综述：考古沉积物中脂质生物标志物分析的现状

本文综述了考古沉积物中脂质生物标志物分析的进展，涵盖方法、应用及挑战等方面。

　　

引言

脂质是一类疏水性有机分子化合物，在生物体的能量代谢、结构完整性和生理过程中发挥着至关重要的作用。脂质生物标志物是具有特定化学结构的脂质化合物，可用于追溯特定的代谢途径或生物类别。

脂质生物标志物分析在考古学领域的应用始于 20 世纪中叶，随着仪器分析化学和色谱技术的发展，该技术在考古研究中得到了广泛应用。目前，脂质生物标志物分析主要集中在对考古遗物（如陶器、粪化石、骨骼等）中的脂质残留进行分析，但考古沉积物中也蕴含着丰富的脂质信息，对其进行分析有助于深入了解过去的气候、植被、人类饮食、技术和生存实践等。

考古沉积环境中的古环境生物标志物

植物类型、环境条件和气候波动

植物、真菌和细菌的沉积分子脂质残体及其氢、碳同位素被广泛用于研究古环境。烃类（如正构烷烃）及其同位素是古环境科学和有机地球化学的重要研究对象，不同植物类群的表皮蜡质中正构烷烃的组成存在显著差异，可用于推断古环境条件。例如，草本和裸子植物的叶蜡通常含有以 C₃₁和 C₃₃为主的长链正构烷烃，而木本植物的叶蜡则以 C₂₇和 C₂₉为主。

此外，其他脂质生物标志物如藿烷类、三萜类和支链甘油二烷基甘油四醚（brGDGTs）等也在古环境研究中发挥着重要作用。正构烷烃的氢同位素（δ²H）可作为温度和降水的指标，碳同位素（δ¹³C）则能反映植被类型和水资源状况。

近年来，多项研究通过分析考古沉积物中的脂质生物标志物，对特定考古背景下的古环境进行了解读。在塞尔维亚新石器时代的 “Obrovac” 型定居点研究中，发现了与洪泛平原相关的大型植物和可能来自草本植物的长链正构烷烃，表明当时的景观具有湿地和陆地植被的多样性。在南非的 Diepkloof 遗址，叶蜡正构烷烃链长和 δD 的变化与特定的石器工业相关，暗示了植被类型向更适应干旱环境的转变。

应用古环境研究于考古沉积环境的挑战

尽管考古沉积物中脂质生物标志物数据为研究人类与气候的相互作用提供了重要依据，但该研究领域仍面临诸多挑战。首先，考古序列的绝对年代往往存在数据不完整和误差较大的问题，难以精确确定古环境代用指标的时间序列，此时可借助其他古环境代用指标辅助解释。其次，考古沉积物中的有机质来源复杂，难以区分自然环境和人类活动的输入，例如特定植物生物标志物的存在可能反映周围植被，也可能是人类引入的植物。

此外，考古沉积层序通常存在不连续性，且受到沉积后过程（如侵蚀、生物扰动和化学变化）的影响，可能导致脂质生物标志物记录的改变。为应对这些挑战，可采用多指标研究方法，将脂质生物标志物数据与土壤微形态、木炭、花粉等其他环境代用指标相结合，同时结合附近湖泊沉积岩芯的连续古环境记录，以提高古环境重建的准确性。

沉积脂质：洞察过去人类行为的窗口

通过脂质生物标志物化合物和化合物特异性同位素比率探究植物和动物分类学

识别考古环境中植物和动物的分类组成对于重建过去的环境和解释人类社会经济生活的各个方面至关重要。脂质残留分析是该领域的重要研究方法之一，通过识别和量化特定的脂质化合物，以及分析它们之间的比率（如正构烷烃或脂肪酸的比率）或化合物特异性碳同位素比率，研究人员能够深入了解古代饮食和资源利用情况。

然而，由于考古沉积物的混合和时间平均性质，解释脂质生物标志物的存在需要结合微地层监测，以确定脂质残留的来源和判断其是自然还是人为输入。在加拿大努纳维克的因纽特人遗址研究中，通过分析不同壕沟中的沉积物脂肪酸，发现了与 19 世纪动物屠宰实践相关的脂肪酸富集现象，揭示了人类活动对当地土壤的影响。在研究尼安德特人行为时，分析其炉灶中的脂质生物标志物化合物，发现了三萜类化合物，表明当时使用松木作为燃料。

