面向世界科技前沿,面向国家重大需求,面向国民经济主战场,率先实现科学技术跨越发展,率先建成国家创新人才高地,率先建成国家高水平科技智库,率先建设国际一流科研机构。

——中国科学院办院方针

首页 > 科学普及 > 科普文章

考古中的高科技“神器”

2020-11-26 光明日报
【字体:

语音播报

便携红外光谱仪分析古代字画。中国科学院大学人文学院考古与人类学系提供

研究人员对文物进行微痕分析。山东大学室内考古与文物保护实验室提供

清代冠饰的原位无损分析。中科院上海光机所提供

上海同步辐射光源显微CT站用于考古研究。付亚楠摄

研究人员展示研究样品。中国科学院大学人文学院考古与人类学系提供

  考古学是通过分析古代物质遗存来研究人类历史的科学,其源头可以上溯至欧洲的古物学和中国的金石学。19世纪,自然科学的发展促进了考古学的成熟,地质学中的地层学和生物学中的分类学被引入到考古学中,形成了考古地层学和器物分析的类型学,现代考古学从此开端。可以说,考古学与生俱来就与自然科学密不可分。

  考古学对古代遗存的信息提取,离不开以田野发掘、整理研究为主的传统考古和理化分析为主的科技考古,后者的工作开展是建立在前者坚实的工作基础之上的。数理化天地生等自然科学领域中的诸多方法都能在考古学中找到用武之地,考古学的发展越来越离不开科技方法的介入。科技考古现在使用的检测方法有两种趋势,一是依赖专业人员进行实验和数据解读的前沿手段,比如古代基因组分析;二是易操作的小型检测设备,比如成分分析用的便携荧光光谱仪。从田野发掘、实物分析到有机分子的鉴定,科技手段为了解古代社会提供了丰富的信息,活化了历史场景。

  广域考古中的利器:遥感技术

  相比地面的考古勘察,太空中的卫星和天空中的飞机提供了不一样的视角,也提供了不可替代的信息。遥感考古多使用可见光、红外光、合成孔径雷达等成像方法,站得高看得广,可以获取大面积的影像资料。古代遗存的土壤、微地貌、植被状况与周边环境会有细微的差异,各自有着不同的电磁波特征,在照片上仔细研读,就可能找到方方的城址、弯弯的河道和长城等大型遗存。

  在地广人稀、交通不便的区域,遥感考古是考古人的利器,极大地减少了考古调查成本。新疆历史上曾经有许多长城,但受千余年的风化侵蚀和人类活动的影响,长城遗存已经和周边的沙漠、戈壁等环境浑然一体,人眼很难看出长城的存在,而利用遥感手段可基本“复原”出新疆古代长城的样貌。此外,利用卫星影像并结合现场调查发现了《水经注》中新疆罗布泊地区的“注宾城”,并在楼兰古城附近确认了“目”字形和椭圆放射状两种人工灌溉遗迹。借助遥感考古,中国考古学家还在丝绸之路西端突尼斯发现10处古罗马时期考古遗存,揭示了古罗马时期南线军事防御系统的布局与农业灌溉系统的结构。

  在人口稠密的地区,遥感考古可能避开人类活动的干扰。良渚文明是中国最早的文明之一,现在也是人口密集之地,人类活动对地貌影响甚大。发现良渚古城附近的水利高坝系统后,考古学家利用20世纪60年代的美国卫星影像进一步开展筛查,进而发现了良渚古城附近的水利低坝。

  发现古物的制造奥秘:同步辐射光源

  人工制品反映了人类利用自然、适应自然和改造自然的能力,也是人类智力演化的主要标志之一。工业革命以前,人类社会的演化就以工具材质和工艺来划分,如旧石器时代(以打制石器为主)、新石器时代(以磨制石器为主)、青铜时代和铁器时代等。人工制品的研究往往包括起源、制作工艺、产地分析和用途等。根据加工工艺,人工制品可分为冷加工制品(如石器、玉器等)和热加工制品(如陶瓷、玻璃、金属等)。

