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古老的骨头和现代的研究方法共同构成了更好的科学

骨骼是长期研究人类所必需的材料。更准确地说,化石的放射性碳定年以及对古代饮食和老年人蛋白质组成的研究都需要胶原蛋白或纤维组织,这些胶原蛋白或纤维组织为这些骨骼奠定了基础。

古老的骨头和现代的研究方法共同构成了更好的科学

已经使用了许多方法来评估骨骼标本中的胶原蛋白含量,这确定了其在此类研究中的有用性。但是,它们倾向于破坏所使用的样品。现在,一项新的研究表明,近红外(NIR)光谱作为此应用的便携式,无损且快速的工具,具有很高的价值。

问题

过去许多重要事件的发生是通过在人体和其他骨骼上使用放射性碳和其他测年方法确定的。分子指纹或骨胶原中不同同位素的类型和相对浓度的确定有助于确定当时的饮食,包括各种粮食作物的出现和动物性食物的消费地点。从这些骨骼确定的蛋白质谱也显示了古代人类与现代人类之间的差异。因此,科学家已经能够从骨骼胶原蛋白中发现许多重要的过去。

像所有“软组织”一样,胶原蛋白会随着时间而变质。而且,古代骨头中胶原蛋白的保存程度因地点而异,甚至在同一地点的不同地点和土壤深度也不同。因此,考古学家可能会花费大量的时间和精力,更不用说珍贵的资金,准备样品进行分析,只是发现其中没有足够的胶原蛋白。在防御方面,科学家们已经设计出了一些方法,可以通过检查其氮含量,微孔率或通过FTIR光谱学发现来首先测试其保存程度。但是,在许多情况下,这些操作无法在本地完成,并且可能导致骨骼样品的破坏。

解决方案

相反,与其他方法相比,NIR光谱在几秒钟内即可得出结果,与微米相比,可以穿透骨骼达到更大的毫米深度,可以按比例缩小以实现便携性,并保持骨骼完好无损。有效渗透的深度尤其重要,因为沉积后通常会覆盖许多骨表面。

技术

为了测试这种骨筛查技术的有效性,科学家在仍在其保护性玻璃小瓶内的50个磨碎的骨标本上使用了它。根据胶原蛋白的百分比对它们进行分类,并根据其奇数和偶数将其分别分为两组(校准和验证)。使用基于校准集中的25个样品的模型,估算验证集中的样品中胶原蛋白的百分比。

该技术在49个全骨样品上重复进行。然后将这些与地面骨骼扫描相结合,以产生两组结合的地面骨骼和整个骨骼。这被用来产生一个模型,该模型有望覆盖从完整到完全退化的所有可能的骨骼样品。所有样本都应该具有45,000年的历史。他们使用49个样本集对模型进行了校准,并在验证集中的48个样本上对其进行了测试。

数据用于将样品分类为样品(分别高于3%或1%胶原蛋白)和不样品组(分别低于3%或1%胶原蛋白)。然后使用常规方法从样品中提取胶原蛋白。

基于25个样品的校准集的模型在21个样品验证集上表现良好,对于3%以上的胶原蛋白而言,其准确性为100%。在第二轮中,它能够正确地分类胶原蛋白含量超过3%的30/32标本,以及胶原蛋白含量低于3%的16个标本中的88%。

最重要的发现是,100%的胶原蛋白含量超过3%的标本中至少含有1%的胶原蛋白,足以用于放射性碳和古代骨骼的饮食分析。这可能不足以确定样本是否真的保存完好。但是,在回答是否应该对任何给定样本进行采样这一问题上应该很有用–是否有足够的成功机会来弥补这一风险?

近红外光谱的优势

NIR光谱仪可用于查看世界各地考古样本中胶原蛋白的保存状态,推测年龄可达45000年。其他初步的筛选工具,例如氮气百分比,FTIR和拉曼光谱,也能够在将骨骼分离成胶原蛋白含量高于或少于1%的骨骼中获得70%以上的成功率。但是,在需要保存标本,要处理大量标本以及标本表面被严重污染,需要更深的穿透深度的情况下,近红外光谱将是最有用的。可携带性是其实用性的另一个重要方面-整个设备可放入带有手持式探头的公文包大小的袋子中。

在一个挖掘地点,可能有成千上万的骨头碎片可能对分析有用。即使整个骨骼中保存完好的胶原蛋白少于1%,也会发现一些胶原蛋白比例更高的标本,并且可以通过在几天内扫描成百上千个标本来识别这些相对稀有的标本。

该技术还允许标本的某些区域突出显示以进行进一步分析。在所有发现物保存得不好的地方,这一点至关重要。这也可以帮助比较两个站点之间的标本质量在保存和沉积后伪像方面的差异。

最后,近红外光谱法可以帮助揭示在进行进一步分析之前样品中存在哪些污染物,从而避免了繁琐的鉴定和消除人工数据影响的繁琐工作。最终,该技术也可能适用于筛选骨骼中的DNA,这是一个更为珍贵的发现。

第一次成功

该技术已经在捷克站点进行了试运行,其中存在已知的最古老的艺术遗迹。研究人员只有6瓶取自人类墓地的样品,但是当通过NIR光谱分析这些样品时,他们可以确定需要使用破坏性分析方法的样品量,而不用冒全部丢失的风险。

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