人类牙釉质同位素研究的进展与展望

关键词：牙釉质；同位素；生长发育；化学组成；成岩作用

进入21世纪以来，随着生物考古学的快速发展，牙齿、骨骼、毛发及指甲等不同人体组织已陆续被应用于氢（δ2H）、氧（δ18O）、碳（δ13C）、氮（δ15N）、硫（δ34S）、锶（87Sr/86Sr）、锌（δ66Zn）、镁（δ26Mg）、钙（δ44/42Ca）及铅（Pb）等多种同位素研究。其中，牙釉质以其独特的生长发育特征和化学组成，备受同位素生物考古学研究者的青睐，尤其是在重建古代人类生命早期的生活史、居住史及健康史等研究方面具有非凡的潜力。目前，国际上对于人类牙釉质的同位素研究已有深刻认识，然而国内由于起步较晚，导致了在实际操作过程中，实验取样和研究方法陈旧，具体研究课题偏于单一，甚至对于基本原理的把握也不够系统和科学。为了加深国内学者对该项研究的理性认识，推动其为中国考古学界重大科学问题的解决作出重要贡献。下面将围绕多种同位素研究在人类牙釉质的生长发育机制、化学组成特征、抵抗成岩作用的有效性中的应用，主要研究主题的回顾及评述，以及对未来研究的思考与展望等几方面进行综述。

1人类牙釉质的生长发育机制

深入了解牙釉质的生长发育机制，是实现齿冠牙釉质高精度序列取样的保障，同时也是解读不同微量元素或同位素融入发育中的牙釉质模式和时间的基础。人类牙齿的生长发育模式具有一致性，并且不受时间、地域、遗传、个体健康及营养状况等因素所影响[1]。从口腔上皮的增生开始，直至生长发育结束，所有牙齿都经历了牙胚发生、逐渐矿化、齿冠形成、萌出及完全发育五个重要阶段[2，3]。

对于牙釉质主要附着的齿冠来说，从胎儿14周左右正中切牙开始逐渐矿化，至出生后3～9个月人类乳齿齿冠全部完成发育，上、下颌相对应的乳齿齿冠生长周期没有明显差异[4]。而人类恒齿齿冠矿化的时间较晚，并且生长周期较长，直到14.5岁左右第三臼齿齿冠才发育结束，上、下颌相对应的恒齿齿冠生长周期差异明显[5，6]。

牙釉质作为组成人类牙齿的三大主体部分之一，其形成主要包括釉质基质分泌和矿化成熟两个不同阶段，这两个阶段可以根据成釉细胞结构和功能的变化及其对釉质成分的影响来确定[7]。在牙釉质基质分泌阶段，釉质晶体被成釉细胞播种在附近的蛋白质基质中，并在成釉细胞退缩后拉长，产生薄的结晶带，最终延伸成整个釉质的厚度[8]。图1中详细描绘了齿冠形成过程中成釉细胞的分化模式[9，10]。首先，成釉细胞在即将形成的齿尖下方分化，并沉积成为第一个牙釉质增量。之后，沿着釉牙本质界（enamel-dentinaljunction，EDJ）向下延伸到极限，即内釉上皮与外釉上皮融合形成上皮根鞘。在釉质形成的分泌阶段，釉质矿物每天沉积（外加生长）。图上的点位4表示齿尖的成釉细胞分泌结束并过渡到成熟阶段（外加生长）；点位5表示的是结束分泌的成釉细胞重组，沿着釉质表面移动，并且即将过渡到成熟阶段。这时一个分泌型成釉细胞在齿颈处终止，齿冠形状确立。此后，整个齿冠釉质处于成熟阶段，包括残余的釉质蛋白清除，以及现有的釉质结晶并不断生长。

在齿冠的早期发育过程中，一旦在上皮—间充质的相互作用下确定了釉牙本质界（EDJ）的位置，那么附着牙釉质的齿冠形状就由五个生长参数决定，即：1）外加生长率；2）外加生长持续时间（齿尖）；3）成釉细胞扩展速率；4）成釉细胞扩展持续时间；5）外加终止的扩展速率[11]。这五个生长参数也是潜在的生物控制的要点（图1：A）。

