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体视显微镜在考古学中的应用

2013-10-16  发布者:admin 

体视显微镜在考古学中的应用
  研究人员通过对骨骼表面痕迹进行三维扫描,制作出痕迹三维数字模型,并使用体视显微镜实现对痕迹的多视角观察、测量并进行正投影等技术分析,从而建立一种新的实验考古学方法。
  古人类在演化的过程中,为生存和适应环境,发生了脑量增加、身体机能及形态大小改变等生物学特征的变化;同时,其行为模式也经历了一系列演化,包括制造与使用工具、用火、狩猎等在内的行为模式,反映人类对生存环境的行为适应。而获取动物性肉质蛋白是促进古人类演化进步的最重要的适应性特征之一。这种行为特征一般是通过狩猎、宰杀和敲骨吸髓等肉食行为完成的。因此,在古人类遗址发现的动物骨骼中,一般都保留有人类演化过程中行为模式的丰富信息。如何有效地获取这些遗存的动物骨骼中蕴涵的大量信息也就成为了一个重要的科学问题。但是,目前国内外学者对古人类遗址动物骨骼表面的痕迹研究所使用的方法均存在一定的缺陷。
  在国家自然科学基金以及中科院知识创新工程重要方向项目等的资助下,重庆师范大学教授武仙竹与中科院古脊椎动物与古人类研究所副研究员裴树文、吴秀杰等通过制作痕迹三维数字模型,对骨骼表面痕迹进行多视角观察和测量,并对其使用等值线分析技术,实现了对骨骼表面痕迹从平面到立体、从静态到动态、从简单数据测量到任意数据测量的研究,从而有效地分析痕迹性质(痕迹产生原因),以及产生痕迹的工具类型、刃口形状、工具运动方式、工具微磨损形态等。该研究是人们首次对古人类戳刺性痕迹现象进行专业技术分析,而通过三维数字模型技术研究痕迹现象的方法,同样是一种技术创新。相关论文发表在新近出版的《科学通报》第54卷第12期上。
  信息提取方法期待突破
  “古人类遗址中埋藏的动物骨骼化石与古人类活动密切相关。”武仙竹介绍道,“古人类遗址中的动物种类组成、骨骼部位、骨骼破碎情况及骨骼表面痕迹等,是研究古人类适应环境、食物选择、获取食物的方式以及工具使用等方面的基本素材。”
  事实上,国内外对于古人类遗址骨骼表面的人工痕迹的研究已经是硕果累累。西方学者通过对非洲、欧洲古人类遗址骨骼表面的切割痕迹进行观察,提出了痕迹鉴定的一些方法与标准,并就原始人类狩猎、屠宰行为和左右手使用习惯等展开了积极探索。而在西方学者根据骨骼化石表面痕迹热烈讨论史前人类的行为、文化时,我国学者的相关研究也取得了一些非常宝贵的成果:如中科院古脊椎动物与古人类研究所研究员高星等人通过对三峡兴隆洞遗址的研究,发现该遗址有人类最早有意识的刻画作品。
  不过,国内外学者对古人类遗址动物骨骼表面的痕迹研究,主要采用的还是肉眼、手持放大镜、体视显微镜及电子显微镜等观察方法。“这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。”武仙竹说道,“如进行肉眼和手持放大镜观察时,对痕迹不能放大或放大倍数较小,满足不了对痕迹微观特征的分析,而且欠缺对观察对象的图像共享。使用体视显微镜和电子显微镜工作时,能够对痕迹放大观察,并且在配备摄像镜头等现代光学设备的前提下,可提供图像资源共享。但它们所提取的信息主要反映痕迹平面结构,在对痕迹的多视角观察、测量和计算方面不方便使用。由于现阶段痕迹研究方法均有一定局限,所以,在由微观痕迹特征(指痕迹运行方向、工具对痕迹底部与壁面的改造、痕迹产生顺序等方面)分析人类行为与文化等问题时,学术界尚缺乏较一致的标准。”
