古代人类牙齿结石的生物考古学研究

□陶大卫

古代人类牙齿结石的生物考古学研究

□陶大卫

20世纪70年代，“生物考古(bioarchaeology)”一词首次被提出，但当时仅指考古遗址中动物遗存的研究[1]。尔后，Jane Buikstra等提出生物考古应该研究考古遗址中的人类遗骸以重建人类历史[2]。现今，生物考古的研究范围不断扩大，研究对象也进一步拓展，囊括了考古遗址出土的所有生物遗存，如人类遗骸、动物、植物以及微生物等，研究手段也更加科学化、实验化。目前，生物考古学包含了骨骼考古、植物考古、动物考古、分子考古等众多分支学科，成为国际和国内科技考古领域的研究前沿和热点[3]。

针对人体骨骼和牙齿的生物考古学研究，如稳定同位素分析、古DNA分析等，使我们对人类起源与演化、古代人类的食物结构乃至农业起源等均有了突破性认识[4][5][6]。牙齿结石（dental calculus）作为牙齿表面的附着物，无论是从成分还是结构上来说，它都与牙齿及釉质相类似[7]，这使得它在考古遗址中能够同牙齿及釉质一起保存下来，为考古研究提供了可能性。

牙齿结石是矿物质化的牙菌斑，其中无机成分占主体，有机成分占牙齿结石干重的15%～20%，主要包括氨基酸、蛋白质、碳水化合物、脂类及糖蛋白等[8]。细菌等微生物及各种食物残留，会在牙齿结石的形成过程中被吸收进来。人牙结石的形成受诸多因素影响，如年龄、性别、口腔状况、自然环境等，其中食物结构是影响牙结石形成的重要因素之一[9]。近几年，牙结石逐渐成为国际生物考古领域新的研究对象，多种研究手段如淀粉粒分析、碳氮稳定同位素分析、古DNA分析、古微生物分析及生物化学分析等的运用，使人们对古人类行为模式，古代先民食物结构、生业模式、生存环境、体质健康状况等有了新的认识[10][11][12][13][14]。国内有学者早在2008年即认识到人牙结石分析可用于古代人类食谱重建[15]，但并没有引起足够的重视。近几年，古代人类牙齿结石逐渐成为国内淀粉粒分析的重要研究对象[16]，但还未见牙结石的其他生物考古研究成果发表。

本文从淀粉粒、碳氮稳定同位素、古微生物、古DNA和生物化学等四个方面简要介绍牙结石生物考古学研究的具体内容和进展，希望引起人们对古代人类牙齿结石分析的重视，促进牙齿结石的生物考古学研究在国内的开展，以期能进一步拓展国内生物考古学的研究领域。

人牙结石的植物微体遗存分析

植物是人类重要的食物来源，植物考古学是了解古代人类利用和食用植物资源最为有效的途径之一。作为植物考古学研究的重要手段，包括淀粉粒分析在内的植物微体遗存分析广泛应用于石器、陶器等的研究[17][18]，近些年扩展至牙结石。牙齿结石中残留的植物微体遗存，能为我们探讨古代人类植物性食物来源提供最直接的证据。

20世纪80年代，Dobney等首次利用扫描电子显微镜观察古代人牙结石，发现有植硅体和淀粉颗粒，证实了古代牙结石中的确残留有植物微体遗存[19]。之后，陆续有学者提及人牙结石与古人类食物之间的联系[20]。考古学研究的案例也充分证实了这一点。Allison在对秘鲁和智利16种人群的牙结石比较研究中发现，印加和殖民地时期的人群是以高碳水化合物的食物为生的农民，呈现出牙结石的高发率。而前印加时期，以采集或捕鱼为主，以农业作为补充的人口牙齿结石发生率较低[21]。到了20世纪90年代，古代牙齿结石的微体遗存实验室提取分析工作逐渐展开，Fox等从人牙结石中提取出禾本科植硅体，获得了当时人类食物来源及古环境信息[22]。而后，Cummings等及Nelson等在人牙结石中提取出淀粉粒残留，进一步拓宽了人牙结石微体植物遗存研究的范围[23][24]。