由于成釉细胞的分泌会发生周期性的改变，导致牙釉质在发育的过程中留下了短周期和长周期的增量标记。短周期增量代表了每天的釉质分泌情况，表现为形成与釉柱长轴相垂直的细线，即釉柱横纹，测量相邻横纹之间的距离可以计算每天的釉质沉积率[12，13]。长周期增量表现为经过7～11天的沉积之后，形成比横纹更宽的线条，出现在牙釉质切面上称Retzius条纹，延伸到牙釉质表面又称釉面横纹[14，15]。在灵长类动物中，相邻Retzius条纹之间的距离从釉牙本质界（EDJ）到釉质表面不断增大，从齿间到齿颈不断减小[16，17]（图1：B，C）。

除了受成釉细胞分泌的周期性影响外，出生（新生儿线）和疾病（牙釉质缺损）也会干扰到人类牙釉质增量条纹的形成[18]。因生长周期不同而产生的增量标记，在牙本质中也同样存在，特别是牙本质和牙釉质的长周期增量条纹之间存在1：1的关系，所以说它们的形成受到了相同干扰因素的影响[19]。牙釉质和牙本质一旦发育就不再重塑，这些特殊的增量标记将永久保留，为揭示个体早期不同生命阶段融入的微量元素或同位素的动态变化提供了保障[20]。

牙釉质的矿化成熟发生在釉质基质分泌阶段之后，其特点是矿化的速率大幅提升[7]。相应地，在牙釉质矿化成熟期间，成釉细胞层的钙含量比分泌期间高4倍，而大约86%的钙是通过褶皱末梢的成釉细胞主动传输的[21]。与钙的传输方式不同，锶在成釉细胞层中的传输是被动的[22，23]。由于牙釉质矿化程度在整个齿冠上是不同的，通常来说，矿化程度高、密度大的牙釉质区域，在矿化成熟期钙和锶沉积的比例较大。相反，矿化程度低的牙釉质区域在釉质基质分泌期沉积了更大比例的钙和锶。因此，有学者推测，齿冠上牙釉质矿化程度高的部位，钙的富集率较高，而锶/钙（Sr/Ca）的比值较低[24]。也正因为人类牙齿从釉牙本质界（EDJ）到釉质表面的矿化程度不断增加，所以锶/钙（Sr/Ca）的比值在齿冠表面的牙釉质中最低，而在咬合面最深处最高[25，26]。

2人类牙釉质的主要化学组成

牙釉质作为一种具有晶体超微结构的复合材料，包含了大约95%的矿物质，以及4%的水和1%的有机物[27]。其矿物成分主要以羟基磷灰石或磷酸钙的形式形成。羟基磷灰石的化学式为：Ca10（PO4）6（OH）2，但由于牙釉质生物磷灰石中通常缺乏钙离子，为了维持平衡，部分磷酸钙离子被碳酸钙离子以2：1的形式取代，从而重新组合成了牙釉质羟基磷灰石的化学式：Ca4.5[（PO4）2.7（HPO4）0.2（CO3）0.3]（OH）0.5[28，29]。这其中又包含了两种适合于同位素分析的氧离子形式，分别是结构性碳酸盐（CO32–）和更丰富的磷酸盐（PO43–）[30]。CO32–和PO43–中的δ18O值（又称δ18OC和δ18OP）是同源的，其同位素组成与人体中的水体氧有直接关联，而人体中的水体氧又与恒定体温下摄入的水的组成有关[31，32]。对于大多数哺乳动物来说，体内摄入的水反映了当地的大气水[30]。因此，如果能科学地测试人和动物不同组织中的δ18O值，将有助于评估其在不同生命阶段定居与迁徙过程中伴随的气候环境变化[33]。

