考古学家是怎么分辨7000年前的粪便的?

作者: 吴非来源:环球科学发布时间:2020-05-05

考古遗址中有价值的遗骸与文物那么多,为什么考古学家还要研究粪便呢?

你能区分出人类与犬类的粪便吗?如果你家中养了狗狗,或者你居住的小区里有不够自觉的养狗人,那么这对你来说似乎够不上难题——至少在大多数情况下,这两种粪便在尺寸形态上有着明显的差异。

但是,这个问题对于考古学家来说,就是另一回事了。区分考古遗址中人与犬类的粪便,有着重要的科学意义,但同时也充满了挑战性。最近,来自马克斯·普朗克人类历史研究所等机构的科学家就借助人工智能手段,开发了首款能够区分人类与犬类粪便的系统。

考古遗址中有价值的遗骸与文物那么多,为什么考古学家还要研究粪便呢?这些形成于几百或数千年前的粪便,至今尚未或仅仅部分矿化,因此还保留了大量原始成分,包括粪便制造者的DNA、肠道微生物、他们的饮食以及食物的DNA。对于考古学家来说,这些成分就是了解古代人类与社会演化的重要信息库。

例如,通过分析古人粪便的成分,我们可以了解古人饮食习惯的演化;而其中的肠道微生物,不仅映射出古人的肠道健康状况,还能反映他们是否患上了炎症性肠病、糖尿病、肥胖症等特定的疾病。而实现这一切的第一步,就是确认这些粪便的确是来自人类。

正因为粪便蕴藏的信息量惊人,在辨别粪便主人时,考古学家遇到了一些困难。最大的挑战,就是区分人类与犬类的粪便。


考古学难题

人类驯化犬类的确切时间还存在争议,但至少在超过1万年前,犬类已经开始出现在人类社会中,与人类建立起密不可分的联系。因此在世界各地的考古遗址中,犬类的遗骸,以及粪便,就常常与古代人类的一同出土。

尽管新鲜的粪便不难辨别,但经过了千百年的沉积过程,这些粪便都经历了不同程度的形变。更不用说很多粪便在这一过程中已经被压碎,成为只有毫米级的碎块,融入周围的沉积物中。只有通过高磷、粪甾醇等化学特征,人们才能确认这里有粪便存在。因此,你掌握的那些辨认粪便主人的技巧,对于考古学家来说往往并不适用。

下面这张图片中的粪便,来自安徽省的小孙岗遗址。猜一猜,这些有着7200年历史的便便,是由人还是犬类制造的?

如果刚才这张照片还可以辨别,那么对于下面这坨来自1300年前墨西哥的Cueva de los Muertos Chiquitos遗址,已经完全融入沉积物中的粪便,肉眼显然是无能为力了。

除了肉眼识别,还有其他技术手段可以用于分辨古代粪便的主人吗?当然有,但问题同样存在。目前常用的手段是线粒体DNA测序。粪便在通过肠道的过程中,有大量肠上皮细胞脱落,这些细胞提供了主人的遗传物质。此外,食物中的遗传物质也反映在粪便中。

古代人类与犬类密切关联,在饮食上也有不少相似之处。体现在粪便中,就是“你中有我,我中有你”:一方面,我们都知道一句“狗改不了吃X”的俗语。一些犬类的确有着进食人类排泄物的习惯,因此它们的粪便中可能包括了人类的DNA;另一方面,在一些地区的文化中,有着吃狗肉的传统。这样一来,人类与犬类的遗传物质可能出现在对方的粪便中,互相形成干扰。


粪化石鉴定系统

还有更加准确的手段,可以帮助考古学家充分利用这些史料吗?

