道县发现:47枚牙齿的故事

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  • 考古队员在湖南道县的福岩洞内初步筛选化石,之后再到洞外对其进行水洗细选
    道县福岩洞发掘的47 枚早期现代人牙齿化石

    多年以来,刘武、吴秀杰和他们在中科院古脊椎动物与古人类研究所的同事们,都在苦苦寻求着有关东亚现代人起源的证据。这里所说的现代人,也可以称为晚期智人,他们的骨骼和牙齿特征已和今天的人类非常相似。

    我们究竟从哪里来?人类对自身历史的认识其实相当晚近。直到18世纪,一般人还认为人类只有几千年的历史,而在17世纪初,爱尔兰阿尔马区大主教厄谢尔(James Ussher)根据对《圣经》的严格分析,将创世纪的日期定在公元前4004年。1865年,在德国杜塞尔多夫附近的尼安德(Neander)河谷采石场偶然发现的一块人类头骨,才使人们意识到,早在远古时代就存在与我们不同的人类。而随后在非洲的一系列重要考古发现,将人类的历史提前到几百万年前,在所有人类的祖先南方古猿中,最著名的莫属1974年在东非发现距今320万年的露西。据说,发现她时,科学家的营地上正播放着《在镶着钻石的天空中的露西》这首歌曲。被考古发现所催生出的人类学,根据脑容量与所使用的工具,将人类分为南方古猿、能人、直立人、智人几个阶段。

    学界对人类的起源与最初扩散并无太多分歧,他们大致描述的情景是,起源于700万~600万年前非洲中北部的撒海尔人乍得种,在大约200万年前直立人出现,从中东向东南亚的爪哇不断迁徙扩散,并在此后几十万年的时间里,占据了整个旧大陆。争议的焦点是现代人的起源问题,论辩双方为“走出非洲说”和“多地区进化说”。前者认为,现代人类源于20万~10万年前非洲的第二次迁徙,走出非洲的现代人完全取代了其他地区的古人类。“多地区进化说”则认为,现代人类的几大人种是由早先从非洲扩散至不同大陆上的古人类独立、连续地进化而成。刘武的老师、中科院院士吴新智正是“多地区进化说”的代表人物之一。

    支撑这一学说的直接证据,来自各个地区所保存的从古人类各个阶段直到现代人的化石记录。然而在这些化石记录中,尚缺乏其中的关键环节,在1997年的一篇论文里,刘武也坦率地指出:“必须承认目前蒙古人种(东亚现代人)连续进化理论还缺乏距今10万年到5万年前的人类化石证据,对现有的化石材料尚需进行更为精确的年代测定。”

    此后将近20年里,刘武一直在寻找着论据链条中所缺失的那一环,从2011年首次挖掘,直至2015年10月15日研究结论在《Nature》杂志正式披露,在湖南永州道县乐福堂镇塘碑村福岩洞里发现测年约为12万~8万年前的47枚人类牙齿,成为充实证据的关键。接受采访时,刘武的态度显得兴奋而谨慎:“我们这次发现最大的意义,是发现了‘fully modern’(完全现代)的现代人,虽然还没有直接触及现代人是否起源于非洲的问题,但结合道县以及这么多年国内化石的发现,一个比较合理的推测是,中国乃至东亚人从当地起源的可能性更大一些。”

    发现牙齿还要靠运气

    2011年9月,由中科院古脊椎动物与古人类研究所、湖南省文物考古研究所、道县文物管理局组成的联合考古队开始在福岩洞的第一次正式挖掘。湖南省文物考古研究所的李意愿当时还是在读博士,他的导师袁家荣因为在1993、1995年两次主持发掘道县玉蟾岩遗址,发现目前世界上最早的陶片和水稻而蜚声学界。

