哺乳动物化石牙釉质中氨基酸的深时保存

隐藏在牙齿中的古代线索

动物死亡后，大多数软组织会消失，抹去它们生活和摄食方式的直接化学痕迹。但动物的牙齿，尤其是坚硬的外层牙釉质，能够存留数千万年。本研究探讨了蛋白质的微小组成单元——氨基酸——是否能在这种牙釉质内在深时保存下来，以及这对在 DNA 已衰变后重建古代生态系统意味着什么。

作为时间胶囊的最坚硬组织

牙釉质是哺乳动物体内最坚硬的组织。它几乎完全由紧密堆积的矿物晶体构成，只有大约一百分之几的有机物质，主要是蛋白质或其降解产物。在釉质形成过程中，部分有机物被包封进矿物晶体内部，而不是留在晶体之间的微小间隙里。那些被困住的分子实际上与水、微生物及其他降解因子隔绝，将釉质变成一个微型保险库，可能比像骨骼或牙本质这类多孔组织更能保护有机痕迹，持续数百万年。

跨越数百万年的牙齿检测

研究者分析了来自大型草食性哺乳动物的72枚化石牙齿和12枚现代牙齿的釉质——包括马及其亲缘（Equidae）、犀科（Rhinocerotidae）以及象及其近缘（Proboscidea）。这些化石来自中欧多种埋藏环境，从河流和湖泊沉积到泥炭沼泽、煤层和喀斯特裂隙，年代跨度约从四万年到四千八百万年。对每个标本，研究团队测量了十一种氨基酸的总量和相对组成，既包括游离氨基酸也包括仍以蛋白片段形式存在的结合态氨基酸。

快速的早期流失，随后长期稳定

团队发现氨基酸随时间变化呈现出明确模式。与现代牙齿相比，化石釉质在成化石过程的早期就会失去大量氨基酸——大约在最初十万年内。在此期间，总氨基酸含量可下降一半以上，有时超过九成。然在这一快速早期下降之后，剩余的氨基酸趋于稳定并能意外地长期保存，即便在始新世（约四千八百万年前）的牙齿中也见到。这表明暴露较多的有机部分先被去除，而被更好保护的那一部分则牢固地封存在釉质晶体内部。

年龄比埋藏条件更重要

由于化石来自多种沉积类型，作者得以评估埋藏环境或动物类型是否显著影响氨基酸的存留。总体而言，年龄被证明比成埋环境更为重要：较老的样本一贯比年轻样本含有更少氨基酸，几乎不受埋藏地点的影响。不同氨基酸的相对比例在现代与化石釉质间也相当相似，除去少数特别不稳定的类型后尤为如此。高级统计模型显示，某些氨基酸（如苯丙氨酸、酪氨酸、精氨酸和异亮氨酸）的变化与地质年龄具有良好的相关性，足以充当潜在的化学时钟，而其他氨基酸对年龄预测贡献较小。

不同牙齿的细微差异

尽管总体模式一致，三类哺乳动物之间并不完全相同。现代象的近缘在氨基酸含量上表现出比马和犀更多的变异性，这可能反映了它们更复杂的齿结构和釉质形成过程。化石马牙，尤其是来自德国著名的梅塞尔（Messel）遗址的标本，常表现出接近现代马的氨基酸水平，暗示其釉质结构与埋藏条件的组合尤为有利。即便如此，研究并未发现进化关系对釉质基本氨基酸组成有重大影响：不同大型哺乳动物在成岩作用之前，起始组成大体相似。

这些微小分子能告诉我们的事

对非专业读者而言，关键信息是：哺乳动物的牙釉质能作为一种稳健的天然保险库，保存氨基酸至少四千八百万年。脆弱的物质大多在早期流失，但封存在矿物晶体内的那一部分可以经受极长的时间。这为利用釉质不仅研究古代蛋白本身，也测量单个氨基酸的同位素特征打开了大门，从而在 DNA 消失后揭示饮食、食物链和生态变化。在实践上，该方法只需毫克级的釉质，使其成为在进行更有针对性的蛋白或同位素分析前筛查珍贵化石的温和手段，把化石牙齿变成记录古代生命与环境的强大工具。

引用: Gatti, L., Lugli, F., Rubach, F. et al. Deep-time preservation of amino acids in mammalian fossil tooth enamel. Commun Biol 9, 381 (2026). https://doi.org/10.1038/s42003-026-09716-6

关键词: 牙釉质, 氨基酸, 化石保存, 古蛋白组学, 古生态学