理化分析技術(shù)在生物考古領(lǐng)域的應(yīng)用

1、理化分析技術(shù)在生物考古領(lǐng)域的應(yīng)用摘要：在廣泛檢索文獻(xiàn)根底上，綜述了生物考古中用到的物理和化學(xué)分析方法，以期為生物考古的開(kāi)展提供根底參考根據(jù)。關(guān)鍵詞：生物考古理化分析技術(shù)概況簡(jiǎn)介11生物考古生物考古是指對(duì)遺址中所有生物遺存，如植物、動(dòng)物、人類、微生物等的一系列科學(xué)研究，包含了以人類遺存為研究主體的眾多學(xué)科，如人體骨學(xué)、地質(zhì)考古，動(dòng)物考古、植物考古、生態(tài)考古、微生物考古等，研究手段和研究方法也多種多樣，為人類起源演化和疾病研究、農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)起源等做出了宏大奉獻(xiàn)(urphys，2022；胡耀武，2022)。目前生物考古已成為國(guó)際科技考古研究的前沿領(lǐng)域和熱點(diǎn)(paulairanda，201ll中國(guó)科學(xué)

2、院，2022)。12理化分析理化分析是通過(guò)物理、化學(xué)等分析手段進(jìn)展分析，確定物質(zhì)成分、性能、微觀宏觀構(gòu)造等，是基于物理或物理化學(xué)原理和性質(zhì)而建立起來(lái)的分析方法。理化分析在生物考古中應(yīng)用的非常廣泛，特別是在對(duì)骨骼、牙齒、以及其他遺存的分析中，已成為揭開(kāi)生物考古謎團(tuán)的重要手段(arinvak，201l；tepledh，2022l王翠斌，2022)。2骨外表構(gòu)造的物理分析目前對(duì)于骨骼外表構(gòu)造的分析方法主要有顯微分析、掃描電鏡(se)分析、外表能譜分析(eds)x射線衍射分析(xrd)、t掃描技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)等等。顯微分析和掃描電鏡(sanningele-trniirspe，簡(jiǎn)稱se)可以分析

3、骨骼、牙齒組織構(gòu)造變化，如骨骼表相和體相存在的孔洞構(gòu)造，由此提醒樣本的污染程度和保存狀況(atthiaskuera，2022；arkadiuszsltysiak，20l1)x射線衍射(xrd)可以分析骨骼和牙齒中的羥基磷灰石和其變體來(lái)說(shuō)明骨骼的礦化程度，jhiller(26)利用小角x射線散射(saxs)測(cè)量骨樣品的晶粒納米構(gòu)造，提醒發(fā)生相應(yīng)的外界條件變化引起的可能的骨微晶外表晶格組成或應(yīng)變，可以為提取古生物dna信息提供保證。x射線衍射(xrd)還可以對(duì)標(biāo)本內(nèi)部進(jìn)展無(wú)創(chuàng)觀察，但對(duì)于厚度較大的標(biāo)本，往往會(huì)因投影在熒光屏上的重影而影響圖像的觀察質(zhì)量，計(jì)算機(jī)斷層掃描成像(t)技術(shù)的創(chuàng)造使得人們可以

4、克nx射線透視的缺乏，得到明晰的斷層掃描影像(brittagifeshaber，2022)。利用t技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和3維成像技術(shù)還可以可以將古生物學(xué)的研究延伸到頭骨內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)虛擬化石重建與無(wú)創(chuàng)解剖，對(duì)骨分布的生物力學(xué)分析，可得到化石頭骨內(nèi)部的3維影像，t技術(shù)已是重建化石骨三維影像的重要手段(yusukekaifu，201l；xiujieu，2022)。3骨化學(xué)分析骨化學(xué)分析是探究古人類食物構(gòu)造的主要手段之一。古人類食物構(gòu)造的證據(jù)，更多地來(lái)自干質(zhì)地堅(jiān)硬的人和動(dòng)物骨或牙齒以及石器的分析結(jié)果(rihasdsp，2002；tedrd，2000)。通過(guò)對(duì)古人類骨或牙齒中化學(xué)成分的分析，即穩(wěn)定同位

