理化分析技术在生物考古领域的应用

摘 要:在广泛检索文献基础上,综述了生物考古中用到的物理和化学分析方法,以期为生物考古的发展提供基础参考依据。

关键词:生物考古 理化分析 技术 概况

中图分类号:K87文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)11(c)-0238-02

1 简介

1.1 生物考古

生物考古是指对遗址中所有生物遗存,如植物、动物、人类、微生物等的一系列科学研究,包含了以人类遗存为研究主体的众多学科,如人体骨学、地质考古、动物考古、植物考古、生态考古、微生物考古等,研究手段和研究方法也多种多样,为人类起源演化和疾病研究、农业和畜牧业起源等做出了巨大贡献(Murphy M.S,2010;胡耀武,2009)。目前生物考古已成为国际科技考古研究的前沿领域和热点(Paula C. Miranda,2011;中国科学院,2010)。

1.2 理化分析

理化分析是通过物理、化学等分析手段进行分析,确定物质成分、性能、微观宏观结构等,是基于物理或物理化学原理和性质而建立起来的分析方法。理化分析在生物考古中应用的非常广泛,特别是在对骨骼、牙齿、以及其他遗存的分析中,已成为揭开生物考古谜团的重要手段(Mario Novak,2011;Temple DH,2010;王翠斌,2009)。

2 骨表面结构的物理分析

目前对于骨骼表面结构的分析方法主要有显微分析、扫描电镜(SEM)分析、表面能谱分析(EDS)、X射线衍射分析(XRD)、CT 扫描技术和计算机图像处理技术等等。

显微分析和扫描电镜(scanning electronic microscope,简称SEM)可以分析骨骼、牙齿组织结构变化,如骨骼表相和体相存在的孔洞结构,由此揭示样本的污染程度和保存状况(Matthias Kucera,2011;Arkadiusz So1tysiak,2011)。X射线衍射(XRD)可以分析骨骼和牙齿中的羟基磷灰石和其变体来说明骨骼的矿化程度,J.C. Hiller(2006)利用小角X射线散射(SAXS)测量骨样品的晶粒纳米结构,揭示发生相应的外界条件变化引起的可能的骨微晶表面晶格组成或应变,可以为提取古生物DNA信息提供保证。X射线衍射(XRD)还可以对标本内部进行无创观察,但对于厚度较大的标本,往往会因投影在荧光屏上的重影而影响图像的观察质量,计算机断层扫描成像(CT)技术的发明使得人们能够克服X射线透视的不足,得到清晰的断层扫描影像((Britta M.Grieshaber,2008)。利用CT技术、计算机图像处理技术和3维成像技术还可以可以将古生物学的研究延伸到头骨内部,实现虚拟化石重建与无创解剖,对骨分布的生物力学分析,可得到化石头骨内部的3维影像,CT技术已是重建化石骨三维影像的重要手段(Yousuke Kaifu,2011;Xiujie Wu,2009)。

3 骨化学分析

骨化学分析是探索古人类食物结构的主要手段之一。古人类食物结构的证据,更多地来自于质地坚硬的人和动物骨或牙齿以及石器的分析结果(Richasds M P,2002;Tedord M,2000)。通过对古人类骨或牙齿中化学成分的分析,即稳定同位素比值和微量元素含量,便可揭示他们的食物结构、生活方式、人口迁移模式以及生存环境等多方面的重要信息,探索其演化过程(L.E. Muoa,2008;Stanley H.Ambrose,2003)。

3.1 稳定同位素分析

在进行骨的稳定同位素分析时首先根据骨胶原中的C、N含量以及C／N摩尔比等重要指标判断其是否受到污染,其次才进行稳定同位素的测定。对稳定同位素测定是因为人体骨组织的化学组成直接对应着食物中的化学组成成分,当人们的食物来源不同时,骨中的稳定同位素组成就有较大的差异性(David R.Yesner,2003)。此外,植物的光合作用途径以及固氮方式的差异,将直接导致其δ13C和δ15N值明显不同,因此骨中的稳定同位素分析可以研究古人类和动物的食物结构((Adolfo F. Gil,2011;Rick J.Schulting,2002)。一般C3植物的δ13C平均值约为-26．5‰,而C4植物的δ13C平均值则约为-12．5‰,因此通过分析人骨中骨胶原或羟磷灰石的δ13C值,即可了解人们的食物来源;豆科植物的δ15N大约等于O‰,而非豆科植物的δ15N则稍高,故分析人骨中骨胶原的δ15N,就可辨别其在食物链中的营养地位,了解其食物结构(C.D.White,2011;Carolyn Chenery,2010)。Adolfo F.Gil(2011)对生存于考古记录的史前玉米恐慌时期的阿根廷中西部的人骨和牙进行的碳的稳定同位素分析,发现他们的主要能量来源正好是C4植物的玉米,因此可见人类饮食研究中稳定同位素分析的重要意义。