最近,马斯克·普朗克人类历史研究所等机构的科学家借助人工智能,开发了一套识别粪便来源的系统——coproID(coprolite identification,即粪化石鉴定)。这项系统发表于PeerJ期刊。

在检测遗传物质的基础上,这项研究的作者还关注了粪便中的肠道微生物特征。为了训练这套系统,研究团队收集了大量相关的基因序列,包括现代人类、犬类的遗传物质,以及两者的肠道微生物等信息。此外,这套系统还能够排除现代DNA的干扰。经过大量样本学习,研究人员相信,coproID能够结合样本中的DNA与肠道微生物特征,区分人类与犬类的粪便。

于是,对coproID的测试开始了。这套系统面对的是20个样本,其中13份是来自考古遗址的粪便,这些样本来自中国、墨西哥、欧洲的10个遗址,时间从7200年前到中世纪不等。(前文来自安徽小孙岗遗址与墨西哥的两张粪便照片,也属于coproID的考题。)而另外7份样本则是不含粪便的沉积物。coproID的任务有两项:辨认出每一份样本是否属于粪便;如果是粪便,其主人又是什么。

结果,coproID准确识别出所有不含粪便的样本。而在13份粪便中,coproID辨认出其中7份的主人:5份是人类粪便,其余两份来自犬类。(其中,图片中小孙岗遗址的粪便属于犬类,而另一份已经不成型的粪便样本属于人类,你猜对了吗?)

在这些样本中,下面这份来自英国17世纪的一个夜壶中的粪便样本尤其值得关注。考虑到其出现的地点,此前考古学家毫不犹豫地认为它们是人类粪便,它们也顶着“人类粪便”的标签在博物馆里躺了几十年。但coproID却给出了相反的结论:这些粪便毫无疑问来自犬类。至于为什么犬类的排泄物会出现在夜壶中,coproID无法回答,但至少博物馆或许可以考虑更换标签了。

至于6份coproID系统无法识别的粪便样本,研究人员表示,其中3份的遗传物质含量太低,因此不足以鉴定;剩余3份来自墨西哥的样本更加有趣:其肠道微生物符合人类特征,但来自犬类的DNA含量却异常地高。

既然样本的主人只有一个,而不可能是由人类与犬类粪便混合而成的,那么问题出在哪呢?

在研究人员看来,两种可能性均无法排除。一方面,如果这些样本来自人类,那么合理的解释是,他们在制造这些粪便之前,都恰好吃了狗肉。需要一些偶然性,但也并非不可能出现。

另一种可能性,如果这些粪便来自犬类,那么偏向人类的肠道微生物特征又该如何解释?还记得研究人员是如何训练coproID的吗?他们收集的数据中,包含了犬类的肠道微生物。而这些犬类,都是来自现代家庭喂养的宠物狗。与一千多年前的犬类相比,宠物狗的饮食出现了天翻地覆的变化。随之而来的,是肠道微生物的改变。论文作者表示,要进一步验证这种假说并改进coproID系统,他们需要加入更多来自农村或野生的犬类的数据。

“对于犬类的微生物,我们了解得还不多,”这项研究的主要作者,马克斯·普朗克人类历史研究所的博士生Maxime Borry说,“我们希望人们可以关注犬类肠道微生物的多样性,这将帮助我们更准确地判断古代粪便的主人。”


原始论文:

Borry M, Cordova B, Perri A, Wibowo M, Honap TP, Ko J, Yu J, Britton K, Girdland-Flink L, Power RC, Stuijts I, Salazar-García DC, Hofman C, Hagan R, Samdapawindé Kagoné T, Meda N, Carabin H, Jacobson D, Reinhard K, Lewis C, Kostic A, Jeong C, Herbig A, Hübner A, Warinner C. 2020. CoproID predicts the source of coprolites and paleofeces using microbiome composition and host DNA content. PeerJ 8:e9001 https://doi.org/10.7717/peerj.9001

参考链接:

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/mpif-too041420.php

https://www.sciencemag.org/news/2020/04/archaeological-record-full-dog-poop

https://arstechnica.com/science/2020/04/archaeologists-now-have-a-handy-new-tool-for-analyzing-paleo-poop/

原标题:如何分辨7000年前的米田共?

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