5、素比值和微量元素含量，便可提醒他們的食物構(gòu)造、生活方式、人口遷移形式以及生存環(huán)境等多方面的重要信息，探究其演化過(guò)程(leunra，2022lstanleyhabrse，2022)。31穩(wěn)定同位素分析在進(jìn)展骨的穩(wěn)定同位素分析時(shí)首先根據(jù)骨膠原中的、n含量以及n摩爾比等重要指標(biāo)判斷其是否受到污染，其次才進(jìn)展穩(wěn)定同位素的測(cè)定。對(duì)穩(wěn)定同位素測(cè)定是因?yàn)槿梭w骨組織的化學(xué)組成直接對(duì)應(yīng)著食物中的化學(xué)組成成分，當(dāng)人們的食物來(lái)源不同時(shí)，骨中的穩(wěn)定同位素組成就有較大的差異性(davidryesner，2022)。此外，植物的光合作用處徑以及固氮方式的差異，將直接導(dǎo)致其5和5n值明顯不同，因此骨中的穩(wěn)定同位素分析可以研

6、究古人類和動(dòng)物的食物構(gòu)造(adlffgil，2022rikjshuring，2002)。一般植物的5平均值約為-2650，而植物的5平均值那么約為一125，因此通過(guò)分析人骨中骨膠原或羥磷灰石的5值，即可理解人們的食物來(lái)源；豆科植物的5n大約等于0，而非豆科植物的5n那么稍高，故分238科技資訊sienetehnlgyinfratin析人骨中骨膠原的5n，就可區(qū)分其在食物鏈中的營(yíng)養(yǎng)地位，理解其食物構(gòu)造(dhite，2022；arlynhenery，2022)。adlffgil(2022)對(duì)生存于考古記錄的史前玉米恐慌時(shí)期的阿根廷中西部的人骨和牙進(jìn)展的碳的穩(wěn)定同位素分析，發(fā)現(xiàn)他們的主要能量來(lái)源正好

7、是植物的玉米，因此可見(jiàn)人類飲食研究中穩(wěn)定同位素分析的重要意義。32羥磷灰石的微量元素分析分析骨中羥磷灰石的微量元素是骨化學(xué)研究的另一種主要方法，對(duì)羥磷灰石的微量元素的分析同樣需要對(duì)樣品的污染程度鑒定(harlttelking，2022)。(1)羥磷灰石的污染程度分析。骨骼中羥磷灰石結(jié)晶度廣泛地作為樣本重要的保存狀況指標(biāo)之一，結(jié)晶度指數(shù)可以由x射線衍射(xrd)和傅里葉變換紅外光譜(ftir)等方法測(cè)量，但是由于xrd采用體積平均值得到的數(shù)據(jù)與ftir采用面積平均值得到的數(shù)據(jù)的不能直接進(jìn)展比擬(tjuthpsna，2022)。這兩種方法各有優(yōu)勢(shì)，ftir可以能檢測(cè)32-的含量，但它無(wú)法獲知晶體的

8、形狀和方向的信息，而且對(duì)低結(jié)晶度的結(jié)晶指數(shù)和碳酸鹽含量的變化產(chǎn)生的影響gxrd更敏感。此外，由于羥磷灰石中的32-可通過(guò)與羥磷灰石中的p42-交換而形成更小的晶體，從而影響羥磷灰石的結(jié)晶度。因此，檢測(cè)羥磷灰石中的32也可鑒別羥磷灰石的污染程度(tjuthpsn，2022)。(2)羥磷灰石中微量元素的分析。羥磷灰石中微量元素的污染與否可比擬其人骨與食草類、食肉類動(dòng)物骨中羥磷灰石的sra、baa的值來(lái)斷定(spnheier。，2022)。對(duì)微量元素的分析是因?yàn)橥ǔＪ巢輨?dòng)物骨中積淀的sra約為其食物的15，而食肉動(dòng)物骨中積淀的sra又約為食草動(dòng)物的15(atildearnay-de-la-rsa，2

