骨化學(xué)考古 氮?dú)溲蹑J循環(huán) 古人類食物結(jié)構(gòu)演化研究課件

氮循環(huán)回顧13C與人類飲食結(jié)構(gòu)分析的基本原理1）三種同化途途徑.C3植物——‰----人體膠原(富集‰）----‰C4植物——‰---人體膠原(富集‰）----‰

‰2）人類

‰~~~~~~~~~~‰

骨膠原

100%100%C3C4

C3/C450%回顧13C與人類飲食結(jié)構(gòu)分析的基本原理1）三種C3、C4、CAM同化途途徑.C3植物——-26‰-----人體(富集6‰）-----20‰C4植物——-13‰-----人體(富集6‰）-----7‰

-13.5‰2）人類

-20‰~~~~~~~~~~-7‰

骨膠原

100%100%C3C4

C3/C450%C3和C4的葉片結(jié)構(gòu)不一致葉肉細(xì)胞葉肉細(xì)胞和維管束鞘細(xì)胞（含葉綠體）維管束鞘細(xì)胞（無葉綠體）X=C4的比例（%）食物結(jié)構(gòu)分析公式氮同位素空氣中含有大約78%的氮?dú)?，占有絕大部分的氮元素。氮是許多生物過程的基本元素；它存在于所有組成蛋白質(zhì)的氨基酸中，是構(gòu)成諸如DNA等的核酸的四種基本元素之一。在植物中，大量的氮素被用于制造可進(jìn)行光合作用供植物生長的葉綠素分子。氮主要有兩種同位素14N和15N，均為穩(wěn)定同位素。

Naturalabundanceof15N=0.366%14N=99.634%氮同位素的國際標(biāo)準(zhǔn)為大氣N2，其“絕對”同位素比值為15N/14N=(3676.5±8.1)×10-6(Hayes,1982)，定義其δ15N=0‰。氮同位素樣品的制樣方法多為燃燒法(Combustion)，δ15N分析精度為0.1–0.2‰。δ15N的表示方法及測定氮固化99%的氮是以大氣中的N2或溶解在海洋中N2的形式存在的，只有少部分的氮可以以多種價態(tài)的形式與其他元素結(jié)合形成不同的化合物，形成不同的氮源。氮?dú)夥肿邮职捕?，大多?shù)生物體沒辦法直接利用。把空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化成為銨鹽（NH4+）或硝酸鹽（NO3-）、亞硝酸鹽（NO2-）就是氮的固化.LightningFixation（閃電固定）

BacteriaFixation（細(xì)菌固定）自然界固定氮閃電固定閃電以其巨大的能量，把在大氣中的氮分子解離，并繼續(xù)與氧分子反應(yīng)產(chǎn)生氮的氧化物（N2與O2反應(yīng)生成NO），這些氧化物會溶于雨水，生成硝酸根（NO3-）而滲入土壤中。雖然世界上到處常有閃電，但是閃電固氮卻不是一個產(chǎn)生含氮化合物有效的方法；每年經(jīng)由閃電固氮所得的含氮化合物，頂多只占總量的10%。細(xì)菌固定這是固定氮的最重要途徑，須借助于或獨(dú)自存在于土壤中，或與動植物共生，擁有固氮酵素的某些固氮細(xì)菌，如與豆類植物共生的根瘤菌。它們能吸收大氣中的氮?dú)夥肿?，將其轉(zhuǎn)變成氨（NH3)及銨離子(NH4+)。每年經(jīng)由細(xì)菌固定氮所得的含氮化合物，約占總量的65%。其余25%的固定氮，來自于工業(yè)途徑（合成氨）。固氮微生物將大氣中的N2還原為NH3的過程。共生固氮微生物自生固氮微生物根瘤菌→豆科植物放線菌→非豆科植物藍(lán)藻→水生蕨類等圓褐固氮菌（好氧）梭菌（厭氧）魚腥藻等為代表的固氮藍(lán)藻固氮微生物的種類工業(yè)合成目前工業(yè)上最常用的哈柏法（Haber-Boschprocess）；在高溫（約攝氏400度）高壓（約250大氣壓）下，用精研的鐵粉當(dāng)催化劑，促使氮與氫產(chǎn)生反應(yīng)生成氨。工業(yè)固氮是將所得的氨，再進(jìn)一步制成氮肥，如硝酸銨與磷酸銨，然而此法成效不佳（產(chǎn)率僅約20%）且極耗能源。

化學(xué)肥料——尿素尿素在肝合成，是哺乳類動物排出的體內(nèi)含氮代謝物。工業(yè)上用液氨(NH3)和二氧化碳(CO2)為原料，在高溫高壓條件下直接合成尿素。尿素是有機(jī)態(tài)氮肥，經(jīng)過土壤中的脲酶作用，水解成碳酸銨(NH4)2CO3或碳酸氫銨NH4HCO3后，才能被作物吸收利用。高能固氮生物固氮工業(yè)固氮氨化作用反硝化作用硝化作用氮循環(huán)（固氮作用→生物體內(nèi)有機(jī)氮的合成→氨化作用→硝化作用→反硝化作用）銨鹽硝酸鹽氮的分餾生物利用不同來源的氮，也造成了氮在生物圈中的同位素分餾。大氣中的氮通常很難被生物直接吸收，絕大多數(shù)的植物都是靠吸收土壤中的氮化合物(NO3-和NH4+)來獲取氮源的，這個過程中就會發(fā)生同位素分餾，其δ15N值約為3%。只有一些植物，主要是豆科植物，依靠與其共生于根部的根瘤菌，可以直接把大氣中的氮(N2):轉(zhuǎn)化為NH3，然后將其吸收。此過程基本上沒有同位素的分餾，因此豆科植物的δ15N值較小，約為0%。水中的藍(lán)藻門植物既能自生固氮，又能與其他植物共生固氮。魚類以藻類為食，故含有較高的δ15N

。氮的營養(yǎng)富集氮在不同的營養(yǎng)級之間存在著同位素的富集現(xiàn)象，營養(yǎng)級每升高一級，δ15N大約富集3‰~4‰。即食草類動物骨膠原中的δ15N比其所吃的植物富集3‰~4‰

，以食草類動物為食的食肉類動物骨膠原中的δ15N又比食草類動物富集3‰~4‰。（Bocherens1994)15N(~2-3‰)13C(~0-1‰)濕地生態(tài)系統(tǒng)據(jù)δ15N值的不同，所有生物大體上可以分為5類:①豆科植物，最低約為0‰。②陸生非豆科植物，約為2‰~3‰左右;③食草類動物，為3‰~7‰

。④一級食肉類動物以及各種魚類，為9‰~12‰

。⑤二級食肉類動物，其值更高。雜食性動物的δ15N值應(yīng)該處于這五類中食草動物和一級食肉動物之間，大約為7‰~9‰。海洋中含有大量的硝酸根離子團(tuán)，動、植物以其為氮源，它們的δ15N值一般高于同一營養(yǎng)級的陸生生物。氮同位素分析原理生物體內(nèi)的氮主要從蛋白質(zhì)中攝取，氮反映了食物中蛋白質(zhì)的來源。蛋白質(zhì)豐富的食物主要是肉類，雖然不同植物中蛋白質(zhì)的含量高低有所不同，但總體來說植物中的蛋白質(zhì)含量相對較低，因此，食物中植物比例的增大對骨膠原中的δ15N加值沒有太大影響。而肉類盡管在食物中所占比例不大，卻對骨膠原中的δ15N值貢獻(xiàn)很大，故而骨膠原中的δ15N值與食物中肉類的δ15N值有著密切的聯(lián)系[vanKlinken2000]。根據(jù)骨膠原中的δ15N值，即可判斷該動物是食肉類動物還是非食肉類動物。海生與陸生食譜區(qū)別StableNitrogenIsotopeRatiosofBoneCollagenReflectMarineandTerrestrialComponentsofPrehistoricHumanDiet.Science,NewSeries,Vol.220,No.4604(Jun.24,1983),pp.1381-1383.Theδ15NvaluesofbonecollagenfromEskimosandfromNorthwestCoastIndiansdependentonsalmonfishingareabout+10‰morepositivethanthosefromagriculturalistsinhistorictimes.現(xiàn)生動物測試δ15N能區(qū)分

