉感受器形成化学吻合物。这种化学吻合物可以刺激味觉感受器，使其产生脉冲，进而由神经将脉冲传入大脑，使人感到甜味。

单糖-葡萄糖和果糖的结构双糖蔗糖麦芽糖糖苷键两个葡萄糖1个葡萄糖1果糖多糖多糖是由多个糖分子缩合，失水而成的。多糖在水溶液中不形成真溶液，只能形成胶体，没有甜味。淀粉——最终水解产物——葡萄糖直链淀粉——可溶支链淀粉——不可溶直链淀粉支链淀粉-1,4-糖苷键-1,6-糖苷键脂类基本知识脂类功能脂类（lipids，也称为脂质）是一类不溶于水而易溶于有机溶剂，并能为机体利用的有机化合物。油脂是热能最高的营养成分，1g油脂在完全氧化时放出的热量约为糖类的2倍。正常情况下，每人每日需进食50g-60g脂肪，约能供应日需总热量的20%-25%。人体中的脂肪是维持生命活动的备用能源。一般成年人体内储存的脂肪约占体重的10%-20%。

脂类分类脂类衍生物质脂类衍生物质是生物体的重要组成成分并参与多种代谢，具有重要的生理功能。甘油三酯——甘油+脂肪酸脂肪酸碳链或烷烃羧基（丙三醇）（Triglyceride)，缩写TG常见的脂肪酸（一端是长的碳氢链，一端是一个羧基）必需脂肪酸：机体必需但自身又不能合成或合成量不足，必须从植物油中摄取的脂肪酸叫必需脂肪酸。包括亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸。—C-C-C——C=C—动物脂肪和某些植物油（包括椰子油、棕榈油和可可油）的脂肪酸属于饱和脂肪酸。顺式不饱和脂肪酸饱和脂肪酸固态fat液态Oil氢化油与反式脂肪酸在从前，食用的脂肪主要是动物脂肪，例如黄油、奶油、猪油，它们比较稀少、昂贵。植物油倒是便宜，但是供食用的植物油基本上都是顺式不饱和脂肪酸，它们很不稳定，是液体，而且容易变质，这是由于自由基攻击链条中的双键造成的。20世纪初，德国化学家威廉·诺曼想到了一个解决办法，给植物油中的双键提供氢原子，让它们变饱和，这个过程称为氢化，这样制造出来的油就叫氢化油。如果所有的双键都被氢化、饱和了，顺式脂肪酸就变成了反式饱和脂肪酸。植物油氢化之后，变成了半固体，性质稳定、不容易变质，可以代替动物脂肪使用，而且价格要便宜得多。脂肪酸与残留物分析脂类物质具有一定的生物种属特异性，不同类型和不同物种的生物所含脂类物质的成分和比例均有差异，所含脂肪酸的碳原子数目、不饱和键的数目等也不尽相同，这些差异则可作为鉴别生物种类的分子标志物。另外在同等环境下脂类物质在地层中保存的稳定性要强于DNA和蛋白质其原因可能是由于脂类物质碳骨架大多以饱和键相连而且不溶于水；同时脂肪的表面经过一定时间的氧化会形成硬膜，对于其内部的脂肪具有一定的保护作用脂类物质已经逐渐生物考古学研究的一个重要手段，在探索古代的环境、古人的食谱和器物的用途等方面发挥出独特的作用。在考古学中应用脂肪酸检测技术可以追溯到20世纪七十年代。英国学者J.Condamin等在1976年首先运用气相色谱法（GC）检测考古遗址出土的双耳细颈椭圆土罐中的痕量油脂，论文发表在著名的《Archaeometry》杂志上。1977年德国化学家RolfRottlander从北欧新石器时代湖滨聚落出土的陶片上鉴定出残留的芥菜油，橄榄油，菜籽油，黄油等油脂；其后又通过分析德国Heuneburg的铁器时代山城中的陶片，证实某些小口尖底瓶含有橄榄油和葡萄酒的残渣，而在罗马发现的小口尖底瓶中的黑色木炭形式的物质则为小麦面粉，从而有效地揭示了这些古代器物的功能及其当时古人的食谱。1979年，日本学者分析出平城京遗址出土的油灯残油为菜子油，对北海道出土的约1.2万年前的刮削器的分析表明含有北海道鹿的脂肪酸；其后又检测出宫城县出土的大约14万年前的旧石器上附着的脂肪酸，其中70%属于猛犸象、13%是麋鹿,7%是鹿的。1982年，日本成立了脂肪酸分析专门研究小组。经长期研究建立了含万余种现代动植物和5000种来自考古资料脂肪酸信息的数据库。日本学者首先采用气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）检测脂肪酸，大大提高了实验的敏感度。随着脂肪酸分析技术的不断推广和应用，大家逐渐认识必须建立各种动植物的脂肪酸组成和结构的数据库，方能对考古检测出的脂肪酸进行有效的比对分析。到目前为止，加拿大学者M.E.Malainey等做了130种当地现生的动植物的脂肪酸组成的数据库；日本学者建立了含5000种古代样品和10000种现代样品的数据库。脂肪酸与环境分析烷烃是最简单的有机物，只含碳氢单键,故化学性质非常稳定,碳链没有支链的称正构或正链烷烃，是脂肪酸的基本架构。高等生物体内脂肪酸代谢的基本产物是正构烷烃，由脂肪酸脱去羧基而形成，故具有奇偶优势。正链烷烃是植物叶表皮蜡的主要成分植物生物体死亡后，有机质不断降解，可以形成更多的正构烷烃,因此正构烷烃广泛分布于各类沉积物中，是地球化学研究中常用的分子标志物。正构烷烃与高等生物来源1）通常用正构烷烃碳优势指数表示，即CPI值（carbonpreferenceindex碳优势指数）。计算公式为：CPI=ΣC23～C35(奇数)/ΣC22～C34(偶碳数)用检测样品的色谱图中正构烷烃奇数碳的峰面积与偶数碳的峰面积之比来计算2）平均碳链长度（ACL,AverageCarbonLength）指检测样品的色谱图中正构烷烃的主峰的碳数，即混合物中主要含有那几种烷烃。地质体中的正构烷烃1)来源于具有光合作用的藻类、菌类等低等生物的正构烷烃，ACL较短（Ｃ15以下），且CPI值(碳优势指数