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现代黍、粟稃片表皮长细胞植硅体形态

  最近,中国科学院地质与地球物理研究所吕厚远课题组在国家杰出青年科学基金、中科院百人计划等项目资助下,与美国路易斯安那州立大学、中国科学院研究生院、中国社会科学院考古研究所、河北省武安市磁山文化博物馆、中国科学院地理科学与资源研究所等专家合作,分别在《公共科学图书馆·综合》(PLoS ONE)和《美国科学院院刊》(PNAS)上发表了利用植硅体形态鉴别粟(谷子)和黍(糜子,稷)的新方法,以及利用新的研究方法在我国河北武安磁山新石器遗址农业考古研究中获得的重大进展。

  吕厚远课题组通过对磁山遗址窖穴中的47个植物灰化样品的植硅体分析,结合9个用灰化粮食遗存测定的碳14年代结果,发现在距今约10300~8700年的样品中,全部是黍的植硅体,而在距今约8700~7500年期间,开始出现少量粟的植硅体,但粟的含量一直没有超过3%,依然是以黍为主。同时,将现代黍、粟样品和考古样品的分子生物学成分进行对比分析,也证明磁山遗址的农作物主要是黍,说明在中国北方半干旱区,距今约10000年前就已经驯化出世界上古老的黍旱作农作物;说明磁山遗址不仅可能是世界粟的发祥地,更可能是黍的起源地。

  难以辨别的植物遗存

  粟和黍都是东亚半干旱—半湿润区最古老的旱作农作物,也是小麦、水稻在该区广泛传播以前古代人类最重要的食物;粟黍的驯化、栽培对人类文明起源、特别是对中华民族文明发展进程产生过重大的影响。粟和黍至今仍然是我国北方特别是西北干旱—半干旱区经常种植的粮食作物,也是气候干旱背景下重要战略作物资源。长期以来,有关粟、黍是如何起源的,在什么地点、什么时间起源等问题,吸引了诸多学者的研究目光。

  磁山是中国北方重要的新石器早期遗址,我国考古学工作者自上世纪70年代以来,多次对该遗址进行了深入细致的发掘工作,出土了异常丰富的陶器、石器、植物及动物骨骼遗存。磁山遗址的文化面貌十分独特,特别是早期发掘的88个窖穴中,考古工作者发掘出100多立方米腐朽的粮食,估计有10万多斤。

  但是,由于磁山遗址腐朽的粮食颗粒暴露到空气中后迅速灰化,保存十分困难,最终只剩下连颗粒外形也无法辨认的像粉末状一样的灰化土。没有完整谷粒保存,使鉴定工作变得非常困难,尽管当时尝试了许多办法,也没有明确结论,根据发掘现场看到的颗粒形状,认为可能是粟。后来利用灰像法对标本进行了鉴定,发现有粟的痕迹,但没有提供相关的鉴定证据。由于当时国际上对鉴定腐朽灰化的粟、黍粉末样品还没有可靠的方法,磁山遗址窖穴中的遗存是否是粟,长期以来没有得到国际学术界和国内部分学者的认可。

  因此,研究者必须首先找到可以有效鉴定这些植物遗存的方法。“由于缺少对腐朽灰化的黍、粟粮食的准确鉴定方法,才使得磁山遗址,这个作为解开中国北方黍、粟驯化和旱作农业起源之谜的关键地区之一的植物考古学研究工作一直没有进展。”吕厚远说,“粟、黍颗粒较小,形态相似,不像水稻、小麦容易发现和识别,特别是在早期的新石器考古遗址中,粟、黍颗粒多腐朽灰化成粉末。如何鉴定腐朽灰化成土的粟、黍样品,国际学术界尝试过许多方法,但没有找到准确的区分方法。”

  植硅体鉴定方法学的突破

  吕厚远课题组选择植硅体作为研究的突破口。

  “植硅体是一种在植物生长过程中充填到植物细胞中的二氧化硅矿物,不同植物细胞中植硅体的形态不一样,当植物死亡、腐烂以后,坚硬的植硅体可以保存下来,利用某些植硅体的特殊形态,可以比较精确地对部分植物进行分类和鉴定。”吕厚远解释说。而植硅体研究作为一门新的微体生物化石学科,近年来逐渐被应用于古气候、古环境、农业考古等研究领域。

