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考古中的高科技“神器”

考古中的高科技“神器”


考古學是通過分析古代物質遺存來研究人類歷史的科學,其源頭可以上溯至歐洲的古物學和中國的金石學。19世紀,自然科學的發展促進了考古學的成熟,地質學中的地層學和生物學中的分類學被引入到考古學中,形成了考古地層學和器物分析的類型學,現代考古學從此開端??梢哉f,考古學與生俱來就與自然科學密不可分。


分析古代字畫。圖片來自中國科學院大學人文學院考古與人類學系


考古學對古代遺存的信息提取,離不開以田野發掘、整理研究為主的傳統考古和理化分析為主的科技考古,后者的工作開展是建立在前者堅實的工作基礎之上的。數理化天地生等自然科學領域中的諸多方法都能在考古學中找到用武之地,考古學的發展越來越離不開科技方法的介入??萍伎脊努F在使用的檢測方法有兩種趨勢,一是依賴專業人員進行實驗和數據解讀的前沿手段,比如古代基因組分析;二是易操作的小型檢測設備,比如成分分析用的便攜熒光光譜儀。從田野發掘、實物分析到有機分子的鑒定,科技手段為了解古代社會提供了豐富的信息,活化了歷史場景。


廣域考古中的利器:遙感技術


相比地面的考古勘察,太空中的衛星和天空中的飛機提供了不一樣的視角,也提供了不可替代的信息。遙感考古多使用可見光、紅外光、合成孔徑雷達等成像方法,站得高看得廣,可以獲取大面積的影像資料。古代遺存的土壤、微地貌、植被狀況與周邊環境會有細微的差異,各自有著不同的電磁波特征,在照片上仔細研讀,就可能找到方方的城址、彎彎的河道和長城等大型遺存。


在地廣人稀、交通不便的區域,遙感考古是考古人的利器,極大地減少了考古調查成本。新疆歷史上曾經有許多長城,但受千余年的風化侵蝕和人類活動的影響,長城遺存已經和周邊的沙漠、戈壁等環境渾然一體,人眼很難看出長城的存在,而利用遙感手段可基本“復原”出新疆古代長城的樣貌。此外,利用衛星影像并結合現場調查發現了《水經注》中新疆羅布泊地區的“注賓城”,并在樓蘭古城附近確認了“目”字形和橢圓放射狀兩種人工灌溉遺跡。借助遙感考古,中國考古學家還在絲綢之路西端突尼斯發現10處古羅馬時期考古遺存,揭示了古羅馬時期南線軍事防御系統的布局與農業灌溉系統的結構。


研究人員對文物進行微痕分析。圖片來自山東大學室內考古與文物保護實驗室


在人口稠密的地區,遙感考古可能避開人類活動的干擾。良渚文明是中國最早的文明之一,現在也是人口密集之地,人類活動對地貌影響甚大。發現良渚古城附近的水利高壩系統后,考古學家利用20世紀60年代的美國衛星影像進一步開展篩查,進而發現了良渚古城附近的水利低壩。


發現古物的制造奧秘:同步輻射光源


人工制品反映了人類利用自然、適應自然和改造自然的能力,也是人類智力演化的主要標志之一。工業革命以前,人類社會的演化就以工具材質和工藝來劃分,如舊石器時代(以打制石器為主)、新石器時代(以磨制石器為主)、青銅時代和鐵器時代等。人工制品的研究往往包括起源、制作工藝、產地分析和用途等。根據加工工藝,人工制品可分為冷加工制品(如石器、玉器等)和熱加工制品(如陶瓷、玻璃、金屬等)。


