人类乳牙切牙中微量元素分布与成釉成熟过程的时空特征及其考古学意义

本研究针对考古牙齿样本中微量元素信号易受成岩作用干扰的难题，通过同步辐射微区X射线荧光(SR μ-XRF)技术，系统分析了现代与考古乳切牙中Ca、P、Zn等元素的梯度分布特征。研究发现Zn在新生儿线(NNL)处的富集模式与釉质成熟阶段显著相关，而Fe、Mn等元素易受埋藏环境影响，为古人类饮食重建和发育生物学研究提供了关键方法学依据。

　　

牙齿作为生物矿化的时间胶囊，记录着个体生长发育的关键信息。然而考古牙齿中的微量元素信号常因埋藏环境的成岩作用(Diagenesis)而发生改变，使得研究者难以区分哪些是真实的生物源性信号，哪些是后期污染。更复杂的是，釉质自身的成熟过程也会影响微量元素的分布模式——分泌期(Secretory stage)形成的釉质与成熟期(Maturation stage)形成的釉质在元素组成上存在显著差异。这些科学难题严重制约着通过古人类牙齿微量元素分析来重建饮食、环境和早期发育过程的可靠性。

为解决这一难题，由西班牙格拉纳达大学领衔的国际研究团队在《Journal of Archaeological Science》发表重要成果。研究人员创新性地采用同步辐射微区X射线荧光(SR μ-XRF)技术，以1微米的空间分辨率对15颗现代和考古乳切牙（6颗现代、9颗考古样本）进行元素图谱分析，重点检测了Ca、P以及Zn、Fe、Mn、Cu、Ba等关键微量元素的分布特征。样本涵盖20世纪现代个体、中世纪（5-8世纪）和伊比利亚铁器时代（公元前4-3世纪）三个时期，通过对比分析揭示了微量元素在釉质发育过程中的动态变化规律及其考古学应用价值。

关键技术方法包括：1）样本制备采用标准组织学方法制作薄切片；2）在ESRF的ID21光束线进行SR μ-XRF分析，空间分辨率达0.5×0.9微米；3）元素定量使用PyMCA软件；4）通过测量釉质棱柱长度与日分泌速率(DSR)计算冠形成时间；5）统计学分析使用R语言完成。

研究结果部分，在"钙、磷和锌分布"小节发现：现代样本中Zn在釉质外层(OES)富集，向NNL逐渐降低，但在NNL处出现轻微峰值（增加20-41 ppm）。考古样本中未完成釉质分泌的牙齿（存活<33-37天）OES无Zn富集，而存活1年的个体则显示从EDJ向OES的Zn扩散梯度，证实Zn的OES富集发生在成熟期。

"铁元素分布"小节显示：考古样本Fe浓度高达现代样本的10倍（峰值16,948 ppm），且与钙减少区域重合，表明成岩作用优先发生在低矿化区域。"锰和铜分布"小节指出：现代样本中Mn产后下降（反映胎儿期高需求），而考古样本因成岩作用呈现不规则峰值；Cu在产后轻微增加（3 ppm），可能与分娩时母体铜代谢变化相关。

"钡元素分布"小节发现：Ba在NNL处下降385 ppm，与胎盘对Ba的屏障作用一致，但部分考古样本显示产后增加，反映哺乳期摄入差异。"新生儿线特征"小节揭示：NNL处存在显著低钙（降27,556 ppm）和低磷（降16,585 ppm），而Zn峰值与低钙区域存在时间差，可能对应新生儿低钙血症的延迟效应。

研究结论部分强调三个关键发现：首先，Zn的时空分布是釉质成熟的动态标志物——在分泌期（<37天）表现为NNL处局部富集，在成熟期（>1年）形成从EDJ到OES的梯度分布。其次，Ca、P和Zn在考古样本中保持稳定，而Fe、Mn、Cu和Ba易受成岩作用影响，其中Fe在低矿化区域的侵入尤为显著。最后，埋葬方式影响元素保存状态，石棺埋葬样本（SPUF68）的元素分布与现代样本最为接近。

这项研究为考古牙齿微量元素分析建立了重要标准：一方面证实Zn信号可追溯至生物源性事件（如NNL形成），另一方面警示Fe/Mn等元素可能主要反映埋藏环境而非生理过程。方法论上，通过关联微量元素分布与釉质组织学发育阶段，为区分生物信号与成岩改变提供了新范式，对古人类学、发育生物学和法医考古学都具有重要参考价值。特别值得注意的是，研究首次揭示了乳切牙釉质成熟过程中Zn的时空动态变化规律，这为今后建立更精确的牙齿发育生物学时间标尺奠定了坚实基础。