有机残留物分析综述 part 1/6

你好，这是本兔的第 78 篇推送。

一、有機殘留物的基本概念與原理

以色列魏茨曼科學研究所（Weizmann Institute of Science）基穆爾科技考古研究中心（Kimmel Centre for Archaeological Science）主任斯蒂芬•維納爾（Stephen Weiner）在他的專著《微觀考古學-超越可見的考古遺存》（Microarchaeology - beyond the visible archaeological record） [1] 中對各種微觀遺存（澱粉粒、脂肪酸、植矽石等）及可以從中獲取的各種資訊進行了梳理。在該書的第一章，作者給出了他所認為的微觀考古學的概念，即考古遺存主要由和古代人類行為相關的物質組成。其中一些是肉眼可見的 – 即宏觀考古遺存 – 一些需要通過如顯微鏡或光譜儀發現和識別。這就是所謂的微觀遺存，並且對這類遺存的研究在此被稱為“微觀考古學”（The archaeological record is mainly composed of materials related to past human behavior. Some of these are visible to the naked eye - the so-called macroscopic record – and some require instruments, such as microscopes or spectrometers, to be seen and characterized. This is the so-called microscopic record, and the study of this record is referred to here as microarchaeology.）。殘留物可以被認為是微觀遺存的主要組成部分。楊益民對“殘留物分析”的定義如下：“所謂殘留物分析是指從殘留物載體中提取有機物，利用科學檢測手段進行定性定量分析判斷殘留物來源，從而瞭解古代動植物的加工、利用和相關載體的功能等。” [2] 而有機殘留物是殘留物的一部分，也是屬於微觀遺存的一種，其區別於其它殘留物的標準在於其主要由有機分子，如DNA、蛋白質、糖類、脂類以及一些有機小分子所組成。所謂“有機殘留物分析”即通過對這些有機分子的識別、分子的組合的確認和同位素組成資訊的提取來豐富我們對於古人加工和利用有機物的認識。

初步瞭解“有機殘留物”相關背景和定義之後，我們需要知道如何從有機物分子的定性和定量分析中提取有效資訊，這就涉及到“化學分類學”的相關理論。“化學分類學” （chemotaxonomy）在Merriam-Webster辭典中的定義 [3] 如下：“the classification of plants and animals based on similarities and differences in biochemical composition.”翻譯成中文即根據生物化學組成的相似和不同類對植物和動物進行分類。這樣來看自然而然會有一個問題：哪些生物化學組成可以用來區分不同種類的植物和動物，而哪些生物化學組成不能區分？這樣就引出了另一個相關的關鍵概念，即“生物標誌化合物”（biomarker）。“生物標誌化合物”是一個比較複雜的概念，故現將對這一概念的幾種解釋陳列如下。在Merriam-Webster辭典中其定義為：“A biomarker, or biological marker, generally refers to a measurable indicator of some biological state or condition. The term occasionally also refers to a substance whose presence indicates the existing of living organisms.” [4] 翻譯如下：生物標誌化合物主要指可測量的一些生物狀態和情況相關的指示劑。這一術語偶爾也指代一種物質，即它的存在指示了一個活的有機體的存在。在K.E.彼得斯等人編寫，由張水昌，李振西等翻譯的《生物標誌化合物指南（第二版）》中其相關概念為：“生物標誌化合物簡稱生物標誌物，是分子的化石……它們複雜的化學結構比其他化合物蘊含著更多的反映其來源地資訊……” [5] 。在有機殘留物分析領域內的著名學者理查•埃佛謝德（Richard P. Evershed）在2008年發表的一篇有機殘留物分析綜述[6]中，對“考古生物標誌化合物”（Archaeological Biomarker）給出了如下定義：“……by defining the concept of Archaeological Biomarkers as those substances occurring in organic residues that provide information relating to human activity in the past.”， “……the Archaeological Biomarker Concept is distinctive, since the focus is specifically on human activity.”翻譯如下：“……通過將考古生物標誌化合物定義為存在於有機殘留物中的可以提供古代人類活動相關資訊的物質”，“……考古生物標誌化合物的概念是獨特的，因為其特定地聚焦於人類活動。”將以上幾種解釋相互比較以後就可以看出：生物標誌化合物是有機殘留物中所涉及的特定化合物，這類化合物可以和合成它的動植物種類相對應，而這種對應可以揭示出古代人類的活動行為。

生物標誌化合物包括DNA，蛋白質，糖類，脂類以及一些小分子。DNA，蛋白質，糖類等化合物水溶性較強易於被地下水所溶失或者被微生物所降解，故相對而言這類化合物不易完整地被保存下來 [7] 。此外，學界對DNA，蛋白質等物質的分析方法多為生物化學方法，超出了筆者的學識範圍，故而在本綜述中不予涉及。對此類生物分子感興趣的讀者可參考Handbook of Archaeological Science [8] （《科技考古手冊》）中的相關章節。