目前，学界尚未明确人类牙釉质中CO32–和PO43–之间的直接关系。Bryant和Froelich[34]通过对马牙釉质的CO32–和PO43–中的δ18O值进行联合测定，总结出了哺乳动物羟基磷灰石氧同位素的系统知识。Iacumin等[35]认为这两种离子之间的关系，可以作为评估牙釉质羟基磷灰中的CO32–离子和原始的δ18OC值受成岩作用影响程度的指示。Koch[36]和Dupras[37]等则提到，由于C-O较弱，因此CO32–离子更容易受到成岩作用的影响。相反，在牙釉质的羟基磷灰石中大部分的氧都与PO43–离子结合在一起，其P-O也更强，被认为更耐成岩作用[38]。但在实际操作过程中，牙釉质中CO32–离子却是一种精确、快速且廉价的氧同位素分析方法，并且在得到δ18OC值的同时产出δ13CC值，额外提供了个体生前的饮食信息。然而，PO43–离子的分析存在缺乏匹配的参考基质、研究方法偏差、研究流程复杂且耗时等缺点[39，40]，因此，目前已发表的关于人类牙釉质羟基磷灰石氧稳定同位素的研究成果，大多数都集中于CO32–离子的分析。

3人类牙釉质抵抗成岩作用的有效性

对牙齿和骨骼中的羟基磷灰石进行同位素研究是十分有必要的。首先，生物个体羟基磷灰石中的CO32–记录了大量食物（碳水化合物、脂质及蛋白质）的碳同位素组成，而胶原蛋白很大程度上仅受到食物中蛋白质的碳同位素组成的影响[41，42]。其次，一些学者已经证明，利用羟基磷灰石和胶原蛋白碳同位素数据的差异性可以评估杂食性动物的营养水平[43，44]。最后，由于锶的离子半径（0.113nm）和钙（0.099nm）接近，当锶通过食物进入生物体内后，会取代钙沉积在不同组织的羟基磷灰石中，并成为同位素追溯人和动物居住史的主要研究材料[45，46]。但生物体不同组织的羟基磷灰石在开展同位素研究之前，必须对其受成岩作用的影响程度进行评估。

自然界中，人和动物最容易保存的生物羟基磷灰石的组织有：骨骼、牙本质、牙釉质及鳞片等[47]。在长期的地下埋藏过程中，这些生物组织通常会遭受来自温度、水文、地球化学及微生物等因素的干扰，进而产生溶解、吸附、胶原蛋白流失及结晶度增加等物理和化学改变[48，49]。Nielsen-Mars和Hedges[50，51]提出了用胶原含量、组织的完整性、孔隙度及结晶度四个参数，来作为判断不同埋藏地点和不同埋藏环境下生物体不同组织的成岩模式。而这四个成岩参数之间具有相关性，参数越高表示成岩作用等级越高。

人类牙本质和骨骼富含的有机物大于20%，矿物晶体体积小（20nm×4nm）、孔隙大且结晶度差，在埋藏的过程中通常会经历广泛的再结晶并较难修复[52，53]。如果再结晶产物为碳酸盐羟基磷灰石，则可能将环境中的碳酸盐引入样品；而如果再结晶产物为氟磷灰石，则结构性碳酸盐的同位素组成可能不受影响[54]。因此，过去研究者提出用Ca/P值、X射线衍射、拉曼光谱和扫描电镜等方法来监测考古遗址中人类牙本质和骨骼的成岩污染程度[28，55]，并尝试采用物理打磨和稀乙酸反复清洗、浸泡来去除样品的成岩污染[56，57]。但尽管如此，目前尚未有被学术界公认的监测和去除成岩污染的方法，并且牙本质和骨骼的生物羟基磷灰石是否适合进行同位素研究仍存在争议[45，58]。

不同于骨骼和牙本质，人类牙釉质有着高密度的矿化组织，其矿物含量超过95%，生物羟基磷灰石的晶体结构更有序，相对晶体尺寸也更大（130nm×30nm），对成岩作用有很强的抵抗力，在长期的埋藏过程中保留了原始的同位素特征[59-61]。Kocn[62]认为人类牙釉质中氟离子也占有一定比重，即使受成岩作用的影响，再结晶的产物也多为氟磷灰石，不能对原始的同位素造成影响。Kohn和Cerling[63]总结了46项关于成岩作用的研究成果，结果发现不同时空范围内考古遗址中出土的人类骨骼和牙本质几乎从未完整保存过原始的同位素组成，而所有牙釉质样品中生物羟基磷灰石的CO32–和PO43–同位素组成也没有任何变化的证据，并且牙釉质中锶同位素（87Sr/86Sr）的保存状况也比其他组织好。因此，在生物考古学界牙釉质已成为羟基磷灰石同位素分析和研究的主要对象[64，65]。