  因此,在观测技术和手段方面采用新方法进一步提取骨骼表面痕迹的信息,对于研究古人类行为特征及生活方式具有重要意义。
  打造全新实验考古学方法
  三维数字模型技术,在中国科技考古领域已经有过成功应用的案例,有学者曾经将其用于先秦水稻植硅体和玉器工艺研究。武仙竹指出,三维模型方法在立体图像建造和显微观测方面具有良好作用;其对分析痕迹性质(痕迹产生原因),以及产生痕迹的工具类型、刃口形状、工具运动方式、工具微磨损等方面均有较好作用。
  武仙竹等人的研究就是想通过对骨骼表面痕迹进行三维扫描,制作痕迹三维数字模型,并使用相关软件对痕迹进行多视角(三维立体)观察、测量并进行正投影等值线技术分析。从而建立一种新的实验考古学方法,研究古人类的行为特征与生活方式。
  一片从湖北郧西白龙洞古人类遗址出土的外表面遗留有2处明显凹痕的大型哺乳动物管状骨骨片化石是武仙竹等人的研究样本。由于该研究对象不同于一般的实验标本,而是古人类遗留的珍贵文物,所以既要保证标本的完好,又要取得较高精度的数据,是实验过程中较大的难点。武仙竹等采用精确的复制方法,以5微米的精度复制了该标本。
  第一步工作是确定这两处凹痕是人工痕迹而非啮齿类和食肉类动物的啃咬痕迹。在立体、多视角状态下观测痕迹,并对其进行等值线特征分析后,武仙竹等准确认定凹痕为人工痕迹。
  人工痕迹可能由多种行为原因造成,如砍切、砸击、摔击、戳刺、刻画、割锯等。其行为方式有可能是孤立发生的一次性行为,也可能是有目的有规划的连续性行为。那么这两处凹痕究竟是怎么形成的呢?
  武仙竹等在研究中发现,该标本上的两处凹痕是中更新世早期古人类遗留的戳刺性行为痕迹。这是我国首次以技术分析的方法,准确判断出古人类使用尖刃工具对动物(骨骼)进行的戳刺性行为;也是我国发现的人类最早的戳刺性行为痕迹。“这是科学认识人类进化过程的新证据。”武仙竹强调。
  根据痕迹数字模型和等值线分析,武仙竹等还发现史前工具在每一次使用过程中均可观察到较明显的消耗现象,这为在研究中根据工具痕迹研究史前工具生产与工具使用提供了科学基础。
  新型技术尚待进一步完善
  “切割、刻画、砍击、砸击、戳刺等行为特征,反映着古人类思维意识、行为模式等方面不同的进化特征。”武仙竹说道,“我们对湖北白龙洞古人类遗址中这一宝贵的痕迹标本的成功研究完全得益于三维数字模型技术的应用,而三维数字模型这一全新技术在考古研究的应用,也将为考古界从人类遗留的微观痕迹中研究人类进化过程、行为模式的变化过程等,提供切实可行的技术支撑。”
  不过,武仙竹强调指出,三维数字模型技术本身尚处在发展之中,应用上还有盲区,它对器物内腔特征(如器物内壁凹纹)就难以获取有效数据。而且三维数字模型技术在全面区分动物啃咬痕迹与人工改造痕迹等复杂现象时,尚待进一步探索和实践。武仙竹说道:“但从我们的研究应用来看,三维数字模型技术在解决痕迹和工具之间的关联性上具有优势,它是通过微观痕迹现象去认识人类演化中行为模式的重要技术途径之一。”
  “我国有丰富的古人类资源,保留了大量古人类遗存的行为痕迹现象。我们准备采集更多的相关标本,从古人类遗存的行为痕迹入手,对古人类的行为模式、思维习惯演化等作更系统和深入的研究。此外,人类行为痕迹现象实际上还存在于各种新石器时代以后的标本上。该方法的成功应用,今后也能够对新石器时代以后的考古研究作出更大的贡献。”武仙竹最后说道。