δ13C不能區(qū)分

HumanbonecollagenstableisotopeanalysisofhumansfromcoastalMesolithicsitesinScotland,Denmark,FranceandPortugalindicatestheimportanceofmarinefoodsinthediet.Wede?netheexpectedhumanδ13Candδ15Nvaluesof100%marineand100%terrestrialdietsandconcludethatatmostsitesisotopevariabilityisduetodifferingproportionsofthesede?nedmarineandterrestrialdiets,ratherthanduetodifferencesintheactualtypesofmarineandterrestrialfoodsexploited.BycomparingtheEuropeanhumanvalueswithmarinefaunalvalues,andvaluesofmarine-diethumansfromNorthAmerica,weproposethatthemarinecomponentofhumandietintheLateEuropeanMesolithicwasbasedmainlyonmarine?sh,withonlyminorcontributionsfromshell?shormarinemammals.Averageδ15Nvaluesofmodernandarchaeologicalmarinefauna.Four(theoretical)extremehumandietarytypes,andtheirassociatedbonecollagenstableisotopevalues.不同類型

飲食結(jié)構(gòu)Thecarbonandnitrogenisotopecompositionsofvarioustypesofdietsareknownandcanbecomparedtothecompositionsofyourfingernails.Hence,thegraphsofyourfingernaild15Nandd13Cvaluescanhelptoidentifyyourdiet.尼安得特人

(PNAS,2000,7663-7666)牛鹿熊食草動物氫氧同位素氧同位素自然界中氧以16O、17O、18O三種同位素的形式存在，相對豐度分別為99.756％、0.039％、0.205％.天然物質(zhì)的氧同位素組成通常用由18O/16O比值確定的δ18O來描述.氫同位素自然界中氫以1H（氕，H），2H（氘，D），3H（氚，T）三種同位素的形式存在，相對豐度分別為約99.985%、約0.015%、低于0.001%，其中氚具放射性，半衰期為12.33年。氫、碳、氧同位素標(biāo)準(zhǔn)樣品組成元素標(biāo)準(zhǔn)縮寫同位素比值H平均大洋水標(biāo)準(zhǔn)standardmeanoceanicwaterSMOWD/H=0.0001558C南卡羅來納州白堊紀(jì)皮迪建造（PeeDeeformation）中的箭石PDB13C/12C=0.0112372OSMOW18O/16O=0.0020052平均大洋水標(biāo)準(zhǔn)standardmeanoceanicwater1967年，VSMOW(維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水,Viennastandardmeanoceanicwater)是原始的SMOW定義的重新校準(zhǔn)和被創(chuàng)造.氧同位素數(shù)值轉(zhuǎn)換在骨化學(xué)研究中，有時，我們需要測量骨骼或者沉積物碳酸鹽（CaO3）中的δ18O，需要以PDB為標(biāo)準(zhǔn)，那么此時SMOW與PDB有換算關(guān)系，如下：×1015kgWatercirculationonsurfaceoftheearth(afterTurekian,1969).evaporationprecipitationriverdischargeannualratesofwatertransferannualratesofwatertransferamountsofwater瑞利分餾在自然界存在一種特殊的體系，在一定物理化學(xué)條件下發(fā)生物相分離。分離前不同物相之間保持著熱力學(xué)平衡并處于封閉體系狀態(tài)，但分離之后一相物質(zhì)不斷離開體系，不再與另一相保持平衡。這種在開放體系中進(jìn)行的過程稱之為瑞利過程。在瑞利過程中發(fā)生的同位素分餾稱之為瑞利分餾。例如在海水蒸發(fā)、雨滴從云中不斷凝結(jié)出來并落下等過程中，均伴有瑞利分餾。氫氧同位素分餾水的分子式是H2O，氫有兩種同位素H和D，而氧的兩個主要穩(wěn)定同位素是16O和18O，所以大自然中的水組成有：1H216O、1H218O、2D216O、2D218O等，原子量的差異造成了他們的質(zhì)量不同。氫氧同位素的分餾主要在于水蒸發(fā)（Evaporation）

凝聚（Condensation）一般來講，在空中水蒸氣凝聚成雨滴過程是平衡同位素分餾過程，因為水蒸氣是在飽和（相對濕度100％）的狀態(tài)下凝聚為水。生成的雨水相對水蒸氣富集重同位素，而在降水過程中首先是富集重同位素水先降落。氫氧同位素分餾氫氧同位素分餾18O比16O重，因此H218O比H216O重。H216O比H218O更容易蒸發(fā)。H218O比H216O更容易沉降。coldestsnowislightest(lessheavy18Oisotopes,morelighter16Oisotopes)氧同位素組成分布地球上的蒸發(fā)，主要發(fā)生在熱帶地區(qū)，而且水蒸氣基本都向極地運(yùn)動。

①

赤道附近的水相當(dāng)重δ18O~0

②

溫帶和近極地的水是輕的δ18O-5~-15

③極地的冰非常輕δ18O-20~-55氧同位素組成分布Spatialdistributionofδ18Oinmeteoricprecipitation，Gabrieletal.Geology;April2002;v.30;no.4;p.315–318Predictedoxygenisotoperatiosofplantleafwater(credit:J.West)影響雨水δD值及δ18O值的因素緯度（愈高）、溫度（愈低）、高度（愈大）、離海岸線距離（愈遠(yuǎn)）均影響大氣降水的氫氧同位素組成（δD及δ18O值愈負(fù)）。上述因素決定了大陸上每一地點(diǎn)的雨水都有它特定的同位素值，為探討復(fù)原古代環(huán)境提供重要線索。

緯度效應(yīng)隨著從海面蒸發(fā)的水汽根據(jù)緯度增加不斷降雨的過程中，剩余的水汽中越來越虧損D和18O，其雨水和雪水中的δD和δ18O值也越低。n=1000100H218O900H216ORAINn=10020H218O80H216On=90080H218O820H216ORAINn=10010H218O90H216On=80070H218O730H216OR=0.111R=0.0975R=0.095R=0.25R=0.11EVAP.n=1000>>>>>n =numberofH2Omoleculescloud =diminishingreservoir降雨δ18O高緯度地區(qū)的雨水,δ18O值偏低（更負(fù)）氧同位素分餾因素heavylightheavylight從赤道到高緯度地區(qū)、從海洋到大陸內(nèi)部、從低海拔到高海拔地區(qū)，重同位素的虧損依次遞增，構(gòu)成所謂的溫度效應(yīng)、緯度效應(yīng)，大陸效應(yīng)和高度效應(yīng)，以及季節(jié)效應(yīng)，降水量效應(yīng)等。越來越負(fù)溫度效應(yīng)Temperatureaffects18O/16Oratio:Coldertemperaturesmorenegativevaluesforδ18OWarmertemperatures