4几个研究主题的进展与评述

目前，国际上针对人类牙釉质的同位素研究多是围绕最耐成岩作用的氧（δ18O）、碳（δ13C）及锶（87Sr/86Sr）展开，它们是牙釉质生物羟基磷灰石的主要或替代成分。随着质谱技术的飞速发展，锌（δ66Zn）、镁（δ26Mg）、钙（δ44/42Ca）及铅（Pb）等非传统同位素方法的应用也逐渐成为新的研究趋势。由于生物与环境之间固有的协同作用，使得人类牙釉质同位素研究的科学范围非常广泛。除了探讨古代人类生命早期的饮食结构、喂养策略、生业模式、生存环境及迁徙与融合之外，近年来人类牙釉质同位素研究还被应用于个体生理和病理状况的研究。本文将以往有关人类牙釉质同位素研究的诸多话题，升华并凝练为人类的生活史、居住史及健康史三大科学主题进行评述。

4.1人类生活史的复原

4.1.1传统稳定同位素方法的优势与挑战

早在20世纪80年代末，国际生物考古学界就已经认可了人类牙釉质进行稳定同位素研究的优越性[58]。近年来，随着牙釉质序列采样的碳、氧稳定同位素研究不断深化，针对个体或群体幼年生活史的复原也被提上日程[66-69]，但这项研究仍存在较多缺陷。研究结果显示，季节变化、母乳喂养、身体发育及食物烹饪等不同因素都会影响个体牙釉质δ18O值的变化[70，71]。尽管Robert等[72]在1988年的研究中就已经提出“母乳喂养的婴儿尿液中δ18O值明显高于配方奶粉喂养的婴儿；与饮用当地地表水的婴儿相比，母乳喂养的婴儿尿液中δ18O值约富集4.0‰～5.0‰”。然而，与气候、季节、纬度及海拔等自然因素相比，母乳喂养对人体δ18O值变化的影响是微不足道的，因为当这些自然环境发生变化时人体δ18O值的变化范围基本在10.0‰以上[73]。另一方面，碳稳定同位素分析虽然有效地提供了饮食信息，但也仅限于个体生前所摄取的植被类型，或依赖于任何中间消费者的组织所留下的独特碳同位素特征[74，75]，所以无法确定食物资源的确切信息。此外，牙釉质的δ13C值实际上仅能识别婴儿出生后大约6个月之前的纯母乳喂养阶段，而短暂的纯母乳喂养期在具体研究过程中往往被之后更重要的断乳期所掩盖[76]。

由于干扰因素较多，截止到目前，生物考古学界应用牙釉质羟基磷灰石碳、氧稳定同位素来复原古代人类早期生活史的广泛性，远远不及牙本质胶原蛋白的碳、氮稳定同位素研究。然而，使用单一的地球化学方法来解读人类生活史，其研究范围往往十分有限。例如，尽管牙本质氮同位素分析是一种揭示个体生前营养状况的成熟方法，但氮同位素仅局限于区分个体的蛋白质消耗量，同样无法确定蛋白质来源[77]。此外，作为提取碳、氮稳定同位素的胶原蛋白在生物遗骸埋葬后会迅速降解，在年代超过50ka的样本中很少会有存留，尤其在湿热的气候环境下更难保存[78，79]。因此，牙釉质非传统稳定同位素分析的展开，对于揭示古代人类生活史进行了实质性的改进。

4.1.2非传统稳定同位素方法的潜力与缺陷

在复原人类生活史的过程中，当无法提取胶原蛋白以分析氮同位素时，锌、镁及钙等非传统稳定同位素方法也可以从人和动物能有效抵抗成岩作用的牙釉质中获取营养级信息[78，80]：

1）牙釉质锌稳定同位素分析结果是区分肉食动物和草食动物的重要指标。锌稳定同位素最初的研究对象主要来自于哺乳动物的组织，直到2011年才被应用于对人类血液、骨骼及牙齿的研究上[81]。迄今为止，牙釉质已成为锌稳定同位素研究的主要材料，尽管研究案例有限，但已经凸显出了重建个体生活史的巨大潜力。牙釉质的锌同位素组成受食物来源的影响最大，并且陆生营养链的δ66Zn值与δ15N值的变化趋势相反，较高的营养级与较低的δ66Zn值相关[82-85]。肉食动物牙釉质羟基磷灰石中通常缺乏较重的锌同位素，其表现的δ66Zn值也比同一地点食物网中的食草动物低约0.4‰～0.5‰[80]。