人類制作工具的歷史就是材料利用史。早期人類對石頭進行冷加工,從粗糙的打制石片、手斧到精致的細石葉,石器的形態和工藝反映了人類從200多萬年到1萬多年前的遷徙和文化交流情況。至少在1萬余年前,中國先民掌握了旋轉鉆孔技術。鴕鳥蛋殼做的珠子是舊石器晚期先民常見的飾品,鴕鳥蛋殼珠比較脆弱,穿孔內部的土壤也不易徹底清除,直接用光學顯微鏡或使用硅膠翻模再掃描電鏡觀察的傳統鉆孔工藝研究方法并不適用??茖W家用上海同步輻射光源對水洞溝遺址12地點附近的鴕鳥蛋殼珠進行了無損的顯微CT分析和三維建模,判斷蛋殼來自安氏鴕鳥。先民們從蛋殼內表面使用扭轉鉆孔方法定位,如使用燧石做的尖狀器;再使用旋轉鉆孔方法來深入鉆孔,并至少使用了兩種鉆頭,最后使用圓柱形磨頭并配合旋轉方法將穿孔打磨成圓柱形。


清代冠飾的原位無損分析。圖片來自中科院上海光機所


中國是陶器的起源地區之一,碳14測年表明江西仙人洞出土的陶器能早到距今約2萬年。陶瓷的燒成溫度反映了高溫技術的進步,基于改進的熱膨脹分析方法,判斷距今約9000年的東胡林遺址出土陶片的燒成溫度在500度左右。瓷器是中國的特有發明,根據胎和釉原料的化學組成和燒成溫度(至少超過1150度),我國青瓷起源的時間最晚可追溯至夏代。盡管中國先民的陶瓷制作工藝一直很發達,但古代陶工并沒有故步自封,他們持續從外界汲取技術營養。大約3000年前,中國陶瓷業首次受到外來技術的影響,新的陶瓷制品種類——釉砂開始出現并成為當時貴族階層的新寵。釉砂的引進消化吸收,促進了中國古陶瓷呈色技術的發展;古代陶工的“調色盤”從僅依靠鐵元素擴展到銅元素,釉色也不再局限于黃色和綠色。北京同步輻射光源吸收邊分析表明,到戰國中晚期,金屬銅顆粒致色的銅紅釉也在釉陶上開始使用。元代開始大規模從域外輸入鈷料制作青花瓷,利用聚焦離子束掃描電鏡制備透射電鏡的樣品并開展化學成分和結構分析表明,進口鈷料和國產鈷料共存于明代宣德時期的青花瓷上。


公元前500年左右,域外玻璃蜻蜓眼珠的輸入刺激了國產鉛鋇和鉀鈣玻璃的出現。使用顯微CT可以無損區分釉砂、釉陶和玻璃等不同材質的蜻蜓眼珠,并判別不同類型的加工工藝。印度太平洋玻璃珠是戰國中晚期開始在南亞、東南亞出現并向各地傳播,基于無損的同步輻射顯微CT、同步輻射顯微衍射分析及微損的激光剝蝕成分分析,云南句町王國出土的漢代印度太平洋銅紅玻璃珠,主要依靠金屬銅顆粒致紅色,產地可能是東南亞;而氣泡形狀不應是判斷拉制法的主要依據。


金屬礦石的開采、冶煉和器物的制造,需要一整套的復雜流程和社會管理,是社會高度復雜化的重要標志之一。盡管中國的青銅技術受外來技術影響很大,但是中國的冶金術應該是獨立發明的。利用同步輻射光源X射線熒光分析面掃描,對比分析模擬樣品和陜西姜寨遺址距今約6000年的黃銅片,發現后者的制作工藝是固體還原,比西亞類似工藝的人工冶煉合金砷銅還略早一些;正是已有了冶金術和發達的陶瓷基礎,青銅技術一傳入中原就很快得到廣泛應用。青銅時代,鉛、銅的礦料來源研究多通過鉛同位素分析來開展,殷墟的高放射成因鉛目前看來并不會來自云南。鐵器大規模應用之后,人類文明發展驟然加速,奠定了“軸心時代”的物質基礎,帝國開始出現。金相分析表明,春秋時期,塊煉鐵技術傳入中原,中原地區很快發明出生鐵技術,為封建王朝大一統格局的出現奠定了生產力基礎。