考古沉积物中的粪便生物标志物

粪便在考古沉积物中很常见，通过分析沉积粪便脂质生物标志物可确定其来源动物（食肉动物或食草动物）以及食草动物的饮食植物来源。常用的粪便生物标志物包括类固醇，通过分析不同固醇、5β - 甾烷醇（固醇的粪便衍生物）和胆汁酸之间的比率来推断粪便来源。例如，该方法已被广泛应用于考古粪化石样本的研究，为美洲最早人类定居等重大问题的讨论提供了重要依据。

粪便脂质生物标志物在非考古湖泊和陆地沉积中的保存已得到证实，在考古沉积物中也具有很高的保存潜力。在一些考古遗址的研究中，通过结合类固醇生物标志物、考古昆虫学和微形态学分析，揭示了遗址中房屋在不同时期的功能，如作为牛棚等。然而，目前关于固醇作为粪便生物标志物的可靠性存在争议，生物体的饮食对固醇谱有影响，且饮食组成在不同地区和季节存在差异，在考古背景下往往难以确定。因此，多指标研究方法在粪便生物标志物研究中尤为重要。

考古沉积物中的热解脂质生物标志物（“热解标志物”）

人类自更新世以来就开始控制和利用火，燃烧残留物中含有可用于脂质生物标志物分析的有机部分。某些生物标志物在低温变化下仍可识别，而高温燃烧则会形成热解脂质生物标志物。例如，针叶树燃烧会产生惹烯（一种多环芳烃）和脱氢松香酸，草类燃烧会导致正构烷烃脂质谱发生变化。

对考古沉积物中热解脂质生物标志物的研究有助于了解古代火技术和饮食。在实验研究中，通过分析不同燃料（如木材和骨头）燃烧后的沉积物，发现木材燃烧的沉积物中含有芳香族和酚类化合物，而骨头燃烧的沉积物中则产生一系列源自脂肪酸分解的热解脂质化合物。在实际考古研究中，对不同时期遗址的研究结合微环境信息，根据特定化合物及其 δ¹³C 值对燃料来源、烧焦土壤覆盖的植物来源和燃烧温度进行了解释。

多环芳烃（PAHs）是一类源于有机物燃烧的挥发性热解分子，在近期的地质考古研究中受到关注。不同来源的 PAHs 在沉积物中的分布不同，可用于推断燃烧源的距离或燃烧面积。在对亚美尼亚 Lusakert 1 遗址的研究中，发现低分子量 PAHs 与野火相关，高分子量 PAHs 则指示人类炉灶，表明当时人类不依赖野火。此外，还有一些潜在的火代用指标（如左旋葡聚糖等）有待进一步研究。

考古沉积物脂质分析的方法学方面

野外工作和样品采集

在野外采集考古沉积物样品时，需注意避免微生物和现代脂质的污染。采样前应清理挖掘剖面和表面，去除约 3cm 的沉积物，使用灭菌金属工具和腈纶手套采集样品，并将其置于铝箔、特氟龙或玻璃小瓶中，存储在 4°C 或更低温度下。所需沉积物体积因样品性质和目标分子而异，一般来说，含有超过 0.5% 总有机碳（TOC）的混合沉积物，5g 左右的样品通常足以进行脂质分析；而对于 TOC 含量较低的样品，可能需要更大体积，如在某些情况下，需要 20g 甚至更多。

脂质生物标志物研究中，关注 PAHs 时通常需要更大体积的沉积物（有时可达 150g）。为了更好地控制变量，建议将脂质分析与土壤微形态学相结合，近年来在直接对微形态样品进行脂质分析方面取得了有前景的成果。

实验室程序：从沉积物中提取脂质

脂质提取方法取决于目标化合物的极性和化学结构。一般先对样品进行干燥、称重和研磨，去除可见的有机颗粒。提取过程通常包括获取总脂质提取物（TLE）和从 TLE 中分离不同极性的生物标志物。常用的提取技术有索氏提取法、微波辅助提取（MAE）、加速溶剂提取（ASE）和超声辅助提取（UAE）等，不同的提取技术和溶剂选择会影响提取效率和化合物的回收率。