2）牙釉质钙稳定同位素分析法可以有效识别食物中的蛋白质来源。钙稳定同位素作为一种强有力的食物链示踪剂。Tacail等对现代人类牙釉质钙稳定同位素分析后认为，长期母乳喂养的幼儿体内的δ44/42Ca值，通常比短期母乳喂养/商业奶粉喂养的幼儿值更低[86]。另一方面，相较于肉类而言，钙同位素在乳制品中的含量较高，而相较于植物和水等其他食物来源，钙同位素在乳制品中的含量则异常低[77]。作为钙的主要储存库，牙釉质的钙稳定同位素分析还为追溯个体对于乳制品的消费模式提供了一种方法，以补充传统氮稳定同位素无法区分蛋白质来源的缺陷，以及陶器中残留物分析对于古代乳业发展状况的评估[87]。

3）牙釉质镁稳定同位素分析法可以有效解读生态相互作用。在牙釉质羟基磷灰石中，镁是仅次于钙的第二大金属元素，与其他非传统稳定同位素相仿，牙釉质的镁稳定同位素分析也可以重建古代人类的食物网，并为了解生态相互作用提供了机会[88]。研究结果表明，人和动物组织中的镁稳定同位素分馏主要取决于生理代谢，但摄入的食物类型也可能会造成营养级之间的重叠。由于从草食动物到肉食动物体内的δ26Mg值整体呈上升趋势。因此，当无法进行胶原蛋白的氮同位素分析时，牙釉质的镁稳定同位素研究也可以有效揭示个体的营养级信息，并且还可以探索早期人类活动的深时生态系统。

牙釉质非传统稳定同位素分析，为解决复杂的生物分馏机制提供了新的代用指标，特别是在标本取样有限和保存状况不佳的前提下能够精确地重建个体生活史。而该项研究之所以能在短时间内实现飞速发展，离不开多接收电感耦合等离子体质谱法（MC-ICP-MS）的支持[74，89，90]。相较于传统的牙釉质碳、氧稳定同位素分析，MC-ICP-MS技术在非传统稳定同位素分析过程中的应用不但节省了样本量，而且对于同位素比值的测试精度也提高了一个数量级以上[79，91，92]。尽管如此，牙釉质的非传统稳定同位素研究，仍有许多亟待完善之处。如，生理代谢与体内非传统稳定同位素分馏机制的关系尚未得到充分探索，这很大程度上限制了对个体体内同位素数据变化的理解和解释。对牙釉质高精度的序列取样进行非传统稳定同位素分析可以科学地监测个体生命早期生活史的动态变化，但该取样方法所依赖的具有耗材少、灵活性大等优势的手工钻孔或激光熔蚀微钻孔技术却明显缺乏推广。

4.2人类居住史的追踪

4.2.1氧稳定同位素方法的广泛性与复杂性

相较于复原生活史，氧同位素研究对于追踪人类居住环境和迁徙路径等居住史的相关内容具有更大潜力。人类牙釉质生物磷灰石是人类牙齿的无机成分，并能在37°C的恒温环境下与人体水保持同位素平衡状态。人体水中氧的主要输入来源是饮用水、食物水及大气中的氧，人体水主要反映了饮用水中氧的同位素组成[93]。而地下水或地表水的氧同位素组成与当地的降水模式有关，而当地的降水模式随着纬度、湿度、海拔及海陆位置等自然因素的变化而变化，正是这些变化促使δ18O值成为追踪人类居住史的相关地理标志[94-96]。通过使用线性回归的方式将牙釉质羟基磷灰石中测定的δ18OC或δ18OP值转换为相应的δ18OW值，并将其置于不同区域饮用水的δ18OW值空间分布图（同位素景观/isoscapes）中进行比较，从而追踪个体不同生命阶段的居住史状况[97-100]。

