考古中的高科技“神器”

杨益民

2020-11-26 10:53:47　来源：光明日报

　　识骨寻踪：从形态学到DNA序列

　　骨头（牙）包括人骨和兽骨，是考古遗址中出土较多的遗存之一。骨骼的形态分析、同位素、蛋白质和DNA分析可为人类演化、迁徙、生计模式、动物饲养和利用等提供丰富的信息。依据人类的头骨形状，体质人类学家利用三维技术复原了北京老山汉墓主人的容貌。动物考古学家通过骨头的形态学分析基本梳理了过去1万年我国家养动物的利用过程。例如，通过齿列长度或齿列扭曲等形态分析，发现距今1万年左右的河北南庄头遗址开始饲养家狗。

　　人骨的基因组和蛋白质分析为人类的起源、演化、迁徙提供了分子证据。例如，距今约4万年的北京田园洞人基因组分析表明，该个体属于晚期智人，但并非现代东亚人的直接祖先，与田园洞人遗传关系最接近的智人是美洲亚马孙人。

　　骨骼中含有胶原蛋白，是同位素分析的主要对象，其中碳氮稳定同位素分析可以重建先民或动物的长期饮食结构。碳同位素数据可以推算个体食性中C3和C4植物（如粟黍玉米等）的比例，在中国可以反映先民对粟作农业的依赖程度。氮同位素数据可以判断先民的营养级，从而反映先民在食物链中的地位及可能的肉食来源。个体牙齿序列的碳氮稳定同位素分析能反映食谱的年度变化，重建个体生活史，如断奶行为以及童年时期的食物变化。例如，成都平原新石器时代晚期（距今约4500年）高山古城先民的断奶时间大概在2.5-4岁之间。

　　考古发掘中往往出土大量种属形态特征不明显的碎骨或动物制品，如果都依赖DNA来鉴定种属，成本较高；蛋白质分析可以低成本快速鉴定种属。ZooMS（基于质谱的动物考古学）利用胶原蛋白酶解后肽段的质量数分布具有种属特异性，来判断样品的动物来源。丹尼索瓦人的碎骨就是从海量碎骨中筛选出来，再开展基因组分析和同位素分析的。

　　植物考古中的好帮手：显微镜和质谱

　　一万年前左右，农作物的栽培和驯化造就了人类历史上的“新石器时代农业革命”，塑造了全新的人类生产生活方式。研究古代的植物利用，可以从植物大遗存和植物微小遗存入手，前者是指那些用肉眼或低倍显微镜就能看见的植物遗存，比如木材、果实、种子、茎秆、炭屑等，往往通过基于水的浮选法从考古土样中提取；后者是指必须通过高倍显微镜才能看到的微体植物化石，包括孢粉、植硅体和淀粉粒等，往往通过重液提取法从土壤中提取。

　　科学家在距今一万年左右的北京东胡林遗址，用浮选法找到炭化黍粟颗粒，是考古发掘浮选出土的年代最早的粟和黍实物。河北磁山遗址窖穴植物灰化样品中发现了年代类似的黍植硅体。河北省徐水县南庄头遗址（早于距今11000年）和北京东胡林遗址出土的陶片或石器上，发现具有驯化性状的粟淀粉粒所占比例在持续增加。由此可见，华北旱作农业起源的时间应在1万年之前。

　　在稻作农业起源方面，距今约一万年的浙江浦江上山遗址，浮选出炭化稻米、地层中还有掺杂炭化稻壳的红烧土残块，以及陶片中掺入稻壳的现象，说明当时已经开始种植水稻。在浙江田螺山遗址，水稻小穗轴和稻叶扇形植硅体形态的变化，都反映经过约3000年的种植，驯化稻相比野生稻成为主流。

　　尽管小麦和大麦在距今5200年左右已传到新疆阿尔泰山地区通天洞遗址，但是外来的小麦和大麦在很长一段时间内并未成为东亚先民的主食。然而，距今3600年前后气候开始变冷，以大麦为主的麦作农业和养羊为主的牧业帮助了先民大规模向青藏高原定居，技术突破让先民有能力克服不利的自然环境。