    玉蟾岩距离福岩洞仅6公里,同时出土的大量旧石器向新石器过渡的文化遗物,也表明湖南道县确是古人类活动频繁的区域。事实上,包括湖南、广西、贵州、广东在内拥有众多喀斯特岩溶(溶洞)地貌的华南地区,为古人类提供了生存繁衍的极佳场所,近年来在这些地区不断发现的人类化石也证明了这一点。1992~2005年,中科院古脊椎动物与古人类研究所的研究员黄慰文等人在贵州省盘县大洞发现4枚人类牙齿化石,这些测年为30万~13万年前的牙齿,古老与现代特征并存。2007~2008年,刘武的同事金昌柱带领的考古队在广西崇左木榄山智人洞发现一件古人类下颌骨前部残端和两枚牙齿,年代测定为距今11.3万~10万年前,智人洞的发现具有明显现代人的特点,但仍呈现进步与古老并存的混合特点。

    与华南其他地区相比,湖南的特点在于处于喀斯特地貌发展末期,洞穴发育完全。促使考古队选择福岩洞的原因还在于,早在1984年10月,全国第二次文物普查期间,上述三级考古队就曾在这里进行过摸查与挖掘,并发现一些哺乳动物化石。为求稳妥,2010年10月,考古队还去踩了点,再次发现大熊猫、野猪、猕猴、鼠类、长臂猿等动物牙齿化石。

    回忆起几年前的那次考古,李意愿现在仍很兴奋。起初大家定了很高的目标:发现古人类头盖骨、肢骨以及他们使用的石器工具。为此,考古队成员的组合也堪称梦幻:中科院古脊椎动物与古人类研究所的刘武和吴秀杰负责人类骨骼、牙齿化石的研究;来自同一单位的同号文和裴树文分别负责哺乳动物化石与地质、地貌研究;李意愿负责石器方面的研究;来自中科院地球环境研究所的蔡演军主要负责测年;道县文物局副局长杨雄心,则主要负责与各方面的联络及协调。

    杨雄心联系当地村委会,拉了一条100多米长的电线进洞,又雇用了4个民工,两人负责洞内挖掘,两人负责化石淘洗,考古队的挖掘工作就这样开始了。

    进洞后,大家首先选取了几个堆积好、地形宽敞的地方布方。所谓“布方”,就是设置考古挖掘的基本工作单位。可是挖了十几天,结果并不理想,除了大量动物化石,并没有发现丝毫人们期待中的人类化石或石器。距离考古计划已近过半,大家开始动摇,有了转点的想法。就在这时,“半路出家”的杨雄心建议大家去Ⅰ区右边一个狭窄的支洞挖掘,因为那里虽然不利于布方,但看起来更加干燥,而且堆积保存很好。

    半信半疑之下,领队吴秀杰决定让大家在那里试试。没想到在第二天快中午的时候,就发现了第一枚牙齿。刚发现时,大家还不敢确定是不是人类牙齿,拿给吴秀杰一看,她激动地说:“没错,这是人牙!”这些牙齿与现代人的几乎没有区别,队员们的心里有些打鼓,因为发现第一颗牙齿时没有太在意层位,仍不敢确定是否为古人的化石。

    在后面的挖掘中,大家非常注意牙齿发现的层位,随即发现的另外4枚牙齿打消了大家的疑虑。福岩洞的地层保存完好,分为清晰的四层。第一层是灰白色的碳酸盐钙板层,厚约10厘米左右;第二层为黄褐色的黏土堆积层,厚30多厘米;第三层为砾石堆积层,厚80多厘米;第四层是灰黄色的粉砂黏土层,厚度超过1米。发现人类牙齿的地层是第二层。

    发现牙齿后,蔡演军从西安赶了过来,做了最初的取样测试。2011年时,根据最初的年代上限的取样测试,牙齿年份初步判断不老于14万年。

    2012、2013年秋天,考古队又接连进行了两次挖掘,每次发掘的问题意识都很清晰,一方面为了寻找更多的人类化石,另一方面也要在测年方面做进一步的研究与判断。2012年,考古队又挖出来20多枚人类牙齿,加上2013年的发现,三年总共发掘47枚人类牙齿。在论文发表前的此后两年,大规模挖掘的意义已经不大,考古队除了少量的取样工作,将更多的精力放在化石的研究与分析上面。