δ18Ovaluesthatarelessnegative(closertothestandardratioofoceanwater)※※在中高緯度大陸內(nèi)部,降水中穩(wěn)定同位素具有顯著的溫度效應(yīng)即降水中穩(wěn)定同位素比率與溫度之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系.※※在中低緯度海洋或季風(fēng)區(qū),尤其在亞洲季風(fēng)區(qū)降水中穩(wěn)定同位素具有顯著的降水量效應(yīng),即降水中穩(wěn)定同位素比率與降水量之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系.（受降水量效應(yīng)影響）全球雨水線水循環(huán)過程中，在穩(wěn)定同位素成分的平行分餾作用下，全球降水中δD和δ18O存在一種線性關(guān)系，Craig（1961）將這種關(guān)系定義為全球大氣降水線（GlobalMeteoricWaterLine，GMWL）。Craig,H.(1961)Isotopicvariationsinmeteoricwaters:Science,133,1702-1703.Rozanski（1993）Isotopicpatternsinmodernglobalprecipitation:In:ClimateChangeinContinentalIsotopicRecords,大氣降水的氫、氧同位素組成是研究水文學(xué),冰川學(xué)及古氣候?qū)W等地球?qū)W科所必須的重要資料,同時亦為巖石和礦床穩(wěn)定同位素化學(xué)提供背景值。在全球尺度上,受地理因素和氣候條件影響,降水中穩(wěn)定同位素含量一定程度上反映了天氣氣候與區(qū)域性特征[4]。因此,60年代以來雨水同位素組成已成為地球化學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。國際原子能委員會(IAEA)與世界氣象組織(WMO)自1961年以來,已在全球各地設(shè)立100多個觀測點(diǎn),對大氣降水中的穩(wěn)定同位素進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,以建立全球降水模型。（中國現(xiàn)代大氣降水線）中國現(xiàn)代大氣降水的氫氧同位素組成關(guān)系（據(jù)鄭淑蕙，1983，科學(xué)通報，第13期，801-）溫度效應(yīng)公式大氣降水中的同位素組分與年平均氣溫之間的相關(guān)關(guān)系為古氣候研究提供了獨(dú)特的方法，其中，區(qū)域多年平均δ18O與平均氣溫之間相關(guān)關(guān)系以及特定地區(qū)年平均δ18O與氣溫之間相關(guān)關(guān)系是古氣候重建研究的一種獨(dú)特方法。我國大氣降水穩(wěn)定同位素監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征大氣降水同位素監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計內(nèi)容，主要包括年和月降水同位素平均值、降水δD與δ18O關(guān)系。---------------------------------------------------------------------------------我國的大氣降水線方程為δD=7.8δ18O+6.95,與全球降水線基本吻合，受各地區(qū)氣候的區(qū)域性特征影響，局地雨水線方程各有差異。月降水穩(wěn)定同位素δ18O與月平均氣溫的關(guān)系年際尺度降水δ18O與年平均氣溫的關(guān)系結(jié)論在空間尺度上，受地形和季風(fēng)氣候的影響，我國北方中高緯度地區(qū)降水δ18與氣溫的正相關(guān)系明顯，而南方低緯度地區(qū)則顯示出明顯的季風(fēng)（降水）效應(yīng)，溫度效應(yīng)被季風(fēng)降水效應(yīng)被掩蓋。在年際或更長時間尺度上，我國北方降水δ18O與平均氣溫相關(guān)關(guān)系明顯，并且年際時間尺度的δ18O溫度梯度比月時間尺度的溫度梯度大，這種相關(guān)關(guān)系將為進(jìn)一步深入了解我國不同時間尺度的氣候變化和水文循環(huán)規(guī)律提供重要的參考。大陸效應(yīng)從海洋開始，越向內(nèi)陸，大氣降水的δD和δ18O值越降低。位于內(nèi)陸的臺站,雨水的δ18O值比海島臺站及沿海岸臺站偏低。例如，廣州，昆明和拉薩的年平均降雨的δD值分別為－29‰，－76‰和－131‰高度效應(yīng)從海平面到最高的青藏高原，隨著海拔高度的增加，大氣降水δD和δ18O值也在一直降低。一般每升高100m，對于δD值降低1.2～4‰；對于δ18O值降低0.15～0.5‰。高度效應(yīng)實際上是復(fù)合的凝結(jié)效應(yīng)。當(dāng)濕空氣團(tuán)被抬升時,伴隨凝結(jié)現(xiàn)象的產(chǎn)生,水汽中的氧穩(wěn)定同位素被貧化。其結(jié)果,降水中的氧穩(wěn)定同位素也不斷地被貧化。季節(jié)效應(yīng)季節(jié)不同，大氣降水中同位素也不是同一樣的。冬季相對夏季，大氣降水就要虧損重同位素。這主要是溫度效應(yīng)引起。夏季溫度高，海水蒸發(fā)及云團(tuán)形成（凝聚）過程同位素分餾小，因而造成夏季比冬季相對富集重同位素。降水量效應(yīng)（可能掩蓋溫度效應(yīng)）在大多數(shù)中緯度大陸地區(qū)明顯地出現(xiàn)降水量效應(yīng)，降水中δD和δ18O值與降水量大小呈相反關(guān)系。δ18O數(shù)值越負(fù)，降水量越大在中低緯度海洋或季風(fēng)區(qū),尤其在亞洲季風(fēng)區(qū)，溫度效應(yīng)受降水量效應(yīng)干擾而不能辨認(rèn)出來，這一現(xiàn)象在世界其他緯度較低溫度較高的地區(qū)常有發(fā)生，一般高緯度地區(qū)特別是兩極區(qū)溫度效應(yīng)較為明顯。不受降水量效應(yīng)影響遵循溫度效應(yīng)無降水量效應(yīng)氧同位素與古氣候冰芯--冰芯中氫、氧同位素比率是度量氣溫高低的指標(biāo)；凈積累速率是降水量大小的指標(biāo)；冰芯氣泡中的氣體成分和含量可以揭示大氣成分的演化歷史；宇宙成因的同位素可以提供宇宙射線強(qiáng)度變化、太陽活動和地磁場強(qiáng)度變化的證據(jù)；冰芯中微粒含量和各種化學(xué)物質(zhì)成分的分析結(jié)果，可以提供不同的時期大氣氣溶膠、沙漠演化、植被演替、生物活動、大氣環(huán)流強(qiáng)度、火山活動等信息；同時，冰芯也記錄了人類活動對氣候環(huán)境影響和各種信息等等。

海相沉積物--Organismsthatliveintheoceansincorporatebothisotopesofoxygenintotheirshellsastheygrow(withtheratiodependingonthetemperatureofthewaterwheretheylived)Whentheorganismsdie,theirshellmaterialfallstotheseafloorandisincorporatedintothesediments.Byexaminingtheisotopicchangesincoresrecoveredfromthesediments,wecanexaminepastclimatechangesGlacialClimates冰河時代氣候EvaporationofO16OceanO18leftbehindGlacierPrecipitationofO16

O16doesn’tgetbacktotheoceans,butisinstead“l(fā)ockedup”intheglacierEvaporationofO16PrecipitationofO16OceanO18leftbehindNon-glacial(warm)climates

非冰河時期冰芯研究Antarctic/GreenlandIceCoreRecordsOxygenisotopesoftheice(H2O)CO2trappedinairbubbles

Neumayer德國南極考察站Georg-von-Neumayer-Station1981-1992Georg-von-NeumayerStationduringpolarnightNeumayerStation1992-2008GlacialIceCoresInadditiontooxygenisotopes,icecoresrecordaerosolcontent(dust,ash,etc),greenhousegas(GHG)concentrationandpastclimatevariabilityVostokIceCore,Antarctica:climatedatarecordoffourinterglacial-glacialcyclesoverthepast420,000yrs.Somefindings:ClimatevariabilitywithperiodicitiesthatcorrelatewellwiththoseoftheEarth’sorbitalparametersStrongcorrelationbetweentemperaturefluctuationsandgreenhousegasconcentrationsSeePetit,J.R.,etal.,1999.Climateandatmospherichistoryofthepast420,000yearsfromtheVostokicecore,Antarctica.Nature399:429-436.DomeC,EastAntarctica:recordextendedbackto800,000yrsbeforepresentinLuthietal.,(2008)SeeLuthietal.,2008.High-resolutioncarbondioxideconcentrationrecordof650,000-800,000yearsbeforepresent.Nature453:379-382.annualmeanofd18Oandairtemperatured18O–T-relationship溫度效應(yīng)海相沉積物研究Asclimatecools,marinecarbonatesrecordanincreaseind18O.