从20世纪80年代起，有学者已经试图通过研究人体组织生物羟基磷灰石与饮用水之间的线性关系来了解人类的居住环境，这也成为了氧稳定同位素追踪人类居住史的基础[101，102]。然而，由于不同的水/牙釉质转换方程的斜率和截距存在明显差异，进而可能会导致转换后的饮用水δ18OW值也出现偏移。因此，一直以来依赖于全球降水同位素网络形成的不同水/牙釉质转换方程被广泛提出[103，104]。20世纪初开始，以Bowend等[105，106]为代表的学者试图构建高分辨率的全球大气降水δ18OW值空间分布图（同位素景观/isoscapes），时至今日人们已经对中国[107]、美国[108]、墨西哥[109]、法国[110]、南非[99]及韩国[111]等广大地区自来水的δ18OW值空间变化有了更多的了解。在此基础上，牙釉质生物羟基磷灰石的氧稳定同位素研究，除了被生物考古学界广泛应用于全新世和更新世人群的居住史追踪之外，还经常被现代法医人类学用来考察身分不明遗骸的出生地、居住地及活动轨迹等信息。

除了自然因素对人类饮用水的同位素组成产生影响之外，人体的生理和新陈代谢因素，如体型差异、锻炼强度、营养压力和疾病都被证明会影响组织—饮食同位素分馏[112，113]。如果人体组织的氧同位素组成受到干扰，那么对于其居住模式的分析和解释便会复杂。Brettel等[114]研究还发现，喂养模式、饮食习惯及烹饪方法也会影响人体水的δ18OW值，进而影响其钙化组织中的δ18O值。如酿造、炖煮及腌制都会造成水体的蒸发分馏，从而导致δ18OW值富集，至于富集程度则因具体的烹饪技术、时间及温度而异[114]。因此，当我们通过牙釉质生物羟基磷灰石的氧同位素研究来追踪人类居住史的时候，必须考虑到以上多种影响因素。

4.2.2锶同位素方法的高效性与局限性

锶同位素方法追踪人类居住史，其灵感主要来自于环境地球化学中的物源研究[115]。自然界中土壤、地下水及植物中富含了大量生物可利用的锶（BioavailableSr），以食物和饮用水为媒介进入人和动物体内，所以确定某地生物可利用的锶组成是推断人类居住史的前提。由于锶的原子量较大，在食物链的迁移过程中同位素分馏很小，往往被忽略不计[116]。此外，古代人类牙釉质和骨骼的87Sr/86Sr比值基本都会受到基岩的控制[117]，但事实上并非所有地区生物可利用的锶都完全来自于基岩。因此，利用锶同位素方法追踪人类居住史，必须要认真考察当地基岩、土壤、水和植物等地质环境的锶同位素组成特征[45，46，118]。

在21世纪初，牙釉质中生物可利用的锶到成岩作用的锶较低的重置率就已经被相关学者认可[119]，但直到近十多年来，牙釉质才成为锶同位素方法追踪古代人类居住史的主要研究材料[120-122]，目前锶、氧同位素联合使用的方法也逐渐被提上日程。特别是随着区域性生物锶同位素比值分布图陆续建立，为示踪人类来源地和迁徙路线提供了基础，但利用人体不同组织的锶同位素分析来追踪人类居住史，却面临诸如较难辨别个体来源地等学术难题[45，123]。这也体现了单一同位素追踪人类居住史的固有局限性，而多同位素分析方法则具有解决这些问题的可能。如牙釉质铅同位素分析因其空间变异性大以及有据可查的地质和地理限制因素，在一定程度上可以提高个体来源地评估的准确性。