　　施有机肥（粪）是提高作物产量最直接最有效的途径，古代补充土壤肥力，主要依靠动物性粪肥。施肥管理将作物栽培与家畜饲养紧密结合起来，促进了人类在不同环境下的适应和扩张。新石器时代中晚期陕西渭南白水河流域众多遗址出土粟、黍作物以及相关动物骨骼，其碳氮稳定同位素分析表明，该地区先民从距今约5500年就已经开始了长期、持续的施肥管理。

　　茶是中国最先利用的饮品之一。通过植钙体、咖啡因和茶氨酸分析，鉴定西藏阿里象雄时期距今约1800年的故如甲木寺遗址和西安距今约2100年的汉代阳陵出土腐烂炭化植物为茶叶，是目前为止发现的世界上最早的茶叶实物，为长距离的茶叶贸易提供了实证。大麻是五谷之一，但在西域有不同的使用方式。距今约2400年的吐鲁番盆地加伊墓地，若干整株大麻被作为“裹尸布”覆于死者身上；生物标记物分析表明，距今约2500年的帕米尔高原东部塔什库尔干地区，先民在葬礼中会在木质火坛中焚烧并吸食大麻。葡萄起源于西亚，在距今约2500年的吐鲁番洋海墓地，植物考古学家用木材解剖方法鉴定了中国最早的栽培葡萄藤，为葡萄东传的时空路线提供了线索。

　　多科学手段：提取分子化石

　　先民在加工、利用和消费生物资源的过程中，相关的有机物可能残存或沉积在各种遗存上。在长期埋藏过程中，虽然受到物理、化学和生物作用的影响，仍可能或多或少地保存下来。它们统称为有机残留物，依据裸眼的可观测性，可以划分为可见残留物（如液体、炭化物等）和不可见微量残留物（如陶片吸附的有机分子、牙结石中包裹的蛋白质等）。有机残留物的载体主要包括：动植物大遗存、处理动植物的各种工具和器物、可见的动植物制品和人体组织等，相关分析就是从载体中提取生物标记物、脂类物质或蛋白质等有机分子并加以鉴定，从而判断其生物来源。

　　利用红外光谱、脂质分析及单体脂肪酸稳定碳同位素分析方法分析甘肃省酒泉市西沟村魏晋墓M5出土铜甑釜（分体?）下半部分釜内的白色膏状残留物，结果表明其应为反刍动物油脂，推测是用铜甑蒸制牛肉或羊肉时渗流下来而形成。利用红外光谱、气质联用、扫描电镜和同步辐射显微CT等手段分析青海大通长宁遗址出土的齐家文化时期（距今约4000~3500年）双耳罐内的炭化残留物，鉴定其为桦树皮焦油，此罐可能是这种油的生产工具，是目前中国加工和使用桦树皮焦油的最早证据。

　　使用蛋白质组学方法分析新疆小河墓地中距今3600年前的固体奶制品，发现块状物和颗粒状物质具有不同的蛋白质组成：颗粒状物质的蛋白质组成接近全奶，而块状物的乳清蛋白含量较低，主要成分是酪蛋白，这说明块状物是奶酪。随后，又在奶酪中鉴定出开菲尔乳酸菌和酵母菌，并据此推断先民先酿制一种特殊的发酵乳开菲尔，再经过脱脂处理和乳清分离，最后得到开菲尔奶酪。同样在小河墓地，利用蛋白质组学发现先民以牛心作为化妆棒，而且表面覆盖有赤铁矿粉末——心脏在动物身上是红色血液的“发动机”，用其来制作化妆棒，很可能出于一种特殊的宗教意涵。

　　使用免疫法在距今约8000年的浙江跨湖桥遗址检测出生漆做的涂料和黏合剂。红外和气质联用分析表明，蜂蜡在战国时期已作为药物基体和黏合剂，汉代时又用作灯的燃料。使用碳14测年、透射电镜和气质联用等手段，证明三门峡出土古酒确实为西汉早期的古酒，而且还是可以止血消炎的药酒。

　　（作者：杨益民，系中国科学院大学人文学院考古学与人类学系教授）

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编辑：迟语洋

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