Warmingyeildsadecreaseind18Oofmarinecarbonates.JOIDESResolutionScientistsexaminingcorefromtheoceanfloor.古海洋的溫度測定基本原理碳酸鹽沉積物的碳、氧同位素組成與沉淀介質(zhì)的同位素組成有關(guān)，在CaCO3-CO2-H2O系統(tǒng)中，有以下同位素交換反應(yīng)：在碳酸鹽與周圍環(huán)境平衡時沉淀的貝殼碳酸鹽，其穩(wěn)定同位素組成同水中的18O含量和介質(zhì)的溫度和鹽度有關(guān)，因此通過貝殼碳酸鹽同位素的研究，可以分析介質(zhì)的性質(zhì)。古海洋的溫度測定基本原理Oisotopesduringthelast3m.y.Kumpetal.,TheEarthSystem,Fig.14-4Climaticcoolingacceleratedduringthelast3m.y.Notethatthecyclicitychangesaround0.8-0.9Ma?41,000yrspriortothistime?100,000yrsafterthistimeBassinotetal.1994Oisotopes—thelast900k.y.碳酸鹽磷酸鹽氧同位素生物來源骨骼或牙齒的無機(jī)質(zhì)：主要成分為羥磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2，血液中的碳酸根離子置換氫氧根離子或磷酸根離子，被稱為結(jié)構(gòu)碳酸鹽：

Ca10(PO4，CO3)6(OH，CO3)2。δ18Oδ18O來自磷酸鹽表示為δ18Opδ18O來自碳酸鹽表示為δ18Oc磷酸鹽和碳酸鹽氧同位素?fù)Q算骨骼氧同位素與飲用水的關(guān)系1984年，Longinelli分析了人和豬血液和骨骼磷酸鹽中δ18O與引用水的δ18O的關(guān)系。245次引用優(yōu)點(diǎn)人體體溫基本恒定，不受氣候的改變。人體大約有65%的水分。人體的水主要來自環(huán)境中的水。人體磷酸鹽的沉積是在相同物理化學(xué)條件下?；谏鲜隹紤]，Longinelli推測人體骨骼中磷酸鹽的δ18O與環(huán)境水的δ18O的因該有良好的相關(guān)性。為什么不考慮碳酸鹽？人血液中的數(shù)據(jù)與環(huán)境中的水?dāng)?shù)據(jù)關(guān)系血液中的水與大氣降水的線性關(guān)系圖豬血液中的數(shù)據(jù)與環(huán)境中的水?dāng)?shù)據(jù)關(guān)系人骨骼中的數(shù)據(jù)與環(huán)境中的水?dāng)?shù)據(jù)關(guān)系※豬骨骼中的數(shù)據(jù)與環(huán)境中的水?dāng)?shù)據(jù)關(guān)系動物與人類骨骼磷酸鹽差別？動物骨骼中的18O值比人體稍高。Onepossibleexplanationisthatanimalswateredatponds(moresensibletoseasonaleffects),whichparticularlyinaridareascanbe18Oenrichedbyevaporationeffects,whilehumansdrankriverwaterwhichis,normally,isotopicallymorenegativethanlocalrainwater.Moreover,inthecaseofherbivores,atleastapartofthedailywaterintakeisrelatedtograsswater.Whiletheevapotranspirationprocessescausean18Oenrichmentofgrassandleafwater.利用牙釉質(zhì)氧同位素計算年平均溫度利用哺乳動物骨骼或牙齒釉質(zhì)中的磷酸鹽的氧穩(wěn)定同位素來定量研究陸地古氣候,作為一種新的方法,最近越來越得到重視。哺乳動物骨骼或牙齒化石的δ18Opo4

能代表這些動物生活時期的原始數(shù)值,我們就可以利用現(xiàn)生哺乳動物的經(jīng)驗方程來計算地質(zhì)歷史時期的年平均溫度。馬科動物牙釉質(zhì)18O與降水18O的關(guān)系第一個公式根據(jù)10個樣品得到第二個公式根據(jù)6個樣品得到鄧濤根據(jù)16個樣本的數(shù)據(jù)重新計算得到：的關(guān)系鄧濤推導(dǎo)出下列公式氧同位素與遷徙Theefficaciousnessofusingδ18OisotoperatiosinhumanboneforanthropologicalstudiesfocusingonmigratorybehaviorwasshownbyWhiteetal.(1998)whocomparedtheboneoxygenisotopesignaturesinarchaeologicalremainstothosecharacteristicforaspecificgeologicalregiontotracegeographicaloriginsintheValleyofOaxacainMexico.Evansetal.(2006)examinedtwoburialsfromAmesburyEngland,oneofwhichisknownasthe“AmesburyArcher”,andfoundthatthisindividual’s18OcompositionisnotcharacteristicforBritainbutrathercentralEurope,implyingthatthe“Archer”wasanon-local.Theδ18ΟvaluesfromthesecondburialindicatedthattheindividualwasprobablyfromsouthernEnglandorIreland.Scientistsanalyzingtheremainsofthe5300yearoldNeolithic“Iceman”mentionedearlier,whichwasdiscoveredinNorthernItaly,foundthebonestobesignificantlylighterin18Ocomparedtothetoothenamel,indicatingthattheIcemanspenthischildhoodatloweraltitudes(Mülleretal.2005,Hoogewerffetal.2001).鍶穩(wěn)定同位素回顧——氮穩(wěn)定同位素_骨膠原氮穩(wěn)定同位素15N/14N——與食物鏈營養(yǎng)級相關(guān)—反映了肉食資源的攝入情況----食草類動物，為3‰~7‰------雜食類動物，為7‰~9‰——人一級食肉類動物以及各種魚類，為9‰~12‰

。二級食肉類動物，其值更高?；仡櫋?dú)溲醴€(wěn)定同位素_骨骼系統(tǒng)氫氧穩(wěn)定同位素分餾——水的蒸發(fā)和凝聚不同地區(qū)的大氣降水的δ18O和δD不同。

溫度效應(yīng)——在中高緯度大陸內(nèi)部（正關(guān)系）

在中低緯度海洋和季風(fēng)區(qū)（副關(guān)系）

緯度效應(yīng)——由低到高，數(shù)值逐漸降低

季節(jié)效應(yīng)——夏季高，冬季低

高度效應(yīng)——海拔高數(shù)值低，海拔低數(shù)值高

解決問題：遷移和環(huán)境溫度、降雨量等假設(shè)，我們的飲水來自大氣降水區(qū)域多年平均δ18O與平均氣溫之間相關(guān)關(guān)系以及特定地區(qū)年平均δ18O

與氣溫之間相關(guān)關(guān)系是古氣候重建研究的一種獨(dú)特方法。我國北方年平均降水與年平均氣溫的關(guān)系δ18O=0.52T-14.03張琳等（2008）第31卷第9期核技術(shù)，我國不同時間尺度的大氣降水氧同位素與氣溫的相關(guān)性分析降水與骨骼磷灰石的關(guān)系Longinelli推測人體骨骼中磷酸鹽的δ18O與環(huán)境水的δ18O的因該有良好的相關(guān)性。鄧濤馬科動物牙釉質(zhì)δ18Ow指大氣降水鍶同位素strontiumisotope鍶同位素

鍶穩(wěn)定同位素鍶Sr有23個同位素，其中4個天然存在的穩(wěn)定同位素及其平均相對豐度為：88Sr＝82.53%87Sr＝7.04%（放射線成因）86Sr＝9.87%84Sr＝0.56%（Faure,1986）。放射線成因的87Sr87Rb