4.2.3铅同位素方法的先进性与独特性

虽然铅和锶都来自于地质源，但它们没有直接联系，分别反映了生物圈的不同方面，通常认为锶同位素与岩石的岩性密切相关，而铅同位素则与地质构造体系相关[124]。在生物考古学分析中通常测试四种不同丰度的铅同位素，其中206Pb、207Pb和208Pb是放射性同位素，而204Pb则是原始同位素[125]。在考古学研究中，铅同位素方法可用来揭示自然和人为铅暴露情况下人群的地理迁徙，特别是与锶等其他同位素研究相结合时将具有更大潜力。但直到2000年Montgomery等[126]才首次将其应用于人类牙釉质研究。从牙釉质的相关分析结果来看，生物圈中产生的铅主要通过母体的血液或乳汁进入胎儿或婴幼儿体内[123]。而在断乳之后，个体体内的铅都是通过吸入灰尘、摄取饮食及皮肤接触等途径融入。与成人体内铅保存比率5%～15%相比，婴幼儿的胃肠道尚未完全发育，他们体内最终保存铅的比例将更高，可达到40%[125]。此外，当个体在空腹或饮水后的状态下，饮食中的铅将会被更有效地吸收（婴幼儿吸收率为100%，成人为35%～60%），而如果同时摄入高浓度的钙、铁和镁时则会抑制铅的吸收[127]。尽管铅进入人体后，在软组织中将很快被清除，但却能牢固地保存在骨骼和牙齿中，为监测个体长期接触该种同位素提供了条件，并可模拟铅污染源在其不同生命阶段居住史中的变化[128]。

近20年来，应用牙釉质铅同位素分析来追踪不同时空范围内人群的流动与来源等居住史问题已经逐渐普遍。然而，针对个体牙釉质中铅源的解释，相关学者往往只关注自然环境中暴露的铅，而忽视了与人类关系密切的含铅物质产品。这些人为接触到的含铅物质产品可能存在采购、进口及当地生产等多种来源方式，也可能是人群中主流或唯一的铅来源[129，130]。在无法绘制所有潜在铅来源地图的情况下，就需要充分关注考古学材料和历史文献提供的信息。此外，仪器分析技术的进步，尤其是激光剥蚀多接收电感耦合等离子体质谱法（LA-MC-ICP-MS）的应用，无需提炼样品就能获取高空间分辨率的同位素数据，既有效解决了牙釉质锶同位素比值的混合效应，也是获取个体产前和生命早期体内铅强度动态变化的有力工具。特别是对于铅含量极低的齿冠牙釉质来说，这种分析技术可以更精确地评估牙釉质铅含量与居住环境、饮食特征及生活方式之间的关联，从而追踪个体生命早期不同阶段铅来源的途径[131]。需要注意的是，锶含量较低的牙釉质样本，其LA-MC-ICP-MS测试的准确度较低，可能满足不了牙釉质高精度序列取样的理想锶同位素研究结果[132-134]。

4.3人类健康史的探索

以上提到的牙釉质同位素研究主题，绝大部分是基于生物组织与其饮食之间的对应关系，即“我即我食”（Youarewhatyoueat）[135]。但实际上，饮食和营养虽然相关，却并不是紧密相连的，对饮食的理解并不一定就是对营养或健康的理解[136]。人类任何的消化代谢异常都有可能会影响到体内的同位素分馏，基于此，Fuller等在2004年提出了“我非我食”（Youarenotwhatyoueat）的概念[137]。这意味着在分析稳定同位素自然丰度方面的创新已经从重建人类群体的饮食结构拓展到生理健康、疾病过程及营养状态等相关主题。

牙釉质的主要化学成分，决定了其对人类健康史的探索主要是依靠氧、铅及钙等同位素分析来实现。近年来已经开展的系列工作，为了解人类过去和现在的健康状况提供了同位素生物化学的解释。Luz等最早发现糖尿病患者体内的δ18O值与饮用水中δ18OW值呈正相关[32]。Kuo等也提出，个体尿液的稳定同位素分析对于指证肾脏疾病具有潜在作用[138]。Reitsema和Crews经过实验比较，认为患有镰状细胞贫血的个体δ18O值明显低于健康人群[112]。Li等曾经采用激光熔蚀微钻孔技术对个体牙釉质进行了高精度的序列取样，研究结果表明女性第三臼齿中的钙稳定同位素数据负偏移，可能与体内的月经初潮、雌激素水平变化和骨质增生等生理变化有关[86，139]。镁稳定同位素分馏与人体的新陈代谢过程密切相关，而作为人体的生物必须元素，镁的缺乏会导致严重的营养不良和新陈代谢紊乱[140]。当人体因吸入大量铅而导致铅中毒时，会出现胃肠道疾病（便秘、恶心及食欲不振）、不孕症和神经系统的并发症（嗜睡、抽搐和虚弱）等临床疾病，对体内铅同位素分馏产生较大影响[123]。此外，Reitsema和Richards等都曾在相关文章综述中讨论了怀孕期间的生理变化和新陈代谢、营养压力（包括饮食失调）以及其他特定疾病（如骨质疏松症、糖尿病及肝病等），对人体同位素自然丰度的影响[136，141]。