例如，甲醇常用于提取极性分子，二氯甲烷（DCM）适合提取饱和和不饱和烃。对于酯化化合物，需要进行皂化或酸水解。此外，柱色谱法是分离不同化合物家族的常用方法，不同的固定相（如氨基丙基、硅胶、氧化铝或银注入吸附剂）可根据需要选择。

衍生化、皂化和硅烷化

醇类、脂肪酸等极性化合物挥发性不足，不适合直接用气相色谱分析，需要进行衍生化处理，以增强其挥发性和分析性能。脂肪酸通常衍生化为更易挥发的反式酯化脂肪酸甲酯（FAMEs），常用的催化剂包括酸性催化剂（如 HCl、H₂SO₄、BF₃等）和碱性催化剂（如 NaOCH₃、KOH、NaOH、重氮甲烷等），不同催化剂具有不同的特点和应用限制。

在粪便脂质生物标志物分析中，由于沉积物中甾醇和甾烷醇通常是酯化的，需要先进行皂化，若后续不需要进行同位素比率质谱（IRMS）分析，则进行硅烷化，将醇转化为三甲基硅基（TMS）衍生物。常用的硅烷化试剂有 BSTFA、MSTFA、HMDS 等，常与催化剂（如 TMCS、TMIS、吡啶等）结合使用。但硅烷化产物会随时间降解，不适合用于化合物特异性同位素分析（CSIA），目前寻找具有已知同位素组成的硅烷化衍生剂仍是一个挑战。

脂质化合物检测、定量、校准和表征

大多数非极性和挥发性脂质化合物可用气相色谱检测，而极性脂质化合物（如 GDGTs、线性酮等）则需要液相色谱。在气相色谱 - 质谱（GC - MS）分析中，注射和测量参数因仪器和分析物而异，分离时间和毛细管柱的固定相需根据样品复杂程度和化合物极性进行选择。

检测和测量分析物通常依赖商业质谱（MS）和 IRMS，这些技术的灵敏度不断提高，但在考古沉积物分析中，由于样品量有限，仍面临挑战。在量化和校准方面，研究人员采用多种方法，如通过测定峰面积进行伪定量、使用内标物进行估算或绘制校准曲线等。近期研究还应用了基质匹配校准方法，以考虑沉积物基质对测量过程的影响，但该方法在不同土壤类型中的一致性仍存在差异。

在脂质生物标志物分析中，化合物的准确识别和合适内标的选择也非常重要。化合物识别通常依靠特征离子和与参考质谱的比较，最准确的方法是注入真实标准品，但由于生物标志物数量众多且成本较高，实际操作存在困难。理想的内标物应与目标分子结构和化学行为相似，且不存在于原始样品中，在分析过程中能与目标分子进行相同的衍生化反应，但目前同位素标准品的商业可用性有限。

展望与总结

考古沉积物中的脂质生物标志物是获取古环境和人类行为信息的宝贵来源。随着研究的不断深入，仍有几个方面需要进一步探索。首先，需要扩大参考数据，由于同位素分馏存在地理差异，需要更多来自不同地区和海拔的植物和动物的脂质分子和同位素数据，同时要考虑古代动物饮食与现代的差异，通过实验和民族考古学研究为考古脂质生物标志物数据提供支持。

其次，目前对于脂质降解的多种过程（有氧、成岩或热降解）导致的等效性问题认识不足，影响了古环境和人类行为的解释，因此需要开展关于脂质分子保存条件和降解机制的基础研究。最后，考古遗址形成过程的复杂性限制了沉积脂质生物标志物分析的准确性，需要结合其他分析方法（如古代 DNA、蛋白质组学、植硅体分析等），从微观环境角度进行综合研究。

脂质生物标志物分析与其他指标结合，并通过微观环境方法进行研究，有助于更详细地解读人类过去，填补考古有机记录的空白。目前，一些新的方法（如沉积脂质的直接放射性碳测年等）尚未在考古沉积物中得到充分测试，若能成功应用，将为生物考古学带来新的突破。同时，考古案例研究也为地球生物学家和地球化学家研究成岩过程提供了机会，跨学科的反馈将促进各学科在脂质生物标志物研究领域的共同发展。