测年技术：重建10万年间水稻从野生到驯化演化史

作为世界三大主粮之一，水稻何时被人类采集利用？从野生到驯化的过程是怎样的？如今，科技手段的深度介入能让10万年前的水稻遗存“说话”，为上述问题提供答案。

近日，临沂大学资源环境学院教授于禄鹏团队与中国科学院地质与地球物理研究所、浙江省文物考古研究所等13个单位的研究人员在国际期刊《科学》上发文，揭示10万年间水稻从野生到驯化的演化史。

论文共同通讯作者于禄鹏告诉科技日报记者，科研人员利用浙江上山文化遗址中的水稻植硅体证据，结合沉积物的光释光等测年技术，重建10万年间水稻从野生到驯化的演化过程。

采用光释光技术

植硅体被称为植物的“结石”，是指高等植物从地下水中吸取可溶性二氧化硅后，在其细胞内或细胞外部位置沉淀所形成的非晶态水合二氧化硅颗粒。

在对水稻遗存的研究中，光释光测年技术大显身手。光释光测年常用于测定沉积物经日光照射后被埋藏的年代，其测年范围覆盖几十年至几十万年。临沂大学释光年代学实验室实验员王昌盛介绍，矿物晶体在埋藏过程中，从环境中接受辐射并储存能量，这些能量在被光或热激发后以光电子的形式释放出来，这种现象就叫释光现象。其发光量主要由埋藏时间和环境辐射强度决定，通过加热释放光的方式被称为热释光，通过光照释放光的方式被称为光释光。

对沉积物进行光释光测年的流程非常严格。第一步是提取纯净的石英样本。科研人员在考古现场使用钢管采集沉积物样本，并在避光条件下带回。为避免样品中的信号被破坏，需在红光暗室处理和测试样本。首先，使用盐酸去除碳酸盐，再用双氧水去除有机质，留下各种矿物成分。接着，筛选出测试所需的粒径范围，并利用重液浮选技术，选取密度为2.62—2.70克/立方厘米的石英颗粒。最后，经过氢氟酸刻蚀表面、盐酸溶解氟化物以及筛除细小颗粒的步骤，最终获得纯净的石英样本。

第二步是在实验室进行测试。在临沂大学释光年代学实验室里，科研人员将石英置于测片上，用仪器进行测试。仪器通过光激发晶体中储存的天然释光信号，随后使用放射源对石英施加不同辐射剂量，再次激发释光信号。这样，科研人员能获得信号与辐射剂量之间的函数关系，进而计算出石英在埋藏过程中储存的天然信号所代表的辐射剂量，即古剂量。最后，结合沉积物中放射元素的含量、地理位置以及含水量等参数，科研人员能计算出每年石英可以吸收的辐射剂量，即年剂量率。临沂大学释光年代学实验室工程师安萍解释说:“用古剂量除以年剂量率，就能得出埋藏时间，也就是沉积物的年代。”

测水稻真实“年龄”

“在我国南方的考古遗址中，由于湿热的气候条件，含碳物质难以保存，因此难以从中找到进行碳14测年的合适材料。”于禄鹏介绍，随着释光测年技术的发展及广泛应用，大量遗址的年代学问题被解决。

不过，临沂大学释光年代学实验室对水稻植硅体的测年工作并非一帆风顺，如何选择含有植硅体的沉积物就是个难题。钾长石是一种在地质过程中常见的矿物，具有相对稳定的化学性质，常被用作光释光测年的材料。但对临沂大学的科研人员而言，钾长石并非开展水稻植硅体测年工作的理想材料。于禄鹏说，南方红土中普遍存在的风化作用导致钾长石含量极低，这意味着测年尺度可能受限。而且，考古遗址中的地层扰动导致不同年代的土混杂在一起，增加了测年工作的难度。“如果缺乏足够经验，没有通过各种尝试来选择正确方法，很可能无法得到准确结果，从而与重要发现失之交臂。”于禄鹏说。

幸运的是，虽然考古遗址的钾长石基本已风化殆尽，但石英却展现出替代材料的优势，能检测到广泛的年代范围，保证了10万年研究框架的建立。于禄鹏介绍，考古遗址中的石英很“亮”，在吸收同等辐射剂量情况下能发出更多光信号，这意味着研究人员可以对单个颗粒或少数几个颗粒的石英进行精确的年代测试。利用单颗粒技术，研究人员成功区分出混杂在一起的不同年代的颗粒，有效解决了地层扰动带来的问题，准确测定了关键层位的年代，从而测出水稻的真实“年龄”。

临沂大学释光年代学实验室目前已独立开展或与多家研究单位合作，在《科学》《第四纪科学评论》《地球科学前沿》等国际期刊发表研究论文。于禄鹏说，实验室以丰富经验、可靠数据赢得了广泛认可，未来将继续深化研究、拓展合作领域，又好又快为合作方解决年代学问题。