迄今为止，人类牙釉质、牙本质、毛发、指甲、尿液、血液及粪便中的同位素数据作为相对非侵入性的自然示踪剂，为了解古代人类的营养和疾病过程发挥了重要作用。需要指出的是，由于“我非我食”这一原理是建立在生物体同位素与健康状况之间相关性的基础之上，隐藏在其中的响应机制仍需深入探索[142]。因此，为了帮助突破稳定同位素在考古学研究中应用的上限，更高效地监测其对人体生理学历时性变化的敏感度，未来采用诸如牙釉质高精度序列取样这样极具创造性和创新性的取样方法是非常有必要的。

5总结与展望

自20世纪90年代，“骨学悖论”（Theosteologicalparadox）提出以后，生物考古学实践对于古代人类生物和文化属性的诠释就开始面临诸多挑战，研究方法和理念也亟需不断更新。在这样的学术背景下，对于同位素与人体不同组织之间协同作用的深入探索，也成了无法规避的课题之一。牙釉质的多同位素研究在国际生物考古学界已有三十余年历史，尽管在研究的过程中存在诸多难点和局限性，但不可否认的是，相对于人体其他组织的同位素研究，牙釉质的多同位素研究却具有独特优势，在未来仍是重建古代人类生活史、居住史及健康史的重要和常规方法。

中国生物考古学界有关牙釉质的同位素研究起步较晚，目前与国际上还存在一定差距，但中国的研究材料非常丰富，也有许多重大考古学问题的解决需要其助力。因此，在新时代中国特色考古学理论体系建设的大背景下，快速发展牙釉质的多同位素研究也是现实需求。结合国际上已有的研究现状，中国在发展该项研究的过程中应认真考量四方面内容：

第一，持续并深入探索牙釉质与其他人体组织相结合的多同位素分析。由于人体不同组织的生长周期和新陈代谢差异性，多组织联合的同位素分析（如以牙本质和牙釉质的高精度序列取样、听骨、肢骨及肋骨等人体组织为关联式地研究材料），将有可能揭示个体从胎儿期至死亡前夕不同生命阶段对应的生活史、居住史及健康史的动态变化。多同位素分析，特别是非传统同位素方法的引入和应用，不但大大提高了研究的准确度和精确度，还有效地弥补了牙釉质羟基磷灰石传统同位素分析的缺陷和不足。

第二，推广科学且先进的牙釉质取样和分析策略。牙釉质坚硬的结构和较少的分量，增加了同位素研究的取样难度，目前国际上该项研究多数还停留在整个齿冠取样或粗糙序列取样的方式。随着质谱技术的不断提升，对牙釉质进行高精度序列取样的同位素分析将成为未来不可逆转的趋势，积极推广具有耗材少、灵活性大等优势的手工钻孔或激光熔蚀微钻孔技术便成了开展这项研究的先决条件。此外，应选择合理的质谱分析技术，如正确辨别TIMS、MC-ICP-MS及LA-MC-ICP-MS等方法的优缺点，并在具体研究中作出正确的选择。

第三，充分发挥牙釉质羟基磷灰石的天然优势，深入监测生理代谢对人体同位素丰度的影响，加强对古代人类健康史的探索。迄今为止，虽然相关学者已经讨论了生理健康、疾病过程及营养状态对于人体同位素自然丰度的影响，但由于生物体同位素变化因素十分复杂，因此，隐藏在其中的响应机制仍需深入探索。这就要求未来应充分利用牙釉质高精度序列取样的同位素分析优势，通过大量的基础案例研究，进一步调查生态系统中同位素的生物分馏机制，特别是针对非传统同位素分析，以便合理的理解和解释人体同位素丰度的变化。

第四，拓展研究的时空范围。多同位素分析不仅拓展了研究话题，也为标本取样有限和保存状况不佳的情况下，揭示个体生活史、居住史及健康史创造了条件。因此，在研究材料的选择方面，应结合考古学背景，关注不同时空框架下的个体样本，从而为理解文化传承、文明延续等问题提供新的证据。