碳氏家族的兄弟主要有3個(gè)，碳十二、碳十三和碳十四。它們?cè)谧匀唤缰械呢S度分布分別是碳十二約占98.9%，碳十三約占1.1%，碳十四約占10-10%。而恰恰是后兩者豐度較低的碳同位素，成為考古學(xué)研究中的“示蹤劑”，受到世人的關(guān)注。我院考古所碳十四實(shí)驗(yàn)室從事的正是通過碳十四、碳十三這樣兩個(gè)碳氏家族成員的分析來(lái)探討人類的過去。
首先介紹一下碳十四。碳十四又被稱作人類的放射性時(shí)鐘。之所以有此，在于它的紀(jì)年特性。碳十四是一種放射性同位素，半衰期為5730年。也就是說(shuō)每過5730年，其數(shù)量就衰減一半。它由宇宙中子射線與大氣中的氮反應(yīng)而生成。生成的碳十四與氧作用生成二氧化碳，隨氣流流動(dòng)使其分布均勻，然后進(jìn)入水圈、巖石圈、生物圈等。進(jìn)入生物圈中的含有碳十四的二氧化碳通過光合作用進(jìn)入植物體，之后再通過食物鏈吸收進(jìn)入人類或動(dòng)物體中。在這樣一個(gè)不斷產(chǎn)生、不斷吸收、不斷衰變的過程中，生物體中的碳十四與大氣之間總是處于一個(gè)交換平衡狀態(tài)。當(dāng)生物死亡后，交換過程停止了，其體內(nèi)碳十四隨時(shí)間衰變，越來(lái)越少。這樣，我們通過對(duì)殘余碳十四水平的檢測(cè)，就可得到其死亡年代。這就是碳十四測(cè)年的原理。
碳十四測(cè)年方法是在上世紀(jì)40年代末由美國(guó)科學(xué)家利貝創(chuàng)建的。50年代末，在著名考古學(xué)家夏鼐先生的親自關(guān)懷和支持下，原在中科院高能物理研究所工作的仇士華和蔡蓮珍兩位先生調(diào)入考古所，開始從事碳十四實(shí)驗(yàn)室的建立工作。在設(shè)備和資金都比較匱乏的情況下，兩位先生白手起家，僅憑著夏鼐先生從國(guó)外帶回的一本英文資料，自力更生、因陋就簡(jiǎn)，經(jīng)過幾年的努力，建起了國(guó)內(nèi)第一個(gè)碳十四實(shí)驗(yàn)室。隨后中科院地質(zhì)所、北京大學(xué)等碳十四實(shí)驗(yàn)室也相繼建立，有力地推動(dòng)了碳十四測(cè)年方法在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展。截至上世紀(jì)90年代，應(yīng)用于文物考古領(lǐng)域中的碳十四測(cè)年數(shù)據(jù)已達(dá)兩千余個(gè)，建立了舊石器晚期以來(lái)的史前考古學(xué)年代序列，為考古、文物研究提供了依據(jù)。
1996年，建國(guó)以來(lái)歷史科學(xué)領(lǐng)域中規(guī)模最大的科學(xué)研究項(xiàng)目———夏商周斷代工程啟動(dòng)，考古所碳十四實(shí)驗(yàn)室成為該工程測(cè)年研究中的主要實(shí)驗(yàn)室。在工程測(cè)年研究首席科學(xué)家仇士華先生的帶領(lǐng)下，通過對(duì)90年代國(guó)際碳十四領(lǐng)域啟用的新的碳十四測(cè)年研究方法———高精度系列樣品法的研究與應(yīng)用，解決了以往碳十四年代校正到日歷年代后誤差較大而難以參與進(jìn)入歷史時(shí)期年代研究的問題;與考古學(xué)研究密切配合完成的系列樣品法的研究包括琉璃河西周墓葬系列、殷墟晚商系列、陜西長(zhǎng)安馬王村H18先周-西周地層系列、鄭州商城和偃師商城系列、二里頭系列等，建立了夏商周碳十四年代主體框架，為工程的最終目標(biāo)———夏商周三代年表的建立提供了依據(jù)。夏商周斷代工程的成就引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和好評(píng)，2001年被評(píng)為全國(guó)十大科技成就之一。
進(jìn)入新世紀(jì)后，實(shí)驗(yàn)室首先面對(duì)的是石灰?guī)r地區(qū)的年代學(xué)研究重任———甑皮巖遺址年代研究。甑皮巖遺址地處廣西桂林，是典型的石灰?guī)r地區(qū)。而石灰?guī)r地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)成環(huán)境嚴(yán)重影響了碳十四年代標(biāo)本的碳十四水平，使其年代明顯偏老。因而這也成為國(guó)際碳十四領(lǐng)域中的難題。實(shí)驗(yàn)室在80年代前人研究的基礎(chǔ)上，通過實(shí)地考察與實(shí)驗(yàn)研究，采集考古標(biāo)本和現(xiàn)代標(biāo)本進(jìn)行分析與測(cè)試，通過對(duì)大氣碳十四水平變化的考察與比較，最終建立了甑皮巖遺址年代學(xué)序列，為石灰?guī)r地區(qū)年代研究樹立了一把標(biāo)尺。實(shí)驗(yàn)室的另一項(xiàng)主要工作是在配合古代文明探源研究中承擔(dān)了常規(guī)碳十四測(cè)年任務(wù)，在夏商周斷代工程測(cè)年研究的基礎(chǔ)上應(yīng)用系列樣品法，去追溯祖先更為久遠(yuǎn)的足跡，為探討古代文明的發(fā)生、發(fā)展及其演變提供年代學(xué)上有力的依據(jù)。