    李意愿感到有些遗憾的是,他们最终没有在洞里发现人类其他部位的骨骼化石和他们使用的石器。随着对洞穴地质与环境的不断了解,这样的结果似乎也在情理之中,与其他洞穴相比,福岩洞比较特殊,这里并不是古人生活、死后埋藏的地方,牙齿化石更可能是在人死之后,通过水流搬运进洞,不断沉积而成,搬运过程中,其他部位的骨骼可能已经腐烂掉了。

    福岩洞所在区域景观
    福岩洞后山北洞口的一个发掘现场

    惊喜来自测年数据的不断更新,每次发现牙齿后,蔡演军都要从西安飞到桂林,然后再坐长途汽车来到这里取样。正是在2014年最后一次取到满意的样品后,蔡演军将牙齿化石的年份定在12万~8万年前,这样一来,发现的意义便大不相同了。

    铀系测年法

    “我的任务很简单,就是采一些样品,帮助他们测年。”尽管蔡演军非常谦逊,但谁都知道,决定一次人类化石考古的意义如何,往往在于所得到的比较可信的测年数据。

    人类化石的测年极其复杂,随着各个学科的发展,测年的方法也日趋丰富和先进。“非洲起源说”的重要证据,正是来自分子人类学的研究成果。1987年,美国加州大学伯克利分校的生物化学家阿伦·威尔逊和他的研究小组,分析了来自亚洲、欧洲、非洲、新几内亚以及澳洲土著在内182人的线粒体DNA。线粒体位于细胞核与细胞膜之间的细胞液中,每个线粒体含有一条或多条携带人类遗传特征的DNA链,只能由母亲传给孩子。观察不同人群线粒体中DNA的突变情况,威尔逊绘制出了线粒体DNA的系统树,其根部出现在非洲,时间约距今20万年。对此威尔逊诙谐地说:“我们也许可以将这位幸运的女性称为夏娃,她的世系一直延续至今。”这一著名的“线粒体夏娃”学说,也招致了一些批评,因为重建谱系图有很多种方法和很多可能的不同结果。

    而热释光法和电子回旋共振法,则在确定非洲和西亚一些更新世晚期(约12万~1万年前)的人类化石年代方面发挥了重要作用。在以色列斯库尔(Skhul)和卡夫扎(Qafzeh)发现的人类化石,在20世纪80年代中期前被测定为距今约6万年前,近年来根据上述两种方法,其测年被提前至距今12万~8万年前。

    热释光法和光释光法,更适合测定在高温或光照暴露之后再被埋藏起来的化石。对于南方喀斯特地貌的岩溶洞来说,铀系测年法是最好的办法。铀系测年法的原理与碳14法类似,都利用了自然界中同位素原子衰变过程中的半衰期测年。蔡演军在此次道县的测年中,采用了230Th -234U不平衡铀系法测年,他进一步解释道,铀的衰变是一个多衰变而且不平衡的过程,由于半衰期比较长,可以测距今数十万年的年代。“238U像一个非常大的水库,往下流水到234U的水池,再往下流到230Th的水池。234U的半衰期为24.56万年,230Th的半衰期为7.56万年,碳酸盐开始沉积时,不含230Th和234U,我们可以测定碳酸盐样品中238U、234U和230Th等的含量,进而计算经过了多少年。”

    蔡演军的方法是在发现人类牙齿的第二层上面的钙板层和下方的砾石层,寻找到满足测试的碳酸盐样品,以此卡住牙齿化石的年代范围,因为堆积层越往下年代越老,越往上则年代越轻。