淀粉粒是牙齿结石中主要的微体植物残留[25]，近些年，国际上有关人牙结石淀粉粒分析的研究逐渐增多。通过对先民牙结石中提取出的淀粉粒进行种属鉴定和量化分析，可以了解先民食用植物的具体种类，并判断农作物和采集植物各自所占的比重，从而探讨当时的社会经济形态和农业发展水平。Piperno等对秘鲁北部的Nanchoc河谷若干遗址的先民人牙结石开展的淀粉粒分析表明：距今8000年左右，Nanchoc河谷的先民食物中，既有栽培作物如南瓜、花生等，也有豆类采集植物，显示当时的经济形态处于由采集经济向农业经济转变的阶段[26]。而对古人类牙结石的淀粉粒分析，对于了解古人类植物利用状况、行为模式和进化等具有重要意义。Henry等在中东和欧洲的部分尼安德特人的人牙结石中提取出淀粉粒残留，这些淀粉粒主要来自棕榈类、豆类及禾本类植物，显示出尼安德特人植物性食物来源的广谱性[27]。

同时，学者们开始重新重视牙齿结石的扫描电子显微镜分析[28]。在实验室提取人牙结石微体遗存的过程中，常常会丢失很多只能在扫描电子显微镜下观察到的物质，如细菌等微生物以及纤维等；而且，牙齿结石的扫描电子显微镜观察，有助于了解牙结石中淀粉粒、植硅体等植物微体遗存的保存状况和微观形态特征。无疑，牙齿结石的扫描电子显微镜观察和微体遗存分析相结合，有望最大限度地发掘古代人类牙结石中包含的植物微体遗存信息[29]。

而在国内，随着淀粉粒分析方法的引入，人牙结石的淀粉粒分析也取得了一定进展。李明启等对甘肃临潭齐家文化陈旗磨沟遗址的人牙结石开展了淀粉粒分析，发现当时的经济形态是以粟作农业为主，但采集经济仍是农业经济的补充方式之一[30]；陶大卫对裴李岗遗址的部分人牙结石进行了淀粉粒分析，发现牙结石中残留有一定数量的淀粉粒，主要来自坚果类、块茎类、豆科、小麦族等植物以及粟黍等农作物，反映出裴李岗先民植物性食物来源的多样性。

人牙结石的稳定同位素分析

自20世纪70年代开始，稳定同位素分析方法的创立和发展，进一步拓展和深化了人们对于古代人类食物结构的认识，并已成为探讨先民生计方式、社会经济形态、人与动植物关系的重要途径[31][32]。目前，骨骼的稳定同位素研究在国内考古学研究中已被广泛应用，分析人体骨骼中骨胶原的碳和氮稳定同位素，分别可揭示其生前是以C3类食物还是C4类食物为主，以及其营养级别、主要的肉食来源。该方法的应用，使我们对古代人类食物结构、作物栽培，动物驯化、饲喂模式，乃至农业起源等均有了突破

性认识[33][34][35]。

牙齿结石中包含氨基酸、蛋白质、碳水化合物、脂类，以及糖蛋白等有机物，这些有机物的存在使得牙齿结石的碳氮同位素分析成为可能。Scott等首次分析了牙齿结石中的碳氮稳定同位素，认为利用牙齿结石碳氮同位素分析重建古代人类食谱具备可行性[36]。而Salazar-Garcia等则认为，人牙结石的碳氮稳定同位素分析只能大体上反映群体的食物结构，并不能准确重建个体食谱[37]。Eerkens等的研究则表明，运用牙齿结石碳氮稳定同位素分析，讨论不同地区之间或者不同时期群体的食物结构差异是可行的[38]。

我们对河南淅川沟湾遗址仰韶文化时期的人牙结石进行了碳氮稳定同位素分析，结果显示：沟湾先民群体食物中，C3食物和C4食物兼有，且肉食在食物中的比重并不高，这与该遗址人骨骨胶原的碳氮稳定同位素分析结果基本一致。人牙结石的碳氮稳定同位素分析，能够反映先民整体的食物结构；但同一个体牙结石和骨骼骨胶原的δ13C值及δ15N值一致性较差，可见，牙齿结石的碳氮稳定同位素分析并不能准确反映先民个体的食物结构。相较于利用稳定同位素方法分析牙齿结石，植物微体遗存分析、生物化学分析等更能有效地提取牙齿结石中包含的食物信息。

