碳氏家族的兄弟主要有3個，碳十二、碳十三和碳十四。它們在自然界中的豐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，成為考古學研究中的“示蹤劑”，受到世人的關注。我院考古所碳十四實驗室從事的正是通過碳十四、碳十三這樣兩個碳氏家族成員的分析來探討人類的過去。
首先介紹一下碳十四。碳十四又被稱作人類的放射性時鐘。之所以有此，在于它的紀年特性。碳十四是一種放射性同位素，半衰期為5730年。也就是說每過5730年，其數量就衰減一半。它由宇宙中子射線與大氣中的氮反應而生成。生成的碳十四與氧作用生成二氧化碳，隨氣流流動使其分布均勻，然后進入水圈、巖石圈、生物圈等。進入生物圈中的含有碳十四的二氧化碳通過光合作用進入植物體，之后再通過食物鏈吸收進入人類或動物體中。在這樣一個不斷產生、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交換平衡狀態。當生物死亡后，交換過程停止了，其體內碳十四隨時間衰變，越來越少。這樣，我們通過對殘余碳十四水平的檢測，就可得到其死亡年代。這就是碳十四測年的原理。
碳十四測年方法是在上世紀40年代末由美國科學家利貝創建的。50年代末，在著名考古學家夏鼐先生的親自關懷和支持下，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入考古所，開始從事碳十四實驗室的建立工作。在設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外帶回的一本英文資料，自力更生、因陋就簡，經過幾年的努力，建起了國內第一個碳十四實驗室。隨后中科院地質所、北京大學等碳十四實驗室也相繼建立，有力地推動了碳十四測年方法在我國的應用和發展。截至上世紀90年代，應用于文物考古領域中的碳十四測年數據已達兩千余個，建立了舊石器晚期以來的史前考古學年代序列，為考古、文物研究提供了依據。
1996年，建國以來歷史科學領域中規模最大的科學研究項目———夏商周斷代工程啟動，考古所碳十四實驗室成為該工程測年研究中的主要實驗室。在工程測年研究首席科學家仇士華先生的帶領下，通過對90年代國際碳十四領域啟用的新的碳十四測年研究方法———高精度系列樣品法的研究與應用，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入歷史時期年代研究的問題;與考古學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———夏商周三代年表的建立提供了依據。夏商周斷代工程的成就引起了國內外學者的廣泛關注和好評，2001年被評為全國十大科技成就之一。
進入新世紀后，實驗室首先面對的是石灰巖地區的年代學研究重任———甑皮巖遺址年代研究。甑皮巖遺址地處廣西桂林，是典型的石灰巖地區。而石灰巖地區的地質構成環境嚴重影響了碳十四年代標本的碳十四水平，使其年代明顯偏老。因而這也成為國際碳十四領域中的難題。實驗室在80年代前人研究的基礎上，通過實地考察與實驗研究，采集考古標本和現代標本進行分析與測試，通過對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序列，為石灰巖地區年代研究樹立了一把標尺。實驗室的另一項主要工作是在配合古代文明探源研究中承擔了常規碳十四測年任務，在夏商周斷代工程測年研究的基礎上應用系列樣品法，去追溯祖先更為久遠的足跡，為探討古代文明的發生、發展及其演變提供年代學上有力的依據。
碳的另一同位素碳十三是穩定同位素，考古學界對碳十三的認識最初是源于對于碳十四年代的校正。生物體中存在著分餾效應，即化學性質相同而原子質量不同的同位素在參與各種化學或生理變化過程中，由于活潑程度不同，使反應前后的同位素組成發生改變。這種分餾效應使得生物體內的碳十四水平與大氣之間產生偏離，而碳十三變化與碳十四變化之間存在一定的對應關系，且碳十三比值可以通過質譜測量得到，因而要通過碳十三分析對碳十四的年代進行校正。當上世紀60年代初科學家利貝捧回碳十四測年方法的諾貝爾獎時，緊接著在第二年美國的另一位科學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，共同承擔起考古學研究的重任。因為古人類食物結構研究中的主食分析依據的正是光合作用途徑的研究。
近兩年實驗室在配合考古發掘工作中對于山東教場鋪、青海喇家等史前遺址進行了人骨分析，獲得了一些新的信息，成為以往研究中的補充。如教場鋪遺址，考古學家在發掘中發現了小米和稻米，但據此難以判斷當時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業已占了相當大的比重。
關于氮同位素，是指氮十五的分析與應用。氮十五也是古人類食物結構研究中的重要元素，它所表征的內容與碳十三是互補的，反映人類食物組成中蛋白質的攝入程度。通常食肉較多的人較之僅是依靠植物類生存的人其體內氮十五比值明顯偏高，而食魚較多的人，體內氮十五的比值會更高。一般食物鏈越長，其氮十五比值就越高，它反映了營養級的高低。氮十五分析用于古人類食物結構研究，國外是在上世紀70年代后逐漸開展起來的。由于氮本身的特性，與碳十三相比其分析難度要大得多，因之國內的研究起步較晚。2001年后，考古所碳十四實驗室通過反復實驗與研究，應用元素分析儀收集純凈氮氣獲得成功，建立了氮十五分析方法，這在國內尚屬首次，這樣就使整個碳十三、氮十五分析方法得到完善。應用這一分析方法對山東長島、新疆焉不拉克、內蒙興隆洼、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行分析，獲得了來自食用者本身的直接信息，為考古學關于人類食物狀況方面的探討與研究提供了有意義的證據。
人類吃什么不僅與當地的自然環境狀況密切相關，而且反映了當時的社會生產力發展水平，人們的社會文化風俗等，因而該項研究工作多年來一直為國際科技考古界的熱點。隨著這項工作在我國的開展與深入，今后必將會有更多新的東西向世人展現，并且也會給相關研究帶來新的切入點。
來源：中國社會科學院院報
