7000年前的便便有哪些研究价值

作者:吴非来源:环球科学发布时间:2020-05-08

对于考古学家来说,数千年前的粪便就是了解古代人类与社会演化的重要信息库。

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?

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图片来源:安徽省文物考古研究所

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。

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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。

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夜壶以及其中的粪便(图片来源:Kate Britton)

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。”

——《原标题:一坨7000年前的粪便,如何分辨它来自人还是狗?》

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