  人类制作工具的历史就是材料利用史。早期人类对石头进行冷加工,从粗糙的打制石片、手斧到精致的细石叶,石器的形态和工艺反映了人类从200多万年到1万多年前的迁徙和文化交流情况。至少在1万余年前,中国先民掌握了旋转钻孔技术。鸵鸟蛋壳做的珠子是旧石器晚期先民常见的饰品,鸵鸟蛋壳珠比较脆弱,穿孔内部的土壤也不易彻底清除,直接用光学显微镜或使用硅胶翻模再扫描电镜观察的传统钻孔工艺研究方法并不适用。科学家用上海同步辐射光源对水洞沟遗址12地点附近的鸵鸟蛋壳珠进行了无损的显微CT分析和三维建模,判断蛋壳来自安氏鸵鸟。先民们从蛋壳内表面使用扭转钻孔方法定位,如使用燧石做的尖状器;再使用旋转钻孔方法来深入钻孔,并至少使用了两种钻头,最后使用圆柱形磨头并配合旋转方法将穿孔打磨成圆柱形。

  中国是陶器的起源地区之一,碳14测年表明江西仙人洞出土的陶器能早到距今约2万年。陶瓷的烧成温度反映了高温技术的进步,基于改进的热膨胀分析方法,判断距今约9000年的东胡林遗址出土陶片的烧成温度在500度左右。瓷器是中国的特有发明,根据胎和釉原料的化学组成和烧成温度(至少超过1150度),我国青瓷起源的时间最晚可追溯至夏代。尽管中国先民的陶瓷制作工艺一直很发达,但古代陶工并没有故步自封,他们持续从外界汲取技术营养。大约3000年前,中国陶瓷业首次受到外来技术的影响,新的陶瓷制品种类——釉砂开始出现并成为当时贵族阶层的新宠。釉砂的引进消化吸收,促进了中国古陶瓷呈色技术的发展;古代陶工的“调色盘”从仅依靠铁元素扩展到铜元素,釉色也不再局限于黄色和绿色。北京同步辐射光源吸收边分析表明,到战国中晚期,金属铜颗粒致色的铜红釉也在釉陶上开始使用。元代开始大规模从域外输入钴料制作青花瓷,利用聚焦离子束扫描电镜制备透射电镜的样品并开展化学成分和结构分析表明,进口钴料和国产钴料共存于明代宣德时期的青花瓷上。

  公元前500年左右,域外玻璃蜻蜓眼珠的输入刺激了国产铅钡和钾钙玻璃的出现。使用显微CT可以无损区分釉砂、釉陶和玻璃等不同材质的蜻蜓眼珠,并判别不同类型的加工工艺。印度太平洋玻璃珠是战国中晚期开始在南亚、东南亚出现并向各地传播,基于无损的同步辐射显微CT、同步辐射显微衍射分析及微损的激光剥蚀成分分析,云南句町王国出土的汉代印度太平洋铜红玻璃珠,主要依靠金属铜颗粒致红色,产地可能是东南亚;而气泡形状不应是判断拉制法的主要依据。

  金属矿石的开采、冶炼和器物的制造,需要一整套的复杂流程和社会管理,是社会高度复杂化的重要标志之一。尽管中国的青铜技术受外来技术影响很大,但是中国的冶金术应该是独立发明的。利用同步辐射光源X射线荧光分析面扫描,对比分析模拟样品和陕西姜寨遗址距今约6000年的黄铜片,发现后者的制作工艺是固体还原,比西亚类似工艺的人工冶炼合金砷铜还略早一些;正是已有了冶金术和发达的陶瓷基础,青铜技术一传入中原就很快得到广泛应用。青铜时代,铅、铜的矿料来源研究多通过铅同位素分析来开展,殷墟的高放射成因铅目前看来并不会来自云南。铁器大规模应用之后,人类文明发展骤然加速,奠定了“轴心时代”的物质基础,帝国开始出现。金相分析表明,春秋时期,块炼铁技术传入中原,中原地区很快发明出生铁技术,为封建王朝大一统格局的出现奠定了生产力基础。

  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(分体甗)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)

打印 责任编辑:侯茜
  • 举头望明月,你会想起哪位古人

扫一扫在手机打开当前页

© 1996 - 中国科学院 版权所有 京ICP备05002857号-1 京公网安备110402500047号 网站标识码bm48000002

地址:北京市三里河路52号 邮编:100864

电话: 86 10 68597114(总机) 86 10 68597289(值班室)

编辑部邮箱:casweb@cashq.ac.cn