9、022)。此外，骨骼和牙齒的sr、ba相對(duì)于a的含量在以往的考古研究還被用來(lái)檢驗(yàn)史前食物構(gòu)造是海洋生物還是陸地生物。因?yàn)楹Ｋ腷asr值比大多數(shù)陸地環(huán)境低得多(多達(dá)3個(gè)數(shù)量級(jí))，生活在海水中的魚(yú)類和其他生物也將有比大多數(shù)陸地生物basr低的值，但是也可能會(huì)受到營(yíng)養(yǎng)程度影響(benshaa，2022fkszstek，2022)。因此根據(jù)人骨中sra、baa值的分析，一定程度上可提醒該個(gè)體的食物構(gòu)造信息。一般方法有原子吸收光譜(aas)法、原子熒光光譜(afs)法、電感偶合等離子體發(fā)射光譜(ipes)法、電感偶合等離子體質(zhì)譜(ip-s)法、色譜分析法及x射線分析法等。目前，生物考古中的微量元素含量

10、一般用激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜(laip-s)定性定量分析(harlttelking，2022)。andreauina(2022)采用(laip-s)測(cè)量考古遺址牙齒琺瑯質(zhì)的g，p，k，ti，n，zn，sr，i，ba，和pb的含量，成功的得到了古時(shí)期尤卡坦半島瑪雅港口北部有外國(guó)人存在的證據(jù)，說(shuō)明laip-s是檢測(cè)在當(dāng)?shù)鼐用竦耐饧畟€(gè)人存在的一個(gè)重要的分析工具。采用以上分析方法一般對(duì)稀少和珍貴古生物化石造成了損害，因此采用無(wú)損或近似無(wú)損分析方法，如對(duì)骨微量元素測(cè)定的質(zhì)子激發(fā)熒光(pixe)分析法和穩(wěn)定同位素測(cè)試的激光消融同位素分析法，將會(huì)成為骨化學(xué)分析的主要方向之一。4其他微體化石的分析微體化

11、石如木材纖維、孢粉、硅酸體、淀粉粒等的遺存，可提供特定植物學(xué)信息如科類、種屬等，反映古代當(dāng)?shù)刂脖坏母鞠嗝布叭祟愂褂弥参锏母厩闆r，因此可提醒古代人們對(duì)植物食物的選擇、農(nóng)作物的起源、早期農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)等經(jīng)濟(jì)生活和文化生活情況，并可理解人類賴以生存的自然環(huán)境(aandaghenry，2022ljaesil，2022)。41木材纖維分析在一般的遺址和墓葬中，最容易遇到的植物遺存是木材、纖維和種子，后者包括谷粒、果核和瓜菜籽等。通過(guò)對(duì)纖維的鑒定，可以理解紡織品的質(zhì)料，進(jìn)而討論農(nóng)業(yè)和紡織業(yè)的情形(philipparyan，20l1)。一般采用拉曼光譜分析、x射線衍射(xrd)、傅立葉紅外光譜分析(ftir

12、)、掃描電子顯微鏡分析等方法鑒定古紡織品、松香、樹(shù)脂等植物纖維的組成及成分，可實(shí)現(xiàn)對(duì)古絲織宏觀到微觀的分析，如jianliu(20l1)采用光學(xué)顯微鏡，掃描電子顯微鏡(se)和傅立葉變換紅外光譜(ftir)等方怯對(duì)營(yíng)盤(pán)出土的絲纖維品種進(jìn)展鑒別與分析，伺時(shí)對(duì)纖維的老化情況進(jìn)展了初步分析發(fā)現(xiàn)這些古代紡織品仍然形態(tài)完好。42孢粉分析孢子花粉體積微小但數(shù)量很大，易于流動(dòng)和保存且分布廣泛，孢粉的外形和大小，代表著植物的不同科、屬。孢粉分析主要是提取樣本、分析鑒定、分類統(tǒng)計(jì)來(lái)研究它們的組合、演化規(guī)律等(lynnejquik，2l1)。因此對(duì)遺址中的孢粉分布可反映古代當(dāng)?shù)刂脖坏母鞠嗝布叭祟愂褂弥参锏母厩?/p>