人牙结石的古微生物和古DNA分析

牙齿结石是矿物质化的牙菌斑，牙菌斑本身即是一种稠密的细菌生物被膜，而牙齿结石高度矿化的特性能为这些细菌提供良好的保护环境。Dobney等在利用扫描电子显微镜观察古代人牙结石时，就发现有细菌的存在[39]；而Pap等甚至在距今6万年前的尼安德特人牙结石中发现了细菌[40]。Linossier等首次运用免疫组织化学分析手段对牙齿结石进行了古微生物研究，鉴定出变形链球菌（Streptococcus mutans）[41]。这些研究表明，细菌等微生物在牙齿结石中能够保存很长时间并保留较为完整的细胞结构。基于上述研究，同时由于在污染控制、实验流程设计等方面的进步，以及新的测序技术和生物信息学手段的出现[42]，牙齿结石的古微生物研究开始侧重提取其中残留的DNA[43]。Preus等首次在史前时期的牙齿结石中发现了细菌DNA片段[44]，其后，Fuente等也在4000年前的牙齿结石中成功提取出古代细菌的DNA，并且利用基因分析判别出细菌种类，认为对牙齿结石中残留的细菌进行古DNA分析，是开展古代人群病理学研究的有效途径[45]。

近些年，代表性成果分别来自Adler等和Warinner等的研究。前者对欧洲中石器时代至中世纪时期的牙齿结石开展了古DNA分析，探讨了这段时期内食物结构的重大转变对人类体质健康状况的影响。研究发现，农业的产生导致饮食结构变化，碳水化合物的大量摄取改变了农业人群的口腔环境和其内部的微生物群落，口腔内与牙周疾病相关的细菌种类明显多于狩猎采集群体，这导致口腔疾病开始增多；而此后口腔内的微生物群落趋于稳定，直到工业革命发生，食物加工技术更加进步，与龋齿相关的细菌在口腔内占据主导，同时，口腔内微生物的多样性远低于史前时期和中世纪。这种状况，一直延续到现在，而这可能是现代各类慢性口腔疾病（也包括其他慢性病）常发的原因之一[46]。后者运用宏基因组学和宏蛋白组学，对中世纪和现代人牙结石进行了古DNA和蛋白质分析，发现了抗生素耐药性基因的存在，表明在人类使用抗生素之前，口腔就发挥着类似抗生素的作用。值得关注的是，Warinner等首次在古代人牙结石中发现了植物和动物的DNA序列，它们和来自猪属、十字花科和小麦的线粒体DNA吻合。此外，还发现一种可能的植物性食物蛋白。虽未发现动物蛋白，但在现代人群的牙结石中发现了一种牛奶蛋白，表明古代牙齿结石中提取出动物蛋白是有可能的[47]。这项研究表明，古代牙齿结石中保存的生物分子（DNA和蛋白质），为我们探讨古代人类体质健康状况和食物来源等提供了新证据。

人牙结石的生物化学分析

生物化学分析，一直是对古代残留物进行研究的重要手段[48]。牙结石的高度矿化特性，为残留物中的有机质提供了良好的保护环境，这使得利用生物化学分析手段开展牙结石的残留物分析成为可能。牙结石的生物化学分析，可以获取某些残留物质的特征化学成分或化合物指标，它们作为植物微体遗存、生物分子遗存的有效补充，拓展了对古代人类动植物资源利用的认识。Hardy等利用热脱附-气相色谱质谱连用法和热裂解-气相色谱质谱连用法，分析了西班牙El Sidron遗址尼安德特人的牙结石，发现了属于蓍草和甘菊的化合物，这两种植物具有药用价值。此项研究表明，尼安德特人很可能已具备自我治疗的能力，这对于了解尼安德特人的行为模式具有重要意义[49]。β乳球蛋白(BLG)，是有效的牛奶生物标记物，Warinner等建立了使用液相色谱-串联质谱连用鉴别牙结石中β乳球蛋白(BLG)是否存在的方法，并将该方法用于讨论中世纪格陵兰岛居民在小冰期前后食物结构的转变。研究发现，小冰期之前该地区遗址居民牙结石中β乳球蛋白(BLG)含量丰富，小冰期发生后，牙结石中β乳球蛋白急剧降低，显示乳制品消费逐渐降低乃至消失。这与稳定同位素分析和动物考古研究结果相吻合，表明居民食物结构由陆生资源转向海生资源[50]。