碳的另一同位素碳十三是穩(wěn)定同位素，考古學(xué)界對(duì)碳十三的認(rèn)識(shí)最初是源于對(duì)于碳十四年代的校正。生物體中存在著分餾效應(yīng)，即化學(xué)性質(zhì)相同而原子質(zhì)量不同的同位素在參與各種化學(xué)或生理變化過程中，由于活潑程度不同，使反應(yīng)前后的同位素組成發(fā)生改變。這種分餾效應(yīng)使得生物體內(nèi)的碳十四水平與大氣之間產(chǎn)生偏離，而碳十三變化與碳十四變化之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且碳十三比值可以通過質(zhì)譜測(cè)量得到，因而要通過碳十三分析對(duì)碳十四的年代進(jìn)行校正。當(dāng)上世紀(jì)60年代初科學(xué)家利貝捧回碳十四測(cè)年方法的諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)，緊接著在第二年美國(guó)的另一位科學(xué)家卡爾文由于碳十三光合作用途徑的研究也獲得了同樣的殊榮。而誰(shuí)也沒料到的是，多年之后兩種方法又不約而同地走到了一起，共同承擔(dān)起考古學(xué)研究的重任。因?yàn)楣湃祟愂澄锝Y(jié)構(gòu)研究中的主食分析依據(jù)的正是光合作用途徑的研究。
近兩年實(shí)驗(yàn)室在配合考古發(fā)掘工作中對(duì)于山東教場(chǎng)鋪、青海喇家等史前遺址進(jìn)行了人骨分析，獲得了一些新的信息，成為以往研究中的補(bǔ)充。如教場(chǎng)鋪遺址，考古學(xué)家在發(fā)掘中發(fā)現(xiàn)了小米和稻米，但據(jù)此難以判斷當(dāng)時(shí)這里的人是怎樣的主食狀況。通過遺址中10例人骨的碳十三分析可以看出，其主食中C4類植物平均值為96%，也即人們主食中的小米成分是相當(dāng)大的。通過取遺址人骨分析，得知喇家遺址人的主食中小米類占100%。由此可以推斷距今4000千年左右的喇家栽培農(nóng)業(yè)已占了相當(dāng)大的比重。
關(guān)于氮同位素，是指氮十五的分析與應(yīng)用。氮十五也是古人類食物結(jié)構(gòu)研究中的重要元素，它所表征的內(nèi)容與碳十三是互補(bǔ)的，反映人類食物組成中蛋白質(zhì)的攝入程度。通常食肉較多的人較之僅是依靠植物類生存的人其體內(nèi)氮十五比值明顯偏高，而食魚較多的人，體內(nèi)氮十五的比值會(huì)更高。一般食物鏈越長(zhǎng)，其氮十五比值就越高，它反映了營(yíng)養(yǎng)級(jí)的高低。氮十五分析用于古人類食物結(jié)構(gòu)研究，國(guó)外是在上世紀(jì)70年代后逐漸開展起來(lái)的。由于氮本身的特性，與碳十三相比其分析難度要大得多，因之國(guó)內(nèi)的研究起步較晚。2001年后，考古所碳十四實(shí)驗(yàn)室通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)與研究，應(yīng)用元素分析儀收集純凈氮?dú)猥@得成功，建立了氮十五分析方法，這在國(guó)內(nèi)尚屬首次，這樣就使整個(gè)碳十三、氮十五分析方法得到完善。應(yīng)用這一分析方法對(duì)山東長(zhǎng)島、新疆焉不拉克、內(nèi)蒙興隆洼、河姆渡、殷墟、甘肅玉門火燒溝、河南二里頭、山西陶寺等遺址的人骨進(jìn)行分析，獲得了來(lái)自食用者本身的直接信息，為考古學(xué)關(guān)于人類食物狀況方面的探討與研究提供了有意義的證據(jù)。
人類吃什么不僅與當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境狀況密切相關(guān)，而且反映了當(dāng)時(shí)的社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展水平，人們的社會(huì)文化風(fēng)俗等，因而該項(xiàng)研究工作多年來(lái)一直為國(guó)際科技考古界的熱點(diǎn)。隨著這項(xiàng)工作在我國(guó)的開展與深入，今后必將會(huì)有更多新的東西向世人展現(xiàn)，并且也會(huì)給相關(guān)研究帶來(lái)新的切入點(diǎn)。
來(lái)源：中國(guó)社會(huì)科學(xué)院院報(bào)
