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體視顯微鏡在考古學中的應用

2013-10-16  發布者:admin 

體視顯微鏡在考古學中的應用
  研究人員通過對骨骼表麵痕跡進行三維掃描,製作出痕跡三維數字模型,並使用體視顯微鏡實現對痕跡的多視角觀察、測量並進行正投影等技術分析,從而建立一種新的實驗考古學方法。
  古人類在演化的過程中,為生存和適應環境,發生了腦量增加、身體機能及形態大小改變等生物學特征的變化;同時,其行為模式也經曆了一係列演化,包括製造與使用工具、用火、狩獵等在內的行為模式,反映人類對生存環境的行為適應。而獲取動物性肉質蛋白是促進古人類演化進步的最重要的適應性特征之一。這種行為特征一般是通過狩獵、宰殺和敲骨吸髓等肉食行為完成的。因此,在古人類遺址發現的動物骨骼中,一般都保留有人類演化過程中行為模式的豐富信息。如何有效地獲取這些遺存的動物骨骼中蘊涵的大量信息也就成為了一個重要的科學問題。但是,目前國內外學者對古人類遺址動物骨骼表麵的痕跡研究所使用的方法均存在一定的缺陷。
  在國家自然科學基金以及中科院知識創新工程重要方向項目等的資助下,重慶師範大學教授武仙竹與中科院古脊椎動物與古人類研究所副研究員裴樹文、吳秀傑等通過製作痕跡三維數字模型,對骨骼表麵痕跡進行多視角觀察和測量,並對其使用等值線分析技術,實現了對骨骼表麵痕跡從平麵到立體、從靜態到動態、從簡單數據測量到任意數據測量的研究,從而有效地分析痕跡性質(痕跡產生原因),以及產生痕跡的工具類型、刃口形狀、工具運動方式、工具微磨損形態等。該研究是人們首次對古人類戳刺性痕跡現象進行專業技術分析,而通過三維數字模型技術研究痕跡現象的方法,同樣是一種技術創新。相關論文發表在新近出版的《科學通報》第54卷第12期上。
  信息提取方法期待突破
  “古人類遺址中埋藏的動物骨骼化石與古人類活動密切相關。”武仙竹介紹道,“古人類遺址中的動物種類組成、骨骼部位、骨骼破碎情況及骨骼表麵痕跡等,是研究古人類適應環境、食物選擇、獲取食物的方式以及工具使用等方麵的基本素材。”
  事實上,國內外對於古人類遺址骨骼表麵的人工痕跡的研究已經是碩果累累。西方學者通過對非洲、歐洲古人類遺址骨骼表麵的切割痕跡進行觀察,提出了痕跡鑒定的一些方法與標準,並就原始人類狩獵、屠宰行為和左右手使用習慣等展開了積極探索。而在西方學者根據骨骼化石表麵痕跡熱烈討論史前人類的行為、文化時,我國學者的相關研究也取得了一些非常寶貴的成果:如中科院古脊椎動物與古人類研究所研究員高星等人通過對三峽興隆洞遺址的研究,發現該遺址有人類最早有意識的刻畫作品。
  不過,國內外學者對古人類遺址動物骨骼表麵的痕跡研究,主要采用的還是肉眼、手持放大鏡、體視顯微鏡及電子顯微鏡等觀察方法。“這些方法皆有一定的作用,可以提取大量信息,但也都存在有一些局限性。”武仙竹說道,“如進行肉眼和手持放大鏡觀察時,對痕跡不能放大或放大倍數較小,滿足不了對痕跡微觀特征的分析,而且欠缺對觀察對象的圖像共享。使用體視顯微鏡和電子顯微鏡工作時,能夠對痕跡放大觀察,並且在配備攝像鏡頭等現代光學設備的前提下,可提供圖像資源共享。但它們所提取的信息主要反映痕跡平麵結構,在對痕跡的多視角觀察、測量和計算方麵不方便使用。由於現階段痕跡研究方法均有一定局限,所以,在由微觀痕跡特征(指痕跡運行方向、工具對痕跡底部與壁麵的改造、痕跡產生順序等方麵)分析人類行為與文化等問題時,學術界尚缺乏較一致的標準。”