小结

牙结石样品易获取，而且取样对于人类遗骸并无破坏，这些优势使其能够成为生物考古学研究的理想材料。显然，牙结石的生物考古学研究能够提供古代人类食物结构、体质健康状况方面的丰富信息，为我们了解古代社会提供了新的视角，理应得到更多的重视。

（本文得到国家社科基金项目〈16CKG022〉资助。）

[1]Clark JGD： 《Star Carr: a case study in bioarchaeology》，Addison-W esley,1972.

[2]Buikstra JE and Beck LA：《Bioarchaeology-the contextual analysis of human remains》，Academ ic Press,2006.

[3]胡耀武，王昌燧：《生物考古的研究进展及展望》，《山西大同大学学报（自然科学版）》，2009，25：84-89。

[4][33]Hu YW et al：《Stable isotopic analysis of human bones from Jiahu Site,Henan,China:implications for the transition to agriculture》， 《Journal of Archaeological Science》，2006，33：1319-1330.

[5][34]Hu YW et al：《Stable isotope dietary analysis of the Tianyuan 1 early modern human》，《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United Statesof America》，2009，106(27)：10971-10974.

[6]Fu QM et al：《DNA analysis of an early modern human from Tianyuan Cave,China》，《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United Statesof America》，2013，110(6)：2223-2227.

[7][37]Salazar-García DC et al：《Dental calculus is not equivalent to bone collagen for isotope analysis:a comparison between carbonand nitrogen stable isotope analysis of bulk dental calculus,bone and dentine collagen from same individuals from theMedievalsite of El Raval (Alicante, Spain)》， 《Journal of ArchaeologicalScience》，2014，47：70-77.

[8]LieverseAR：《Dietand theaetiology ofdentalcalculus》，《International Journal of Osteoarchaeology》，1999，9：219-232.

[9]Hidaka S and Oishi A：《An in vitro study of the effect of some dietary components on calculus formation: regulation of calcium phosphate precipitation》，《O ral Diseases》，1997，13：296-302.

[10][25]Henry AG and Piperno DR：《Using plant m icrofossils from dental calculus to recover human diet:a case study from Tellal-Raqa’i,Syria》，《Journal ofArchaeologicalScience》，2008，35：1943-1950.

[11][36]Scott GR and Poulson SR：《Stable carbon and nitrogen isotopes of human dental calculus:a potentially new non -destructive proxy for paleodietary analysis》，《Journal of Archaeological Science》，2012，39：1388-1393.

[12][44]Preus HR et al：《Ancient bacterial DNA(aDNA)in dental calculus from archaeological human remains》， 《Journal of Archaeological Science》，2011，38：1827-1831.

[13][41]Linossier A et al：《Paleom icrobiological study in dental calculus:Streptococcus mutans》，《Scanning M icroscopy》，1996，10：1005-1013.

[14]Buckley S et al：《Dental calculus reveals unique insights into food items,cooking and plant processing in prehistoric Central Sudan》，《PLoS ONE》，2014，9(7)：e100808.

[15]崔亚平：《牙结石分析与古代人类食谱研究》，《中国文物报》2008年8月15日第007版。

[16][30]李明启,杨晓燕,王辉,王强,贾鑫,葛全胜：《甘肃临潭陈旗磨沟遗址人牙结石中淀粉粒反映的古人类植物性食物》，《中国科学 D辑：地球科学》，2010，40:486-492。

[17]孔昭宸,刘长江,葛全胜：《北京平谷上宅遗址磨盘磨棒功能分析:来自植物淀粉粒的证据》，《中国科学D辑：地球科学》，2009,39：1266-1273。

[18]杨晓燕，蒋乐平：《淀粉粒分析揭示浙江跨湖桥遗址人类的食物构成》，《科学通报》,2010,55:596-602。

[19][39]Dobney K and Brothwell DR：《A scanning electron m icroscope study of archaeological dental calculus》，In O lsen,S. (ed.)：《Scanning electron m icroscopy in archaeology》，B.A.R.International Series452，1988.

[20]Arensburg B：《Ancient dental calculus and diet》，《Human evolution》，1996，11(2)：139-145.