識骨尋蹤:從形態學到DNA序列


骨頭(牙)包括人骨和獸骨,是考古遺址中出土較多的遺存之一。骨骼的形態分析、同位素、蛋白質和DNA分析可為人類演化、遷徙、生計模式、動物飼養和利用等提供豐富的信息。依據人類的頭骨形狀,體質人類學家利用三維技術復原了北京老山漢墓主人的容貌。動物考古學家通過骨頭的形態學分析基本梳理了過去1萬年我國家養動物的利用過程。例如,通過齒列長度或齒列扭曲等形態分析,發現距今1萬年左右的河北南莊頭遺址開始飼養家狗。


人骨的基因組和蛋白質分析為人類的起源、演化、遷徙提供了分子證據。例如,距今約4萬年的北京田園洞人基因組分析表明,該個體屬于晚期智人,但并非現代東亞人的直接祖先,與田園洞人遺傳關系最接近的智人是美洲亞馬孫人。


骨骼中含有膠原蛋白,是同位素分析的主要對象,其中碳氮穩定同位素分析可以重建先民或動物的長期飲食結構。碳同位素數據可以推算個體食性中C3和C4植物(如粟黍玉米等)的比例,在中國可以反映先民對粟作農業的依賴程度。氮同位素數據可以判斷先民的營養級,從而反映先民在食物鏈中的地位及可能的肉食來源。個體牙齒序列的碳氮穩定同位素分析能反映食譜的年度變化,重建個體生活史,如斷奶行為以及童年時期的食物變化。例如,成都平原新石器時代晚期(距今約4500年)高山古城先民的斷奶時間大概在2.5-4歲之間。


上海同步輻射光源顯微CT站用于考古研究。付亞楠攝


考古發掘中往往出土大量種屬形態特征不明顯的碎骨或動物制品,如果都依賴DNA來鑒定種屬,成本較高;蛋白質分析可以低成本快速鑒定種屬。ZooMS(基于質譜的動物考古學)利用膠原蛋白酶解后肽段的質量數分布具有種屬特異性,來判斷樣品的動物來源。丹尼索瓦人的碎骨就是從海量碎骨中篩選出來,再開展基因組分析和同位素分析的。


植物考古中的好幫手:顯微鏡和質譜


一萬年前左右,農作物的栽培和馴化造就了人類歷史上的“新石器時代農業革命”,塑造了全新的人類生產生活方式。研究古代的植物利用,可以從植物大遺存和植物微小遺存入手,前者是指那些用肉眼或低倍顯微鏡就能看見的植物遺存,比如木材、果實、種子、莖稈、炭屑等,往往通過基于水的浮選法從考古土樣中提??;后者是指必須通過高倍顯微鏡才能看到的微體植物化石,包括孢粉、植硅體和淀粉粒等,往往通過重液提取法從土壤中提取。


科學家在距今一萬年左右的北京東胡林遺址,用浮選法找到炭化黍粟顆粒,是考古發掘浮選出土的年代最早的粟和黍實物。河北磁山遺址窖穴植物灰化樣品中發現了年代類似的黍植硅體。河北省徐水縣南莊頭遺址(早于距今11000年)和北京東胡林遺址出土的陶片或石器上,發現具有馴化性狀的粟淀粉粒所占比例在持續增加。由此可見,華北旱作農業起源的時間應在1萬年之前。


在稻作農業起源方面,距今約一萬年的浙江浦江上山遺址,浮選出炭化稻米、地層中還有摻雜炭化稻殼的紅燒土殘塊,以及陶片中摻入稻殼的現象,說明當時已經開始種植水稻。在浙江田螺山遺址,水稻小穗軸和稻葉扇形植硅體形態的變化,都反映經過約3000年的種植,馴化稻相比野生稻成為主流。


盡管小麥和大麥在距今5200年左右已傳到新疆阿爾泰山地區通天洞遺址,但是外來的小麥和大麥在很長一段時間內并未成為東亞先民的主食。然而,距今3600年前后氣候開始變冷,以大麥為主的麥作農業和養羊為主的牧業幫助了先民大規模向青藏高原定居,技術突破讓先民有能力克服不利的自然環境。


施有機肥(糞)是提高作物產量最直接最有效的途徑,古代補充土壤肥力,主要依靠動物性糞肥。施肥管理將作物栽培與家畜飼養緊密結合起來,促進了人類在不同環境下的適應和擴張。新石器時代中晚期陜西渭南白水河流域眾多遺址出土粟、黍作物以及相關動物骨骼,其碳氮穩定同位素分析表明,該地區先民從距今約5500年就已經開始了長期、持續的施肥管理。