  因此,在觀測技術和手段方麵采用新方法進一步提取骨骼表麵痕跡的信息,對於研究古人類行為特征及生活方式具有重要意義。
  打造全新實驗考古學方法
  三維數字模型技術,在中國科技考古領域已經有過成功應用的案例,有學者曾經將其用於先秦水稻植矽體和玉器工藝研究。武仙竹指出,三維模型方法在立體圖像建造和顯微觀測方麵具有良好作用;其對分析痕跡性質(痕跡產生原因),以及產生痕跡的工具類型、刃口形狀、工具運動方式、工具微磨損等方麵均有較好作用。
  武仙竹等人的研究就是想通過對骨骼表麵痕跡進行三維掃描,製作痕跡三維數字模型,並使用相關軟件對痕跡進行多視角(三維立體)觀察、測量並進行正投影等值線技術分析。從而建立一種新的實驗考古學方法,研究古人類的行為特征與生活方式。
  一片從湖北鄖西白龍洞古人類遺址出土的外表麵遺留有2處明顯凹痕的大型哺乳動物管狀骨骨片化石是武仙竹等人的研究樣本。由於該研究對象不同於一般的實驗標本,而是古人類遺留的珍貴文物,所以既要保證標本的完好,又要取得較高精度的數據,是實驗過程中較大的難點。武仙竹等采用精確的複製方法,以5微米的精度複製了該標本。
  第一步工作是確定這兩處凹痕是人工痕跡而非齧齒類和食肉類動物的啃咬痕跡。在立體、多視角狀態下觀測痕跡,並對其進行等值線特征分析後,武仙竹等準確認定凹痕為人工痕跡。
  人工痕跡可能由多種行為原因造成,如砍切、砸擊、摔擊、戳刺、刻畫、割鋸等。其行為方式有可能是孤立發生的一次性行為,也可能是有目的有規劃的連續性行為。那麽這兩處凹痕究竟是怎麽形成的呢?
  武仙竹等在研究中發現,該標本上的兩處凹痕是中更新世早期古人類遺留的戳刺性行為痕跡。這是我國首次以技術分析的方法,準確判斷出古人類使用尖刃工具對動物(骨骼)進行的戳刺性行為;也是我國發現的人類最早的戳刺性行為痕跡。“這是科學認識人類進化過程的新證據。”武仙竹強調。
  根據痕跡數字模型和等值線分析,武仙竹等還發現史前工具在每一次使用過程中均可觀察到較明顯的消耗現象,這為在研究中根據工具痕跡研究史前工具生產與工具使用提供了科學基礎。
  新型技術尚待進一步完善
  “切割、刻畫、砍擊、砸擊、戳刺等行為特征,反映著古人類思維意識、行為模式等方麵不同的進化特征。”武仙竹說道,“AG亚游集团對湖北白龍洞古人類遺址中這一寶貴的痕跡標本的成功研究完全得益於三維數字模型技術的應用,而三維數字模型這一全新技術在考古研究的應用,也將為考古界從人類遺留的微觀痕跡中研究人類進化過程、行為模式的變化過程等,提供切實可行的技術支撐。”
  不過,武仙竹強調指出,三維數字模型技術本身尚處在發展之中,應用上還有盲區,它對器物內腔特征(如器物內壁凹紋)就難以獲取有效數據。而且三維數字模型技術在全麵區分動物啃咬痕跡與人工改造痕跡等複雜現象時,尚待進一步探索和實踐。武仙竹說道:“但從AG亚游集团的研究應用來看,三維數字模型技術在解決痕跡和工具之間的關聯性上具有優勢,它是通過微觀痕跡現象去認識人類演化中行為模式的重要技術途徑之一。”
  “我國有豐富的古人類資源,保留了大量古人類遺存的行為痕跡現象。AG亚游集团準備采集更多的相關標本,從古人類遺存的行為痕跡入手,對古人類的行為模式、思維習慣演化等作更係統和深入的研究。此外,人類行為痕跡現象實際上還存在於各種新石器時代以後的標本上。該方法的成功應用,今後也能夠對新石器時代以後的考古研究作出更大的貢獻。”武仙竹最後說道。



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