[21]Allison MJ：《Paleopathology in Peruvian and Chilean populations》，In：Cohen M,ArmelagosG.(Eds.)：《Paleopathology at the O rigins of Agriculture》，Academic Press，1984：515-529.

[22]Fox CL et al：《Phytolith analysis on dental calculus,enamel surface and burial soil:information about diet and paleoenvironment》，《American Journal of Physical Anthropology》，1996，101：101-113.

[23]Cumm ings LS and Magennis A：《A phytolith and starch record of food and grit in Mayan human tooth tartar》，In:Pinilla A,Juan-Tresserras J,Machado M J(Eds.)：《Estado Actual de los Estudios de Fitolitos en Suelos y Plantas:The Stateof-the-Art of Phytoliths in Soils and Plants》，Monograf??as del Centro de CienciasMedioambientales，CSIC，4，Madrid，1997：211-218.

[24]Nelson GA：《Dental analysis and defformation of occupations activities in a peruvian population》，《Dental Anthropology》，1997，12：10-14.

[26]Piperno DR and Dillehay TD：《Starch grains on human teeth revealearly broad crop diet in northern Peru》，《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》，2008，105：486-491.

[27]Henry AG et al： 《M icrofossils in calculus demonstrate consumption of plants and cooked foods in Neanderthal diets(Shanidar III,Iraq;Spy I and II,Belgium)》，《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》，2011，108：486-491.

[28]Power RC et al：《Assessing use and suitability of scanning electron m icroscopy in the analysis of m icro remains in dental calculus》，《Journal of Archaeological Science》，2014，49：160-169.

[29]陶大卫：《淀粉粒的鉴别和分析及在考古学中的应用》，中国科学院研究生院博士学位论文，2012年。

[31]Ambrose SH and Katzenberg MA：《Biogeochem ical approaches to paleodietary analysis》，New York：Kluwer Academ ic/Plenum Publisher，2000.

[32]Barton L et al：《Agricultural origins and the isotopic identity of domestication in northern China》，《ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesofthe UnitedStatesofAmerica》，2009，106(14)：5523-5528.

[35]Hu YW et al：《Earliest evidence for commensal processes of cat domestication》，《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》，2014，111(1)：116-120.

[38]Eerkens JW et al：《Intra-and inter-individual variation in d13C and d15N in human dental calculus and comparison to bone collagen and apatite isotopes》， 《Journal of Archaeological Science》，2014，52：64-71.

[40]Pap I et al：《First scanning electron m icroscope analysis of dental calculus from European Neanderthals: Subalyuk, (M iddle Paleolithic,Hungary):prelim inary report》，In：《Bulletins et Mémoires de la Société d'anthropologie de Paris,Nouvelle Série》，tome 7 fascicule 1-2，1995：69-72.

[42]W arinner C et al：《A new era in palaeomicrobiology:prospectsforancientdentalcalculusasa long-term record the human oralm icrobiome》，《Philosophical Transactions of The Royal Society B》2015，370：20130376.

[43]W eyrich LS et al：《Ancient DNA analysis of dental calculus》，《Journal of Human Evolution》，2015，79：119-124.

[45]La Fuente CD et al：《DNA from human ancient bacteria:a novel source of genentic evidence from archaeological dental calculus》，《Archaeometry》，2013，55(4)：766-778.

[46]A dler CJet al：《Sequencing ancient calcified dental plaque showschanges in oralmicrobiotaw ith dietary shifts of the Neolithic and Industrial revolutions》，《NatureGenetics》，2013，45(4)：450-456.

[47]W arinner C et al：《Pathogens and host immunity in the ancient human oral cavity》，《Nature Genetics》，2014，46(4)：336-344.

[48]杨益民：《古代残留物分析在考古中的应用》，《南方文物》，2008年第2期：20-25。

[49]Hardy K et al：《Neanderthal medics Evidence for food,cooking and medicinal plant entrapped in dental calculus》，《Naturw issenschaften》，2012，99：617-626.

[50]W arinner C et al：《Direct evidence of milk consumption from ancient human dental calculus》，《Scientific Reports》，2014，4：e7104.

（作者单位 郑州大学历史学院考古系）

[责任编辑 孟昭勇]