打一個形象一點的比方，如果把一次從考古材料（如陶片）中提取並分析有機殘留物的過程比作對一個墓葬的發掘，我們會發現某些物質如陶器、銅器可以完好保存（對應為脂類），而絲織品或木器容易被降解（對應為DNA，蛋白質，糖類）。通過對殘存下來的陶器和銅器風格和製作工藝的辨識，我們可以確定其考古學文化歸屬，即相當於通過對生物標誌化合物及其組合的分析來判斷其所來自的動植物種類。

二、有機殘留物分析的研究歷史

1976年，康達敏（J. Condamin）等人首次利用氣相色谱法（Gas Chromatography）分析地中海沿岸地區常見的用於貿易的安佛拉罐（amphorae）內盛放的橄欖油殘留物 [9] 。繼此次研究之後學界陸續有零散的研究成果發表。

1991年，卡爾•赫倫（Carl Heron）等人研究了陶片和附著其上的土壤中有機物的含量和組成，發現除了極少數的例外情況，從陶片中提取得到的有機物含量遠多於從陶片表面所附著的土壤中提取的有機物含量（差別最大者可相差50倍）。卡爾•赫倫（Carl Heron）等人沒有從陶片中提取到構成和組合接近土壤中有機物的有機殘留物，證明瞭來自土壤的有機物對陶片中有機物的污染可以忽略不計。這一研究成果提高了人們對於陶片可以有效保留有機考古遺存這一重要前提的認識，從而在很大程度上影響了學界對有機殘留物的研究 [10] 。

本文將以上文提到的1991年卡爾•赫倫（Carl Heron）等人的研究為起點，以吸附基質（陶片、石器和土壤）而不是被吸附物質為主要分類標準，並在此分類下以專題的形式介紹和評議有機殘留物的相關研究。本文希望能夠給予讀者以從方法和邏輯的角度上理解有機殘留物分析而並非僅僅對所“發現”的有機殘留物種類進行簡單羅列。對有機殘留物分析所涉及的化學基礎感興趣的讀者可以參考理查•埃佛謝德（Richard P. Evershed） [11] ， [12] 和卡爾•赫倫（Carl Heron） [13] 的相關綜述以及特裡•布朗（Terry Brown）和凱莉•布朗（Keri Brown）合著的Biomolecular Archaeology: an introduction [14] （《分子生物考古學介紹》）。

参考文献

[1] Weiner, S., 2010, Microarchaeology - beyond the visible archaeological record , Cambridge University Press: Cambridge.

[2] 楊益民：《古代殘留物分析在考古中的應用》，《南方文物》2008年第2期 20-25頁.

[3] Merriam-Webster’s Collegiate Dictionary, 11th Edition, Merriam-Webster Inc, US.

[4] Merriam-Webster’s Collegiate Dictionary, 11th Edition, Merriam-Webster Inc, US.

[5] [美] K.E. 彼得斯，C.C.沃爾特斯，J.M.莫爾多萬著；張水昌，李振西等譯《生物標誌化合物指南（第二版）》，石油工業出版社，2011年10月第1版.

[6] Evershed, R. P., 2008, Organic residue analysis in archaeology: the archaeological biomarker revolution, Archaeometry , 50(6), 895-924.

[7] Evershed, R. P., 1993, Biomolecular archaeology and lipids, World Archaeology , 25, 74-93.

[8] Edited by D. R. Brothwell and A. M. Pollard, 2001, Handbook of Archaeological Sciences , John Wiley & Sons, Ltd.

[9] Condamin, J., Formenti, F., Metais, M. O., Michel, M. & Blond, P., 1976, The applicationof gas chromatography to the tracing of oil in ancient amphorae, Archaeometry , 18(2), 195-201.

[10] Heron, C., Evershed, R. P., Goad, L. J., 1991, Effects of migration of soil lipids onorganic residues associated with buried potsherds, Journal of Archaeological Science , 18, 641-659.

[11] Evershed, R. P., 2008, Organic residue analysis in archaeology: the archaeological biomarker revolution, Archaeometry , 50(6), 895-924.

[12] Evershed, R. P.,1993, Biomolecular archaeology and lipids, World Archaeology , 25, 74-93.

[13] Heron, C., Evershed, R. P., 1993, The analysis of organic residues and the study of pottery use, Archaeological Method and Theory , 5, 247-284.

[14] Brown, T., Brown,K., 2011, Biomolecular Archaeology: an introduction , Wiley-Blackwell, UK.