研究人員展示研究樣品。圖片來自中國科學院大學人文學院考古與人類學系


茶是中國最先利用的飲品之一。通過植鈣體、咖啡因和茶氨酸分析,鑒定西藏阿里象雄時期距今約1800年的故如甲木寺遺址和西安距今約2100年的漢代陽陵出土腐爛炭化植物為茶葉,是目前為止發現的世界上最早的茶葉實物,為長距離的茶葉貿易提供了實證。大麻是五谷之一,但在西域有不同的使用方式。距今約2400年的吐魯番盆地加伊墓地,若干整株大麻被作為“裹尸布”覆于死者身上;生物標記物分析表明,距今約2500年的帕米爾高原東部塔什庫爾干地區,先民在葬禮中會在木質火壇中焚燒并吸食大麻。葡萄起源于西亞,在距今約2500年的吐魯番洋海墓地,植物考古學家用木材解剖方法鑒定了中國最早的栽培葡萄藤,為葡萄東傳的時空路線提供了線索。


多科學手段:提取分子化石


先民在加工、利用和消費生物資源的過程中,相關的有機物可能殘存或沉積在各種遺存上。在長期埋藏過程中,雖然受到物理、化學和生物作用的影響,仍可能或多或少地保存下來。它們統稱為有機殘留物,依據裸眼的可觀測性,可以劃分為可見殘留物(如液體、炭化物等)和不可見微量殘留物(如陶片吸附的有機分子、牙結石中包裹的蛋白質等)。有機殘留物的載體主要包括:動植物大遺存、處理動植物的各種工具和器物、可見的動植物制品和人體組織等,相關分析就是從載體中提取生物標記物、脂類物質或蛋白質等有機分子并加以鑒定,從而判斷其生物來源。


利用紅外光譜、脂質分析及單體脂肪酸穩定碳同位素分析方法分析甘肅省酒泉市西溝村魏晉墓M5出土銅甑釜(分體甗)下半部分釜內的白色膏狀殘留物,結果表明其應為反芻動物油脂,推測是用銅甑蒸制牛肉或羊肉時滲流下來而形成。利用紅外光譜、氣質聯用、掃描電鏡和同步輻射顯微CT等手段分析青海大通長寧遺址出土的齊家文化時期(距今約4000~3500年)雙耳罐內的炭化殘留物,鑒定其為樺樹皮焦油,此罐可能是這種油的生產工具,是目前中國加工和使用樺樹皮焦油的最早證據。


使用蛋白質組學方法分析新疆小河墓地中距今3600年前的固體奶制品,發現塊狀物和顆粒狀物質具有不同的蛋白質組成:顆粒狀物質的蛋白質組成接近全奶,而塊狀物的乳清蛋白含量較低,主要成分是酪蛋白,這說明塊狀物是奶酪。隨后,又在奶酪中鑒定出開菲爾乳酸菌和酵母菌,并據此推斷先民先釀制一種特殊的發酵乳開菲爾,再經過脫脂處理和乳清分離,最后得到開菲爾奶酪。同樣在小河墓地,利用蛋白質組學發現先民以牛心作為化妝棒,而且表面覆蓋有赤鐵礦粉末——心臟在動物身上是紅色血液的“發動機”,用其來制作化妝棒,很可能出于一種特殊的宗教意涵。


使用免疫法在距今約8000年的浙江跨湖橋遺址檢測出生漆做的涂料和黏合劑。紅外和氣質聯用分析表明,蜂蠟在戰國時期已作為藥物基體和黏合劑,漢代時又用作燈的燃料。使用碳14測年、透射電鏡和氣質聯用等手段,證明三門峽出土古酒確實為西漢早期的古酒,而且還是可以止血消炎的藥酒。


(作者:楊益民,系中國科學院大學人文學院考古學與人類學系教授  文章來源:《光明日報》電子版 圖文轉自:《光明日報》2020年11月26日16版)

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