3.2 羟磷灰石的微量元素分析

分析骨中羟磷灰石的微量元素是骨化学研究的另一种主要方法,对羟磷灰石的微量元素的分析同样需要对样品的污染程度鉴定(Charlotte L.King,2011)。

(1)羟磷灰石的污染程度分析。

骨骼中羟磷灰石结晶度广泛地作为样本重要的保存状况指标之一,结晶度指数可以由X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)等方法测量,但是由于XRD采用体积平均值得到的数据与FTIR采用面积平均值得到的数据的不能直接进行比较(T.J.U.Thompsona,2009)。这两种方法各有优势,FTIR可以能检测CO32-的含量,但它无法获知晶体的形状和方向的信息,而且对低结晶度的结晶指数和碳酸盐含量的变化产生的影响比XRD更敏感。此外,由于羟磷灰石中的CO32-可通过与羟磷灰石中的PO42-替换而形成更小的晶体,从而影响羟磷灰石的结晶度。因此,检测羟磷灰石中的CO32-也可鉴别羟磷灰石的污染程度(T.J.U.Thompson,2011)。

(2)羟磷灰石中微量元素的分析。

羟磷灰石中微量元素的污染与否可比较其人骨与食草类、食肉类动物骨中羟磷灰石的Sr／Ca、Ba／Ca的值来判定(Sponh eimer M.,2006)。对微量元素的分析是因为通常食草动物骨中积淀的Sr／Ca约为其食物的1／5,而食肉动物骨中积淀的Sr／Ca又约为食草动物的1／5(Matilde Arnay-de-la-Rosa,2009)。此外,骨骼和牙齿的Sr、Ba相对于Ca的含量在以往的考古研究还被用来检验史前食物结构是海洋生物还是陆地生物。因为海水的Ba/Sr值比大多数陆地环境低得多(多达3个数量级),生活在海水中的鱼类和其他生物也将有比大多数陆地生物Ba/Sr低的值,但是也可能会受到营养水平影响(Ben Shawa,2011;K.Szostek,2003)。因此根据人骨中Sr／Ca、Ba／Ca值的分析,一定程度上可揭示该个体的食物结构信息。一般方法有原子吸收光谱(AAS)法、原子荧光光谱(AFS)法、电感偶合等离子体发射光谱(ICP-OES)法、电感偶合等离子体质谱(ICP-MS)法、色谱分析法及X射线分析法等。目前,生物考古中的微量元素含量一般用激光烧蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)定性定量分析(Charlotte L.King,2011)。Andrea Cucina(2011)采用(LA-ICP-MS)测量考古遗址牙齿珐琅质的Mg,P,K,Ti,Mn,Zn,Sr,I,Ba,和Pb的含量,成功的得到了古时期尤卡坦半岛玛雅港口北部有外国人存在的证据,说明LA-ICP-MS是检测在当地居民的外籍个人存在的一个重要的分析工具。采用以上分析方法一般对稀少和珍贵古生物化石造成了损害,因此采用无损或近似无损分析方法,如对骨微量元素测定的质子激发荧光(PIXE)分析法和稳定同位素测试的激光消融同位素分析法,将会成为骨化学分析的主要方向之一。

4 其他微体化石的分析

微体化石如木材纤维、孢粉、硅酸体、淀粉粒等的遗存,可提供特定植物学信息如科类、种属等,反映古代当地植被的基本面貌及人类使用植物的基本情况,因此可揭示古代人们对植物食物的选择、农作物的起源、早期农业的出现等经济生活和文化生活情况,并可了解人类赖以生存的自然环境(Amanda G.Hey,2008;James Coil,2003)。

4.1 木材纤维分析

在一般的遗址和墓葬中,最容易遇到的植物遗存是木材、纤维和种子,后者包括谷粒、果核和瓜菜籽等。通过对纤维的鉴定,可以了解纺织品的质料,进而探讨农业和纺织业的情形(Philippa Ryan,2011)。一般采用拉曼光谱分析、X射线衍射(XRD)、傅立叶红外光谱分析(FTIR)、扫描电子显微镜分析等方法鉴定古纺织品、松香、树脂等植物纤维的组成及成分,可实现对古丝织宏观到微观的分析,如Jian Liu(2011)采用光学显微镜,扫描电子显微镜(SEM)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)等方法对营盘出土的丝纤维品种进行鉴别与分析,同时对纤维的老化情况进行了初步分析发现这些古代纺织品依然形态完好。