13、況(junganqin，2022)。alexdbrn(2022)應(yīng)用孢粉分析發(fā)現(xiàn)瑞典南部的斯堪尼亞區(qū)bjiire半島的史前石刻在青銅時(shí)代晚期坐落于一個(gè)孤立的半林地中，該結(jié)果支持了bjre半島石刻的“漂移假說(shuō)。此外，動(dòng)物遺存如干旱地區(qū)保存的動(dòng)物糞便化石，其中的孢粉能提供過(guò)去的植被信息。糞化石的孢粉分析可用來(lái)重建缺少湖泊和泥炭沼的地方如干旱半干旱地區(qū)的古植被構(gòu)造組成，rtezadjaali(2022)對(duì)洞穴地層中含有孢粉的動(dòng)物糞化石分析發(fā)現(xiàn)含有郁金香、菊科等植物花粉，證明伊朗turanian區(qū)早在70萬(wàn)年前是具有非常豐富的動(dòng)植物資源的大草原。43硅酸體分析植物硅酸體是沉淀在植物細(xì)胞中的微小硅質(zhì)體。

14、由于土壤、水分、氣候條件和植物細(xì)胞構(gòu)造的不同，形成的植物硅酸體具有可區(qū)分的特征，如和植物的植硅石存在明顯差異，硅酸體中氧同位素的比值00還可估算古代的氣候溫度(danabanes，201liadriangparker，2022)。植物硅酸體作為一種重要的生物指標(biāo)，在近年考古中得到了很大的開(kāi)展，如veraniaeslski(2022)分析了來(lái)自巴西南部海岸的薩姆巴凱貝殼堆4個(gè)遺址中的53顆牙齒的微體化石，對(duì)淀粉粒和植硅石分析證實(shí)sabaqui人曾食用薯蕷和狹葉南洋杉，并推測(cè)阿魯姆天南星科植物、甘薯和玉米可能也在他們的飲食構(gòu)造中。44淀粉粒分析淀粉粒是由植物通過(guò)光合作用產(chǎn)生的一種次生代謝產(chǎn)物，是葡

15、萄糖的聚合物。由于不同種屬來(lái)源的淀粉粒形態(tài)各異，所以具有一定的分類學(xué)意義，用于鑒定植物殘留物的來(lái)源，并借此推斷古人對(duì)植物的利用、器物的功能以及食物加工技術(shù)等。考古淀粉顆粒分析的來(lái)源之一是牙結(jié)石，牙結(jié)石中的淀粉粒保存較好，從牙結(jié)石提取出的淀粉粒可以直接表達(dá)人類或動(dòng)物對(duì)淀粉類食物的利用(karenhardy，2022)。對(duì)古代淀粉粒分析主要是通過(guò)理化手段對(duì)淀粉粒提娶鑒別，樣品標(biāo)本制備后鏡檢，并與建立的標(biāo)本庫(kù)比照。6lbhelenabyadjia(2022)采用牙科清洗技術(shù)從古人類牙齒中別離出淀粉粒和硅酸體，但該方法利用hl清洗樣品，對(duì)珍貴的化石遺骸造成了損害。atthiaskuera(2022)利用顯微鏡對(duì)清洗過(guò)的牙齒分析發(fā)現(xiàn)外表構(gòu)造被嚴(yán)重破壞，因此將來(lái)人們將會(huì)尋求近無(wú)損的技術(shù)如超聲別離來(lái)替代檢材。5結(jié)語(yǔ)與展望21世紀(jì)伴隨著生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、地質(zhì)計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的開(kāi)展、交融，將會(huì)使得考古技術(shù)不斷成熟，一些物理化學(xué)與分析化學(xué)相結(jié)合的技術(shù)、物理與計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的技術(shù)將會(huì)使得理化分析技術(shù)在考古技術(shù)不斷創(chuàng)新，更好地為生物考古效勞。參考文獻(xiàn)1】urphy，s，gaither，gyhea，eeta1vileneandeapn-relatedtrauaatpuruhu-huaquernes，perujaeifanjur-nalfphysialanthr