現代黍、粟稃片表皮長細胞植硅體形態

　　最近，中國科學院地質與地球物理研究所呂厚遠課題組在國家傑出青年科學基金、中科院百人計劃等項目資助下，與美國路易斯安那州立大學、中國科學院研究生院、中國社會科學院考古研究所、河北省武安市磁山文化博物館、中國科學院地理科學與資源研究所等專家合作，分別在《公共科學圖書館綜合》（PLoS ONE）和《美國科學院院刊》（PNAS）上發表了利用植硅體形態鑒別粟（穀子）和黍（糜子，稷）的新方法，以及利用新的研究方法在我國河北武安磁山新石器遺址農業考古研究中獲得的重大進展。

　　呂厚遠課題組通過對磁山遺址窖穴中的47個植物灰化樣品的植硅體分析，結合9個用灰化糧食遺存測定的碳14年代結果，發現在距今約10300～8700年的樣品中，全部是黍的植硅體，而在距今約8700～7500年期間，開始出現少量粟的植硅體，但粟的含量一直沒有超過3%，依然是以黍為主。同時，將現代黍、粟樣品和考古樣品的分子生物學成分進行對比分析，也證明磁山遺址的農作物主要是黍，説明在中國北方半乾旱區，距今約10000年前就已經馴化出世界上古老的黍旱作農作物；説明磁山遺址不僅可能是世界粟的發祥地，更可能是黍的起源地。

　　難以辨別的植物遺存

　　粟和黍都是東亞半乾旱—半濕潤區最古老的旱作農作物，也是小麥、水稻在該區廣泛傳播以前古代人類最重要的食物；粟黍的馴化、栽培對人類文明起源、特別是對中華民族文明發展進程産生過重大的影響。粟和黍至今仍然是我國北方特別是西北乾旱—半乾旱區經常種植的糧食作物，也是氣候乾旱背景下重要戰略作物資源。長期以來，有關粟、黍是如何起源的，在什麼地點、什麼時間起源等問題，吸引了諸多學者的研究目光。

　　磁山是中國北方重要的新石器早期遺址，我國考古學工作者自上世紀70年代以來，多次對該遺址進行了深入細緻的發掘工作，出土了異常豐富的陶器、石器、植物及動物骨骼遺存。磁山遺址的文化面貌十分獨特，特別是早期發掘的88個窖穴中，考古工作者發掘出100多立方米腐朽的糧食，估計有10萬多斤。

　　但是，由於磁山遺址腐朽的糧食顆粒暴露到空氣中後迅速灰化，保存十分困難，最終只剩下連顆粒外形也無法辨認的像粉末狀一樣的灰化土。沒有完整谷粒保存，使鑒定工作變得非常困難，儘管當時嘗試了許多辦法，也沒有明確結論，根據發掘現場看到的顆粒形狀，認為可能是粟。後來利用灰像法對標本進行了鑒定，發現有粟的痕跡，但沒有提供相關的鑒定證據。由於當時國際上對鑒定腐朽灰化的粟、黍粉末樣品還沒有可靠的方法，磁山遺址窖穴中的遺存是否是粟，長期以來沒有得到國際學術界和國內部分學者的認可。

　　因此，研究者必須首先找到可以有效鑒定這些植物遺存的方法。“由於缺少對腐朽灰化的黍、粟糧食的準確鑒定方法，才使得磁山遺址，這個作為解開中國北方黍、粟馴化和旱作農業起源之謎的關鍵地區之一的植物考古學研究工作一直沒有進展。”呂厚遠説，“粟、黍顆粒較小，形態相似，不像水稻、小麥容易發現和識別，特別是在早期的新石器考古遺址中，粟、黍顆粒多腐朽灰化成粉末。如何鑒定腐朽灰化成土的粟、黍樣品，國際學術界嘗試過許多方法，但沒有找到準確的區分方法。”

　　植硅體鑒定方法學的突破

　　呂厚遠課題組選擇植硅體作為研究的突破口。

　　“植硅體是一種在植物生長過程中充填到植物細胞中的二氧化硅礦物，不同植物細胞中植硅體的形態不一樣，當植物死亡、腐爛以後，堅硬的植硅體可以保存下來，利用某些植硅體的特殊形態，可以比較精確地對部分植物進行分類和鑒定。”呂厚遠解釋説。而植硅體研究作為一門新的微體生物化石學科，近年來逐漸被應用於古氣候、古環境、農業考古等研究領域。