4.2 孢粉分析

孢子花粉体积微小但数量很大,易于流动和保存且分布广泛,孢粉的外形和大小,代表着植物的不同科、属。孢粉分析主要是提取样本、分析鉴定、分类统计来研究它们的组合、演化规律等(Lynne J.Quick,2011)。因此对遗址中的孢粉分布可反映古代当地植被的基本面貌及人类使用植物的基本情况(Jungan Qin,2011)。Alex D. Brown(2011)应用孢粉分析发现瑞典南部的斯堪尼亚区Bjre半岛的史前石刻在青铜时代晚期坐落于一个孤立的半林地中,该结果支持了Bjre半岛石刻的“漂移假说”。此外,动物遗存如干旱地区保存的动物粪便化石,其中的孢粉能提供过去的植被信息。粪化石的孢粉分析可用来重建缺少湖泊和泥炭沼的地方如干旱半干旱地区的古植被结构组成,Morteza Djamali(2011)对洞穴地层中含有孢粉的动物粪化石分析发现含有郁金香、菊科等植物花粉,证明伊朗Turan ian区早在70万年前是具有非常丰富的动植物资源的大草原。

4.3 硅酸体分析

植物硅酸体是沉淀在植物细胞中的微小硅质体。由于土壤、水分、气候条件和植物细胞结构的不同,形成的植物硅酸体具有可区分的特征,如C3和C4植物的植硅石存在明显差别,硅酸体中氧同位素的比值O18／O16还可估算古代的气候温度(Dan Cabanes,2011;Adrian G.Parker,2011)。植物硅酸体作为一种重要的生物指标,在近年考古中得到了很大的发展,如Vernica Wesolowski(2010)分析了来自巴西南部海岸的萨姆巴凯贝壳堆4个遗址中的53颗牙齿的微体化石,对淀粉粒和植硅石分析证实sambaqui人曾食用薯蓣和狭叶南洋杉,并推测阿鲁姆天南星科植物、甘薯和玉米可能也在他们的饮食结构中。

4.4 淀粉粒分析

淀粉粒是由植物通过光合作用产生的一种次生代谢产物,是葡萄糖的聚合物。由于不同种属来源的淀粉粒形态各异,所以具有一定的分类学意义,用于鉴定植物残留物的来源,并借此推断古人对植物的利用、器物的功能以及食物加工技术等。考古淀粉颗粒分析的来源之一是牙结石,牙结石中的淀粉粒保存较好,从牙结石提取出的淀粉粒可以直接体现人类或动物对淀粉类食物的利用(Karen Hardy,2009)。对古代淀粉粒分析主要是通过理化手段对淀粉粒提取、鉴别,样品标本制备后镜检,并与建立的标本库对比。Célia Helena C.Boyadjia(2007)采用牙科清洗技术从古人类牙齿中分离出淀粉粒和硅酸体,但该方法利用HCl清洗样品,对宝贵的化石遗骸造成了损害。Matthias Kucera(2011)利用显微镜对清洗过的牙齿分析发现表面结构被严重破坏,因此未来人们将会寻求近无损的技术如超声分离来替代检材。

5 结语与展望

21世纪伴随着生物学、化学、物理学、地质学、计算机科学等多学科的发展、融合,将会使得考古技术不断成熟,一些物理化学与分析化学相结合的技术、物理与计算机科学结合的技术将会使得理化分析技术在考古技术不断创新,更好地为生物考古服务。

参考文献

[1]Murphy,M.S.,Gaither,C.,Goycochea,E.et al.Violence and weapon-related trauma at puruchuco-huaquerones,Peru [J].American Journal of Physical Anthropology,2010,142(4):14.

[2]胡耀武,王昌燧.生物考古的研究进展及展望[J],山西大同大学学报(自然科学版),2009,25(5):84～90.

[3]Paula C.Miranda.APROXIMACIN BIOARQUEOLGICA SOBRE POBLACIONES DE LA PUNA ARGENTINA (PUNA MERIDIONAL Y PUNA SEPTENTRIONAL)[J].Comec hingonia Virtual:Revista Electrónica de Arqueología,2011,4(1):1.

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