  吕厚远课题组通过对现代粟、黍农作物和亲缘关系密切的野生草类植物小穗颖片、内外稃片不同部位、不同细胞层的植硅体分析,建立了鉴定粟、黍植硅体的5种鉴定标准。“其实,实验工作就是要细心,用解剖针先将2~3毫米大小的谷子或黍子的颖片、内外稃片都剥离开,再分别去除有机质,然后在显微镜下观察各自的植硅体形态特征,反复检验,用了两年多的时间。”吕厚远认为自己的工作并不是特别有创造性。

  不过,《公共科学图书馆·综合》(PLoS ONE)的审稿专家并不这样认为。他们指出,这项工作为解决欧亚大陆粟、黍旱作农业起源、传播等许多长期未决的问题提供了可靠的研究手段,这一成果不仅仅是在粟、黍植硅体鉴定标准上取得了突破,其研究方法还可以推广到小麦、大麦等其他农作物的植硅体鉴定中。论文发表后,被PLoS网站评价为是PLoS七种系列刊物已经发表的与考古有关的论文中最有意义的创新性成果。

  世界旱作农业起源认识的一次重要修订

  利用上述新方法,吕厚远课题组完成了对河北磁山新石器遗址窖穴中腐朽灰化植物遗存的研究。通过对5个窖穴46个灰化样品和1个磁山博物馆馆藏灰化样品植硅体的系统分析,结合不同实验室9个碳14年代学测定结果,吕厚远课题组发现,距今约10000~8700年前,磁山遗址保存的农作物是黍,粟则在距今约8700到7500年期间少量出现。同时,将现代黍、粟和考古样品的分子生物学成分进行了对比分析,同样说明磁山遗址的农作物主要是黍。这项研究把东亚旱作农业起源的时间改写到10000年以前,说明中国北方旱作农业起源的时间发生在更新世与全新世之交,这一时间与西亚、墨西哥和南美洲农业起源的时间近似。磁山遗址不仅可能是世界粟的发祥地,更可能是黍的起源地,也为认识我国北方新石器早期文化演化提供了新视野。

  加拿大多伦多大学的Gary W. Crawford教授,为吕厚远在《美国科学院院刊》(PNAS)上发表的成果撰写了亮点评论。Crawford认为,磁山遗址新的研究结果是对世界农业起源认识的一次重要修订,其长达3000年的粮食生产时间在世界范围内也只有两河流域的叙利亚的Abu Hureyra遗址能够与之相比。Crawford指出,新的证据已经使中国北方农业发展的脉络逐渐清晰起来。

  吕厚远说:“通过对现代黍、粟生长环境和我国北方全新世古环境的分析,早全新世相对干凉的气候环境可能更适合黍的驯化和栽培。”在约1.5万年前全球气候从寒冷的冰期向温暖的全新世转化过程中,世界各地的史前人类根据不同地区的气候环境条件,选择了不同的植物进行驯化。这项研究说明:在东亚地区的黄河流域,在几乎和两河文化同样古老的年代,受雨热同期的东亚季风气候影响,居住在磁山的古人可能先后独立驯化了黍和粟,发展了以黍和粟为主的旱作农业,成为东亚古代人类文明的重要发源地之一。

  吕厚远解释说:“课题组成员来自不同的学科背景,是大家共同努力的结果,李玉梅教授做了大量的分子生物学实验,进一步验证了植硅体的分析结果,周昆叔研究员、叶茂林研究员和磁山博物馆的同志在野外一起观察讨论地层关系,张健平博士做了大量的实验室分析工作。目前分析的5个窖穴相对埋葬丰富的磁山遗址显得少了,如果将来有机会结合考古学家的大面积发掘进行研究,许多问题还可以作深入的研究。”

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channelId 1 1 黍是东亚最早被驯化的旱作农作物 1 吕厚远课题组通过对磁山遗址窖穴中的47个植物灰化样品的植硅体分析,结合9个用灰化粮食遗存测定的碳14年代结果,发现在距今约10300~8700年的样品中,全部是黍的植硅体。