87Sr＋

-＋

＋Q（1905年J.J.湯姆遜Thomson首次發(fā)現(xiàn)銣的天然放射性）87Rb半衰期為4.88×1010年（Steiger&Jager,1977）由于87Rb衰變形成87Sr，因此。地球上87Sr的總含量是隨著時間不斷增加的，而且不同的礦物和巖石因為成礦或成巖的年代不同以及母巖中的銣鍶含量比不同，其鍶同位素組成也是不同的。銣-鍶法測定地質(zhì)年代礦物中其中，87Sr為礦物中現(xiàn)今的87Sr的原子數(shù)總量，87Sri為礦物中87Sr的初始原子數(shù)值，衰變常數(shù)

＝1.42×10-11a-1，t為礦物形成以來所經(jīng)歷的時間。鍶穩(wěn)定同位素在考古中的應(yīng)用1.文物產(chǎn)地研究一般用87Sr與86Sr的比值作為物質(zhì)中鍶同位素組成的度量，對于多數(shù)的巖石和礦物來說，87Sr/86Sr比值高于0.7，有的礦物可達(dá)1.0以上。2.古人棲息地遷徙早在20世紀(jì)80年代Ericson（1985）就提出，分析史前人骨的鍶同位素組成可能獲得關(guān)于古人棲息地變動的信息。一、鍶與文物產(chǎn)地研究Curran等（2001）曾利用鍶同位素對愛爾蘭新石器時代以Procellanite為原料的石器原料來源進(jìn)行過產(chǎn)地溯源。Freestones等（2003）曾經(jīng)尋求八九世紀(jì)地中海東岸4中伊斯蘭玻璃的原料種類。二、鍶穩(wěn)定同位素與人群遷徙研究古人棲息地的遷徙有相當(dāng)重要的考古意義?！鈦砣丝诘谋壤?，女性世襲的母系社會還是男性世襲從外地娶女成家的父系社會?！缙谌巳菏欠袷峭鈦砣丝?，可以提供關(guān)于目的所屬氏族是否從外地遷徙過來—新疆小河?！貐^(qū)人口的來源及其對文化或文明形成的影響—商王朝是奴隸社會嗎？

為什么選擇鍶？鍶、鉛和釹是3種其同位素組成在自然界有顯著地區(qū)和礦源漲落的中等重量以上的元素，不同地區(qū)可能具有不同的鍶同位素組成。鍶能以較高的含量結(jié)合進(jìn)入人體組織的羥基磷灰石中。鉛——青銅器礦料溯源。鍶穩(wěn)定同位素分析原理Sr穩(wěn)定同位素在地球物質(zhì)中分布不均勻：1.相同時間不同區(qū)域形成的巖石具有不同的鍶同位素組成。2.同一區(qū)域不同時期，甚至同一時期形成的巖石，鍶同位素的組成也存在明顯的差異。這種差異性為研究人類的遷徙提供了可靠的基礎(chǔ)。當(dāng)巖石風(fēng)化形成土壤時，生長在這些土壤中的植物就會獲得這些巖石的87Sr/86Sr比值——食草動物——食肉動物（或人體）,保留在骨骼系統(tǒng)中。鍶穩(wěn)定同位素分析原理骨骼和牙齒中90%都是無機(jī)物，主要由鈣羥磷灰石組成Ca10(PO4)6(OH)2。鍶的化學(xué)性質(zhì)和原子半徑與鈣相似，在骨骼和牙齒形成過程中，鍶可以取代晶格中的鈣離子，濃度可達(dá)102-103ppm數(shù)量級。骨骼中的鍶濃度明顯高于牙釉質(zhì)，可能因為人類幼年所吃的食物中乳汁占有相當(dāng)大的比例有關(guān)，而乳汁中鍶濃度低引起的。鍶穩(wěn)定同位素分析原理骨骼—不斷地與外界物質(zhì)發(fā)生交換，不同的部位具有不同的轉(zhuǎn)換率，骨密質(zhì)中的轉(zhuǎn)換率大約是3%每年，骨松質(zhì)的大約是26%每年，因此可以記錄個體最后2年-20年生活地區(qū)的鍶同位素特征。牙齒—在個體幼年期就形成了，而且其結(jié)構(gòu)不再發(fā)生變化，即使個體死亡之后，也只會在牙釉質(zhì)的表面發(fā)生部分的成巖作用，牙釉質(zhì)內(nèi)部的物質(zhì)組成仍然不會發(fā)生變化，可以反映個體幼年時期生活地區(qū)的鍶同位素特征幾種情況同一個體牙釉質(zhì)與骨骼中的鍶同位素比值存在差別，表明個體幼年和成年時期生活在不同的地區(qū)，發(fā)生過遷移；比值一致，則表明個體在同一地區(qū)生活。個體骨骼和牙釉質(zhì)的鍶同位素比值與遺址當(dāng)?shù)氐逆J同位素比值一致，表明個體是當(dāng)?shù)厣畹膫€體；不一致則表明個體是從其他地區(qū)遷移到當(dāng)?shù)厣畹?。人類遷徙推斷問題當(dāng)鍶穩(wěn)定同位素從風(fēng)化的巖石進(jìn)入食物鏈到最后保存在人體骨骼系統(tǒng)中時。87Sr和86Sr的分餾作用非常小，可以忽略不計，87Sr/86Sr比值基本保持不變。生活在不同地區(qū)的人們，其體內(nèi)的鍶同位素比值可以反映其生活地區(qū)的鍶同位素特征，記錄當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境中的鍶同位素狀況。能不能使用地質(zhì)測量的鍶比值作為當(dāng)?shù)劓J穩(wěn)定同位素的基準(zhǔn)值？原因1——鍶的來源問題當(dāng)?shù)丨h(huán)境中的同位素比值是由來源于大氣和礦物風(fēng)化中的鍶混合組成的。例如，現(xiàn)代土壤中的鉛主要是大氣來源的，在世界上的某些地區(qū)鍶可能也是這樣。然而，這類大氣沉降的影響在大部分地區(qū)可能是很微小的，尤其是在史前時期。原因2——鍶的變化范圍問題此外，一種巖石中可以包括具有87Sr/86Sr比值變化范圍很大的各種礦物。在通常的情況下，這些礦物將會以不同的速率進(jìn)行風(fēng)化。由于礦物不同的風(fēng)化速度和土壤是由各種來源的沉積物混合組成的，因此當(dāng)?shù)氐耐寥辣憩F(xiàn)的是87Sr/86Sr的范圍，而不是任何準(zhǔn)確的全巖的平均值。尤其特別的是，沖積土傾向于體現(xiàn)出來源物質(zhì)的87Sr/86Sr的平均值。原因3——生物利用問題許多科學(xué)工作者對土壤、巖石、植物、動物和水等的研究表明，生物利用的鍶同位素比值與基巖和其他環(huán)境中的鍶同位素比值可能存在著明顯的不同。雖然在一個特定地區(qū)的巖石、土壤和植物中的87Sr/86Sr值間有顯著的變化，但是動物骨骼組織中的值卻通常非常驚人的相一致。有一系列對不同物種的研究證明了這種情況。