　　呂厚遠課題組通過對現代粟、黍農作物和親緣關係密切的野生草類植物小穗穎片、內外稃片不同部位、不同細胞層的植硅體分析，建立了鑒定粟、黍植硅體的5種鑒定標準。“其實，實驗工作就是要細心，用解剖針先將2～3毫米大小的穀子或黍子的穎片、內外稃片都剝離開，再分別去除有機質，然後在顯微鏡下觀察各自的植硅體形態特徵，反復檢驗，用了兩年多的時間。”呂厚遠認為自己的工作並不是特別有創造性。

　　不過，《公共科學圖書館綜合》（PLoS ONE）的審稿專家並不這樣認為。他們指出，這項工作為解決歐亞大陸粟、黍旱作農業起源、傳播等許多長期未決的問題提供了可靠的研究手段，這一成果不僅僅是在粟、黍植硅體鑒定標準上取得了突破，其研究方法還可以推廣到小麥、大麥等其他農作物的植硅體鑒定中。論文發表後，被PLoS網站評價為是PLoS七種系列刊物已經發表的與考古有關的論文中最有意義的創新性成果。

　　世界旱作農業起源認識的一次重要修訂

　　利用上述新方法，呂厚遠課題組完成了對河北磁山新石器遺址窖穴中腐朽灰化植物遺存的研究。通過對5個窖穴46個灰化樣品和1個磁山博物館館藏灰化樣品植硅體的系統分析，結合不同實驗室9個碳14年代學測定結果，呂厚遠課題組發現，距今約10000~8700年前，磁山遺址保存的農作物是黍，粟則在距今約8700到7500年期間少量出現。同時，將現代黍、粟和考古樣品的分子生物學成分進行了對比分析，同樣説明磁山遺址的農作物主要是黍。這項研究把東亞旱作農業起源的時間改寫到10000年以前，説明中國北方旱作農業起源的時間發生在更新世與全新世之交，這一時間與西亞、墨西哥和南美洲農業起源的時間近似。磁山遺址不僅可能是世界粟的發祥地，更可能是黍的起源地，也為認識我國北方新石器早期文化演化提供了新視野。

　　加拿大多倫多大學的Gary W. Crawford教授，為呂厚遠在《美國科學院院刊》（PNAS）上發表的成果撰寫了亮點評論。Crawford認為，磁山遺址新的研究結果是對世界農業起源認識的一次重要修訂，其長達3000年的糧食生産時間在世界範圍內也只有兩河流域的敘利亞的Abu Hureyra遺址能夠與之相比。Crawford指出，新的證據已經使中國北方農業發展的脈絡逐漸清晰起來。

　　呂厚遠説：“通過對現代黍、粟生長環境和我國北方全新世古環境的分析，早全新世相對幹涼的氣候環境可能更適合黍的馴化和栽培。”在約1.5萬年前全球氣候從寒冷的冰期向溫暖的全新世轉化過程中，世界各地的史前人類根據不同地區的氣候環境條件，選擇了不同的植物進行馴化。這項研究説明：在東亞地區的黃河流域，在幾乎和兩河文化同樣古老的年代，受雨熱同期的東亞季風氣候影響，居住在磁山的古人可能先後獨立馴化了黍和粟，發展了以黍和粟為主的旱作農業，成為東亞古代人類文明的重要發源地之一。

　　呂厚遠解釋説：“課題組成員來自不同的學科背景，是大家共同努力的結果，李玉梅教授做了大量的分子生物學實驗，進一步驗證了植硅體的分析結果，周昆叔研究員、葉茂林研究員和磁山博物館的同志在野外一起觀察討論地層關係，張健平博士做了大量的實驗室分析工作。目前分析的5個窖穴相對埋葬豐富的磁山遺址顯得少了，如果將來有機會結合考古學家的大面積發掘進行研究，許多問題還可以作深入的研究。”