    样品的选择是测年的关键。每挖掘出一个新鲜面,蔡演军都要去挑选适合测量的样品。碳酸盐样品的纯度越高,含铀量越高,测年越准确,误差最低可达到千分之五。

    符合要求的样品并不好找,蔡演军先后在第二层和第三层找到9块次生碳酸盐碎屑样品,它们的年代从12万年到大于50万年前不等,从而提供了化石不老于12万年的数据。然而,确定化石最年轻年龄的样品却一直没有进展,直到在2014年的一次取样中,蔡演军才找到了一个生长在第一层上的小石笋,这个小石笋的两个年代确定了牙齿化石老于8万年。至此,牙齿的年代范围才终于被卡定在12万~8万年前。

    “fully modern”的东亚人

    测年结果的确定,意味着这47颗人类牙齿化石,是迄今为止在东亚地区发现的最早的现代人化石。这一时间,比现代人在西亚和欧洲出现的时间至少提前了3.5万~7.5万年。

    据吴秀杰介绍,迄今为止,在亚洲和太平洋地区发现的早于4.5万年前年代确定、保存良好,而且可以将其明确归入更新世晚期的现代人极少。此前在中国华北田园洞、南亚尼阿洞以及澳大利亚蒙哥湖发现的现代人化石均在5万~4万年前,让刘武激动的是,与此前在广西崇左智人洞发现的测年为11万年前的化石相比,此次发现的人类牙齿化石是“fully modern”的,具备完全现代形态人类的典型特点。

    事实上,学界对从古老向现代转变的早期现代人,尚未形成统一判断标准。一般来说,人们会把一些现代人才具备的人类特征作为判断依据。刘武举了几个例子:“比如下颌骨的形态,现代人的下颌联合中间部分的角度成直角或大于直角,而更古老的人类如北京猿人的下颌骨角度是倾斜的。再比如,北京猿人的头骨是低平的,现代人则呈隆起。”

    从牙齿判断现代人的特征,则相对容易。刘武称,早期人类的牙齿很粗壮很原始,有许多复杂的内部结构与纹路特征,尺寸也比较大,而此次在道县发现的47颗牙齿,尺寸明显小于欧洲、非洲和亚洲更新世中晚期人类,具备简单的咬合面和齿冠侧面形态、短而纤细的齿根等典型现代人特点。“与广西崇左智人洞的发现相比,更现代了,我们可以说又前进了一步。”

    刘武将此次发现的意义总结为以下几点:首先,在华南地区发现东亚最早的现代人牙齿化石,说明这里可能是东亚现代人起源、演化、扩散的中心;其次,对比同处更新世晚期的华北地区比如许家窑等地发现的人类化石,道县发现的人类化石形态则比较现代,说明人类演化的不同步,以及中国古人从华南向华北扩散的可能;此外,在刘武看来,尽管47枚牙齿还不足以完全推翻现代人均源于非洲的判断,但结合国内近年来人类化石的发现,中国从直立人到现代人进化链条上的人类化石无疑越来越丰富,当地起源的可能性也变得更大。

    对于47颗牙齿的重大意义,不少学者也做出了自己的解读。德国马普所考古遗传学系、美国哈佛大学医学院遗传学系博士后王传超在一篇文章中,做出几种可能的解释:一是“多地区进化说”,中国乃至东亚古人类是连续进化的,但这一论断尚需更多不同时间尺度的化石证据支持;二是现代人从非洲起源,但分子生物学的时间估算过于晚近,其实在非洲演化出的现代人在十几万前已到达东亚,因为分子钟基于突变率,如何得到非常准确的突变率至今仍很困难。此外,尚不确定这些早期到达东亚的现代人对我们是否有以及有多少基因贡献。无疑,这些推测还需要生物分子学方面的进一步研究与判断。

    论文发表后所引起的热烈关注与探讨,在刘武看来,无疑会极大推动他们对于人类起源演化问题的深入研究。而在道县的发掘与研究告一段落后,刘武和他的团队在2014年便转战安徽省东至县,在那里,一个直立人的化石地点,更多的发现正等待他们续写新的故事。

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