原因3Sillen等（1998）年曾在南非的斯特克方丹遺址采集了不同類型巖石上面發(fā)育的土壤和生長的植物，土壤的87Sr/86Sr有較大的漲落，為0.7~0.9之間，而植物的87Sr/86Sr值集中在0.71~0.75之間。漲落小于土壤。主要原因植物吸收溶解于地表水中鍶的化合物，而水的流動性，對地區(qū)鍶同位素組成起到某種混合和均勻化的作用。也有人觀察到，沖積平原不同地點(diǎn)的土壤的鍶同位素組成的漲落較小。動物到處覓食多種動植物，導(dǎo)致其集體中鍶同位素組成進(jìn)一步的平均化。一個地區(qū)巖石、土壤、水和植物中的鍶同位素比值都存在著一些變化和差異，不適合作為判斷人類是否發(fā)生遷移的當(dāng)?shù)劓J同位素比值。因此，必須從其他方面考慮。結(jié)論1.利用史前或者現(xiàn)代小動物的牙釉質(zhì)來確定，即把動物（豬、狗）牙釉質(zhì)的87Sr/86Sr比值的平均值±2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差作為當(dāng)?shù)劓J同位素比值的范圍，并且最好使用遺址中出土的動物牙釉質(zhì)，這樣將會最小化環(huán)境變化和各種污染所引起的鍶同位素比值變化的問題。測定當(dāng)?shù)氐?7Sr/86Sr利用豬的鍶同位素建立當(dāng)?shù)胤秶煌扑]使用2.另一種方法是直接把所研究的人體骨骼中87Sr/86Sr比值的平均值±2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差作為當(dāng)?shù)氐逆J同位素比值，這種方法比較直接，在先前的研究中使用較多?，F(xiàn)在的研究者更傾向于使用前一種方法來確定遺址當(dāng)?shù)氐逆J同位素比值。研究遷徙的注意問題一是所研究個體必須是在鍶同位素組成存在差異的地質(zhì)區(qū)域之間遷移，如果遷移的地區(qū)間死穩(wěn)定同位素組成差異很小，則很難將遷移的個體區(qū)二是所研究的個體不能頻繁的發(fā)生遷移，如果經(jīng)常在不同鍶同位素組成的地質(zhì)區(qū)域之間進(jìn)行活動，則很難對其牙齒和骨骼的鍶同位素數(shù)據(jù)作出具體的揭示。三是只適用于第一代移民，移民的后代不能顯示出遷移的現(xiàn)象。此外，還有兩個需要特別注意的問題：1.樣品的去污染；2.遺址當(dāng)?shù)劓J同位素比值的確定。實例1在南非的開普敦地區(qū)，研究人員在開普敦海灘的FortKnokke遺址不遠(yuǎn)處發(fā)現(xiàn)了一個淺的合葬墓，墓葬中的很多個體牙齒都有雕刻和裝飾的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象表明他們是來自于非洲地區(qū)。身份調(diào)查從骨化學(xué)，骨形態(tài)學(xué)，歷史研究和文獻(xiàn)調(diào)查等方面對這些個體的身份進(jìn)行了綜合分析。鍶同素分析的結(jié)果表明這些個體來自于不同的地質(zhì)區(qū)域，曾在不同的地區(qū)生活，C、N元素分析的結(jié)果表明這些個體的食譜存在著差異，這與鍶同位素的分析結(jié)果是一致的。結(jié)論經(jīng)過對歷史事件和文獻(xiàn)資料的研究發(fā)現(xiàn)這些黑人個體是在被葡萄牙奴隸貿(mào)易船acquetReal號從莫桑比克運(yùn)往巴西時，在桌灣(TableBay)附近發(fā)生事故時死亡的個體，鍶同位素的比值和牙齒裝飾的現(xiàn)象表明這些個體可能來自于莫桑比克的Makua、Yao和Maravi地區(qū)。古人類食物結(jié)構(gòu)演化研究

內(nèi)容在古人類食物結(jié)構(gòu)演化研究

——南方古猿

——尼安德特人

——田園洞人中國古代代居民飲食結(jié)構(gòu)

——中國首個食譜分析（蔡蓮珍、仇士華）古人類食物結(jié)構(gòu)演化研究自猿向現(xiàn)代人進(jìn)化的漫長歲月里,其食物結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化,即以植物類食物為主轉(zhuǎn)為動植物類食物并重。那么,食物結(jié)構(gòu)的改變,對人類的進(jìn)化究竟產(chǎn)生了怎樣的影響呢?現(xiàn)代營養(yǎng)學(xué)的研究表明,與現(xiàn)生大猿相比,人類食物結(jié)構(gòu)的多元化有利于人類從外界環(huán)境吸收多種營養(yǎng),在一定程度上降低了嬰兒的死亡率、延長了他們的平均壽命,增強(qiáng)了適應(yīng)外界環(huán)境的能力。而肉食的攝取,則對于人類增大腦量、開發(fā)心智和改善營養(yǎng),更是至關(guān)重要。此外,食物新種類的獲取,也往往與人類行為的進(jìn)化密切相關(guān)。因此,人類食物結(jié)構(gòu)的演化之路,自始至終都是人類起源和進(jìn)化研究的重要組成部分,而萬年以前古人類(hominin)食物結(jié)構(gòu)的探索,更是揭示人類食物結(jié)構(gòu)演化的關(guān)鍵所在。Sr生物純化：一般說來,Sr的吸收遠(yuǎn)不如Ca吸收有效,致使骨中的Sr/Ca值顯著降低。通常,食草動物骨中積淀的Sr/Ca約為其食物的1/5,而食肉動物骨中積淀的Sr/Ca又約為食草動物的1/5。一般認(rèn)為,C3植物的δ13C平均值約為-26.5‰,而C4植物的δ13C平均值則約為-12.5‰。豆科植物的δ15N大約等于0‰,而非豆科植物的δ15N則稍高，同位素,N同位素的富集顯得更有規(guī)律,營養(yǎng)級每上升一級,大約富集3‰～4‰,如較之食物,食草類動物骨膠原的δ15N,將富集約3‰～4‰;而較之食草類動物,以之為食的食肉類動物δ15N,又將進(jìn)一步富集約3‰～4‰。陸地系統(tǒng)海洋系統(tǒng)C3海藻白尾鹿軟體動物浮游生物非洲自古以來既生長有茂密的樹林（C3)，也有開闊的草原（C4)肯尼亞科比福拉營養(yǎng)系統(tǒng)食草動物陸生營養(yǎng)系統(tǒng)（一）南方古猿的食物結(jié)構(gòu)人類的進(jìn)化之路人類的進(jìn)化大致分四個階段：1）南方古猿Australopithecines（400萬～150萬年前）——阿法種、非洲種、粗壯種、鮑氏種等

