理化分析技术在生物考古领域的应用

发布时间：2022-10-05 21:43 热度：

　　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，201ll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 (MarioNovak，201l;Temple DH，2010l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 elec-tronic 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 Soltysiak，20l1)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(2OO6)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Nx射 线透视的不足 ，得 到清晰的断 层扫描影像((Britta M.Gifeshaber，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，201l;XiujieWu，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 自干质地 坚硬的人和动物骨或牙齿以及石器的分析结果(RichasdsM 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.Munroa，2008lStanley 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 5”C和 5”N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.SchuRing，2002)。一般C植物的 5 C平均值约为-26.5%0，而c植物的 5”C平均值则约为一12.5‰，因此通过分析人骨中骨胶原或羟磷灰石的 5”C值，即可了解人们的食物来源 ;豆科植物的 5”N大约等于0‰ ，而非豆科植物的 5”N则稍高，故分238 科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION析人骨 中骨胶原的 5”N，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C 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~gXRD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(SponheimerM。，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，2011fK.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(CharlotteL.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(AmandaG.Henry，2008lJamesCoil，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，20l1)。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(20l1)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)等方怯对营盘出土的丝纤 维品种进 行鉴 别与分析 ，伺 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，2Ol1)。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Bjiire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Bj~re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Turanian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C 和C 植物 的植 硅石存在明 显差别 ，硅 酸体 中氧 同位素的 比值0”/0 还可 估算 古代 的 气候温 度(DanCabanes，201lIAdrian 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VeranicaWesolowski(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。C6lb HelenaC.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。

　　MatthiasKucera(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 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 。