2）能人Homohabilis（260~150萬年前）

3）直立人Homoerectus（180~20萬年前）

4）智人Homosapiens（20萬年以后）早期智人——20~5萬年前晚期智人——5萬年以后人類的進(jìn)化史阿法南猿沙赫人屬地猿屬千年人屬始祖南猿肯人屬南猿非洲種能人匠人直立人魯?shù)婪蛉四戏焦旁丑@奇種傍人埃塞俄比亞傍人粗壯種傍人鮑氏種尼安德特人智人海德堡人真人屬進(jìn)化譜系早期智人ArchaicHomosapiens晚期智人Homosapiens南方古猿：纖細(xì)種&粗壯種南方古猿,主要分為纖細(xì)種（非洲種africanus）和粗壯種（robusts）。牙齒形態(tài):粗壯種的門齒、犬齒較小,而頜骨較粗壯,加上臼齒碩大,牙齒琺瑯質(zhì)甚厚,據(jù)此推測,其主要食物可能為小而硬的、多纖維的粗糙植物,并進(jìn)一步認(rèn)為粗壯種的最終滅絕,很可能與這種低營養(yǎng)的食物結(jié)構(gòu)有關(guān)。纖細(xì)種的食物種類多樣,為雜食結(jié)構(gòu),其營養(yǎng)明顯廣譜化,從而增強(qiáng)了他們的進(jìn)化優(yōu)勢,并最終成為人類(Homosapiens)的直系祖先。而由纖細(xì)種進(jìn)化而成的人屬(Homo),其腦容量較大而腸胃的吸收面積較小,唯攝取人體所需的復(fù)合營養(yǎng)方能有此結(jié)果,因此,人屬的食物結(jié)構(gòu)也必然具有雜食的特征。然而,骨化學(xué)分析的研究成果,卻對此提出了新的見解。南非斯瓦特克朗斯Swartkrans遺址發(fā)現(xiàn)了大約180萬年前的南方古猿粗壯種,1992年，Sillen等測定了其骨骼的Sr/Ca比值,并與該遺址食草類和食肉類動物的相應(yīng)Sr/Ca值進(jìn)行了比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn),南方古猿粗壯種的Sr/Ca值,略高于該遺址的食肉類動物,而遠(yuǎn)低于食草類動物,這一事實表明,該遺址南方古猿粗壯種的食物結(jié)構(gòu)應(yīng)與食肉類動物相近,即其食物組成中應(yīng)該有一定量的動物。1995年，Sillen等分析了該遺址的人屬(Homosp.),具有更高的Sr/Ca值,這可能與其較為廣泛地攝取富含Sr的地下植物資源(如塊莖類植物)有關(guān)。粗壯種——Sr/Ca非洲種——Sr/Ca2005年，Sponheimer分析了南非斯泰克方丹(Sterkfontein)地區(qū)的南方古猿非洲種(A.africanus),其牙齒琺瑯質(zhì)的Sr/Ca比值,雖也位于食草類動物和食肉類動物之間,但顯著高于南方古猿粗壯種,表明該南方古猿仍屬雜食類,但較南方古猿粗壯種更多地攝取了富含Sr的食物,如地下塊莖類植物、昆蟲類等。黑猩猩的食物結(jié)構(gòu)—穩(wěn)定同位素一般認(rèn)為,與人類祖先最為接近的現(xiàn)生猿類,當(dāng)屬非洲的黑猩猩。因此,黑猩猩的食物結(jié)構(gòu),在一定程度上代表著最早期人類的食物結(jié)構(gòu)。黑猩猩食物結(jié)構(gòu)的研究表明,其食物主要為森林中的果類或嫩樹葉,即C3類植物,研究還發(fā)現(xiàn),即便在C4類植被和食物十分豐富的草原環(huán)境中,其食物依然主要為C3類植物,表明黑猩猩的食物結(jié)構(gòu)相當(dāng)穩(wěn)定。粗壯種—13C穩(wěn)定同位素分析1994年Lee-Thorp對南非斯瓦特克朗斯(Swartkrans)地區(qū)約180萬年前的南方古猿進(jìn)行了穩(wěn)定同位素分析,其牙琺瑯質(zhì)則相對富集了13C,表明其食物雖以C3類為主,但已有一定量的C4類食物,它可能來自C4類植物、以C4類植物為主要食物的動物或者兩者兼而有之。2006年Sponheimer利用牙琺瑯質(zhì)的激光消融(Laserablation)穩(wěn)定同位素分析進(jìn)一步證實,該古猿對C4類食物的攝取,還存在著季節(jié)性或年度性的明顯變化,表明C4類食物的攝取,業(yè)已成為該古猿賴以生存的主要手段之一。vanderMerwe分析了距今300萬年前的南非Makapansgat地區(qū)以及年代稍晚些的南非斯泰克方丹地區(qū)南方古猿非洲種的食物結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其與粗壯種基本相似,只是C4類食物的比例更高

,個體間食物結(jié)構(gòu)的差異也更大,反映了該古猿適應(yīng)生存環(huán)境的能力更強(qiáng)。非洲種—13C穩(wěn)定同位素分析匠人—13C穩(wěn)定同位素分析Homoergaster（190-140萬年前）根據(jù)在東非發(fā)現(xiàn)的更新世早期人類化石命名的人屬成員。其身體大小、形狀和牙齒特征與后期人類更為接近，被認(rèn)為是智人的祖先。但也有人認(rèn)為匠人與直立人相同。對匠人的食物結(jié)構(gòu)分析顯示其δ13C值卻與南方古猿粗壯種、非洲種基本相同,差異并不顯著。南方古猿和直立人Lee-Thorp（2003）測量了一批南方古猿和直立人牙化石、古代和現(xiàn)代動物牙齒琺瑯質(zhì)中的δ13C。各類猩猩和長頸鹿，以新鮮的樹葉和果子為食稱為“Browsers”，C3植物為主，-12‰石化和現(xiàn)生馬科動物及牛羚等食草動物“Grassers”，C4植物為主，0‰南方古猿和直立人-8‰~-6‰之間，C4植物和食草動物在他們的食譜中也占有一定比例。當(dāng)氣候干旱森林退化而草原發(fā)育時，南方古猿和直立人的繁衍發(fā)展將占據(jù)優(yōu)勢。推測新近紀(jì)中新世(Miocene)的古人類,仍棲息在森林環(huán)境,主要以C3類的果類和嫩葉等為生的話。上新世(Pliocene)乃至更新世(Pleistocene)早期,南方古猿在學(xué)會雙足行走的同時,其食物結(jié)構(gòu)也由素食轉(zhuǎn)為雜食,即雖以C3類為主,但已包含相當(dāng)量的C4類食物,如莎草、白蟻、無脊椎動物、爬行類、鳥類以及小型哺乳類動物。古環(huán)境研究還表明,即使南方古猿的生存環(huán)境類似于現(xiàn)代黑猩猩的棲息地,其食物中依然包含相當(dāng)量的C4。C4類食物的攝取,可能與雙足行走一樣,成為古猿的基本特征之一,使得古猿能夠更好地適應(yīng)生存環(huán)境。南方古猿阿法種

南方古猿粗壯種人屬Australopithecusafarensis我國的工作趙凌霄（博士論文）曾經(jīng)測量了30多件早更新世動物牙齒化石的δ13C，樣品包括湖北建始龍骨洞的布氏巨猿和其他哺乳動物牙化石（包括鹿、牛等食草動物）、廣西柳城巨猿洞的布氏巨猿。測量值集中在-16‰~-18‰，漲落很小。趙凌霄推斷，巨猿等哺乳動物主要以C3類植物為食物，它們的生存環(huán)境應(yīng)該是茂密的森林而不是開闊的草原。（二）尼安德特人的食物結(jié)構(gòu)距今大約30萬~3萬年生活在歐洲、近東和中亞地區(qū)的古人類。在3萬多年前,隨著冰川蔓延過整個歐洲大陸,這個人種滅絕了。尼安德特人已經(jīng)能夠制造使用復(fù)合工具、具有狩獵能力及喪葬等習(xí)俗。對尼安德特人的分類地位有不同看法，有學(xué)者將其歸入一個人屬內(nèi)與智人并列的尼安德特種(Homoneanderthalensis)，也有學(xué)者將尼安德特人歸入古老型智人。尼安德特人的全基因組德國馬克斯普朗克進(jìn)化人類學(xué)研究所科學(xué)家斯萬特帕博領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊使用全基因組測序方法，對來自克羅地亞、德國、俄羅斯和西班牙的6個生活在約4萬年前的尼安德特人的骨骼進(jìn)行測序，并將測序結(jié)果與來自中國、法國、巴布亞新幾內(nèi)亞、非洲南部和西部的5個現(xiàn)代人的基因組進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，除非洲人外，現(xiàn)代人有約1%~4%的DNA（脫氧核糖核酸）源自尼安德特人，而之前的研究沒有找到過這種“基因共享”的證據(jù)。尼安德特人的食物來源Marillac遺址位于法國境內(nèi),距今約4萬年。早在20世紀(jì)90年代初期,Bocherens等即比較分析了該遺址哺乳動物與尼人骨骼的δ13C和δ15N,發(fā)現(xiàn)尼人的δ15N值與食肉類動物相當(dāng),表明尼人的食物結(jié)構(gòu)以肉食為主,主要來自于陸生環(huán)境下的食草類動物。之后,一系列其它遺址,如比利時的Scladina洞穴遺址(8～13萬年前和4萬年前)、Awirs洞穴遺址(4萬年前)和BetchealRoche洞穴遺址(4萬年前);法國的SaintCesaireI遺址(3.6萬年前);克羅地亞的Vindija洞穴遺址(3萬年前),這些遺址的尼人骨中的δ13C、δ15N值,均顯示:尼人與陸生食肉類動物處于同一營養(yǎng)級,屬于主動狩獵者,其食物的主要來源為開放環(huán)境下的陸生食草類動物。近10萬年內(nèi),其食物結(jié)構(gòu)始終相對不變,反映了其獲取食物資源的手段和方式較為單一。歐洲現(xiàn)代人Richards分析了一批歐洲現(xiàn)代人的δ13C、δ15N值,其中,1.3萬年前英國南部Gough和SunHole洞穴遺址的數(shù)據(jù)表明,其δ15N值甚高,與陸生的食肉類動物相當(dāng),反映了這些現(xiàn)代人的食物主要來自陸生的食草類動物,如?；蝰R鹿等。對于距今約2.6萬年的捷克、俄羅斯和英國各遺址,其δ15N值高于陸生食肉類動物,而與淡水魚、水禽相似,表明這些現(xiàn)代人的主要食物來源為淡水類食物,如魚、貝類或鳥類。對于英國北威爾士距今約1.2萬年的Kendrick洞穴遺址,其δ13C、δ15N值表明,那里現(xiàn)代人的食物中,海生類的比例為30%左右,很可能為高營養(yǎng)級的海生生物,如海里的哺乳動物等。尼人被取代的原因之一現(xiàn)代人,其食物資源已不僅限于陸生食草動物,還包括其它食物,如淡水類和海生類,顯示了現(xiàn)代人通過擴(kuò)大狩獵范圍和領(lǐng)域,在食物資源的選擇上比尼人具有更大的靈活性,增強(qiáng)了現(xiàn)代人對于生存環(huán)境的適應(yīng)性。正是由于其食物結(jié)構(gòu)的“廣譜革命”(broadspectrumrevolution),即食物的種類和來源較以前更為廣泛,才使得現(xiàn)代人的人口代代順利增長,在“物競天擇”中逐步占據(jù)了上風(fēng),并最終取代尼人而成為歐洲的主人。（三）田園洞人的飲食結(jié)構(gòu)田園洞人的發(fā)現(xiàn)2001年，北京市田園林場(位于北京市房山區(qū)，距離著名的周口店北京猿人遺址約6公里)的工作人員在尋找水源時發(fā)現(xiàn)了一個山洞，洞內(nèi)看起來很幽深。工作人員進(jìn)去尋找水源，結(jié)果在洞內(nèi)挖掘時發(fā)現(xiàn)了一些動物化石。隨后，林場經(jīng)理田秀梅就攜帶著部分動物碎骨到中科院古脊椎動物與古人類研究所請求鑒定。世界文化遺產(chǎn)-周口店遺址周口店遺址是一處古人類文化遺址，位於北京市西南約48公里處的房山周口店龍骨山，是世界上材料最豐富、最系統(tǒng)、最有價值的舊石器時代早期的人類遺址。1929年，發(fā)現(xiàn)了北京人（68-78萬年）

1936年，發(fā)現(xiàn)山頂洞人（~3萬年）1967年，發(fā)現(xiàn)新洞人（~17~11萬年前）2003年，發(fā)現(xiàn)田園洞人（~4萬年前）2003年發(fā)掘2002年底周口店古人類學(xué)研究中心向國家文物局提出發(fā)掘申請，2003年5月獲得發(fā)掘執(zhí)照。2003年6月，發(fā)掘取得了突破，周口店古人類研究中心在周口店遺址附近的田園洞出土了這批山頂洞人時期的晚期智人化石。田園洞由此也成為了周口店遺址群的第27個地點(diǎn)。到目前為止，考古人員已從田園洞里挖掘出的古人類化石有：帶有牙齒的下頜骨、鎖骨、肱骨、橈骨、胸骨、股骨、腓骨等，它們屬于同一個男性個體。從牙齒的磨損情況看，年齡較大，形態(tài)上屬智人，和現(xiàn)代人差異不大?？脊湃藛T命名———“田園洞人”。田園洞人年齡幾何？2007年用田園洞6塊動物骨化石和一根人類大腿骨采取的共7件樣品得出的年代數(shù)據(jù)彼此相差很小，更增強(qiáng)了這個年代的可信度。田園洞人下頜骨上前后齒的比例居于歐洲著名的尼安德特人和現(xiàn)代人的的重疊范圍之內(nèi)，尼安德特人是距今3萬到10萬年間的古老型人類。而且田園洞人指脛骨（小腿骨）、腕骨和指節(jié)骨的一些特征也與尼安德特人類似，比如田園洞人的小腿骨比較粗壯，而現(xiàn)代人則明顯細(xì)長些；田園洞人手指骨末端的隆起類似圓形，而現(xiàn)代型人的則似馬蹄形；此外，田園洞人手腕的鉤骨明顯長于現(xiàn)代人。這表明田園洞人的基因并不完全來自非洲現(xiàn)代型人類，部分基因可能來自以尼安德特人為代表的歐亞大陸的古老型人類，吳新智院士表示，這也證明非洲現(xiàn)代型人并未完全取代包括中國在內(nèi)的歐亞大陸古老型人類，為現(xiàn)代型人類“多地區(qū)進(jìn)化說”提供了有力的論據(jù)，“這毫無疑問對目前流行的‘非洲起源’學(xué)說提出了巨大的挑戰(zhàn)。2007年的新發(fā)現(xiàn)成為歐亞大陸東部最早的在形態(tài)上與現(xiàn)代智人一致的古代人類化石記錄田園洞人的重大意義-我們的祖先田園洞人屬於晚期智人，在形態(tài)上屬于解剖學(xué)上的現(xiàn)代智人，已經(jīng)跟現(xiàn)代人基本是一樣的了。中國從4萬年前一直到現(xiàn)在，沒有任何證據(jù)表明人類有很大的遷徙活動。所以應(yīng)該說，他就是我們的祖先。支持吳新智先生提出的東亞地區(qū)人類“連續(xù)進(jìn)化附帶雜交”的理論。田園洞人古DNA研究田園洞人只攜帶著少量古老型人類——尼安德特人和丹尼索瓦人的DNA，更多表現(xiàn)的是早期現(xiàn)代人的基因特征，且與當(dāng)今亞洲人和美洲土著人（蒙古人種）有著密切的血緣關(guān)系，而與現(xiàn)代歐洲人（歐羅巴人種）的祖先在遺傳上已經(jīng)分開，分屬不同的人群。田園洞人（性別仍不清）的線粒體很明確屬於現(xiàn)代人的支系，尤其B4’5型主要只分佈在亞洲東部（漢族占百分之十幾）、大洋洲和美洲（而大洋洲和美洲的這部分人也很明確是從亞洲東部遷過去的）田園洞人的生活環(huán)境距今大約4萬年前的地球，正好處于末次冰期中一個相對溫暖時期，這時候的北京-華北平原地區(qū)溫暖濕潤，有著大片的草甸草原和森林草原，出產(chǎn)各種鮮美的果實。這里的各種梅花鹿，豪豬等至少三十多種動物安適平和的生活著。田園洞是北京西山上一個并不起眼的小山洞，處在燕山山脈向華北平原過渡的丘陵地帶，豐富的動植物和水資源為田園洞古人類的生息繁衍提供了難得家園。田園洞人在這里一代代的繁衍生息，直到大約2萬年前，華北的氣候發(fā)生了變化，末次冰盛期的到來使得氣候變得寒冷，很多動物都離開了，洞穴中的空間也逐漸減小，田園洞人也隨之遠(yuǎn)離了這里。研究目的—田園洞人以何為生？周口店田園洞是近幾十年來所發(fā)現(xiàn)的距離周口店遺址最近的含古人類化石及哺乳動物化石豐富的洞穴。田園洞動物群以梅花鹿占絕對優(yōu)勢,食肉類動物很。對梅花鹿年齡結(jié)構(gòu)分析的研究表明中年、青年個體占主體,其次為幼年和老年個體，很可能與史前人類狩獵活動有關(guān)。以捕獵梅花鹿為生？食草動物C3