來(lái)源：中國科學(xué)報 發(fā)布日期：2024-5-26??作者：馮麗妃
5月24日，距離杭州約120公里的浙江省浦江縣，藍天白云下，稻田環(huán)繞間，上山遺址迎來(lái)一個(gè)重要發(fā)現。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)地質(zhì)地球所）研究員呂厚遠、張健平，與浙江省文物考古研究所、臨沂大學(xué)等13個(gè)國內外單位的合作者，利用水稻“指紋”——植硅體微化石中的魚(yú)鱗紋數量等手段，解鎖了水稻從野生到馴化的10萬(wàn)年連續演化史。研究進(jìn)一步確認了中國是世界水稻的起源地，距今約1萬(wàn)年前的上山文化在其中占據重要地位。相關(guān)研究發(fā)表于《科學(xué)》。
“證據確鑿，結論高度創(chuàng )新。”國際審稿人評價(jià)說(shuō)，這項研究深入探討了水稻在中國的漫長(cháng)演化歷史，改變了人們對世界農業(yè)起源格局的認識，可以說(shuō)是迄今為止東亞水稻起源最全面的論證，具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值。
“這是一個(gè)科學(xué)的突破，更是一個(gè)文明的啟示。”地質(zhì)地球所所長(cháng)底青云說(shuō)，小麥、水稻的起源，是人類(lèi)發(fā)展歷史的重要里程碑。上山文化遺址中水稻馴化的證據表明，東亞稻作農業(yè)與西亞兩河流域麥作農業(yè)的起源在時(shí)間上是同步的，這大大深化了對世界農業(yè)起源格局的理解，也為增強民族文化自信做出了重要貢獻。
上山遺址。上山遺址中心張國萍供圖
缺失的證據鏈
水稻是全球半數人口的主食。但人類(lèi)最早從什么時(shí)候、在什么地方種水稻、吃稻米，開(kāi)始農業(yè)起源？
過(guò)去一個(gè)多世紀來(lái)，這個(gè)問(wèn)題一直充滿(mǎn)爭議。印度起源說(shuō)、東南亞起源說(shuō)、阿薩姆和云南起源說(shuō)，各類(lèi)假說(shuō)紛紛擾擾。
直到20世紀70年代，浙江余姚河姆渡遺址、浦江上山遺址以及長(cháng)江中下游諸多遺址水稻考古證據的發(fā)現，才讓國際學(xué)術(shù)界開(kāi)始認同長(cháng)江中下游地區可能是世界水稻的重要起源地之一。
“但直到21世紀初，學(xué)術(shù)界認可的農業(yè)起源地是中南美洲和西亞，不包括東亞。”論文共同第一兼通訊作者呂厚遠對《中國科學(xué)報》說(shuō)，“水稻栽培和馴化對中華文明的形成和發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。但至今，中國一些大學(xué)的教材里還在講水稻是印度起源的。”
國際上，中南美洲和西亞分別被認為是玉米和小麥馴化地。東亞稻作農業(yè)起源緣何不被認可呢？
其關(guān)鍵問(wèn)題是，缺少化石證據。
傳統觀(guān)點(diǎn)認為，距今2.65萬(wàn)至1.9萬(wàn)年前的末次盛冰期因為溫度降低，在長(cháng)江中下游是沒(méi)有野生稻分布的。“如果沒(méi)有野生稻，馴化從哪兒來(lái)？”呂厚遠說(shuō)，“由于東亞地區的水熱氣候條件，植物死亡后埋藏在地層中的有機質(zhì)很容易腐爛，難以在上萬(wàn)年的演化中保存下來(lái)，這使得我國缺少8000~1萬(wàn)年以前的從野生稻到馴化稻的鑒定方法和證據。”
那么，是否存在可長(cháng)期保存的水稻鑒定指標？能否找到長(cháng)江流域末次盛冰期野生稻的證據？可否揭示人類(lèi)馴化野生稻的過(guò)程回答其中潛在的機制？
20多年來(lái)，呂厚遠和團隊一直在試圖回答這些問(wèn)題，他們的辦法是用“植硅體”微化石。“植硅體是充填在高等植物細胞組織中的二氧化硅顆粒，它數量多、分布廣，1克葉子中能夠產(chǎn)生幾萬(wàn)粒；而且二氧化硅跟玻璃一樣能夠保存很久，不管是被動(dòng)物吃掉排泄還是遇火焚燒，都能在土壤中沉淀下來(lái)。”論文第一兼通訊作者張健平向《中國科學(xué)報》解釋說(shuō)。
更關(guān)鍵的是，呂厚遠表示，像人的“指紋”一樣，不同植物的植硅體有著(zhù)不同的形態(tài)特點(diǎn)。比如水稻植硅體是帶有魚(yú)鱗狀紋的扇型、竹子是長(cháng)鞍型、蘆葦是盾型……
呂厚遠和團隊從上世紀80年代末起就開(kāi)始研究植硅體，在中國可謂“一枝獨秀”。他們跑遍全國東南西北，不僅采集了不同氣候帶的表土土壤樣品，分析不同植被帶植硅體組合特征和分布規律，還采集了數千種植物樣品，請植物學(xué)家幫助鑒定后，進(jìn)行植硅體分析，并畫(huà)了成套的現代植硅體的素描圖，做成了圖版，出版了植硅體研究專(zhuān)著(zhù)，做成了許多套顯微鏡片子，每年都會(huì )吸引很多國內外的學(xué)生前來(lái)學(xué)習。
這套技術(shù)在我國多個(gè)遺址的考古工作中都展示出非凡的戰績(jì)，如鑒定出我國青海“東方龐貝”喇家遺址的“面條”是由黍粟制作的，河北武安磁山考古遺址植物遺存為黍（黃米）。這套農作物植硅體鑒定方法還被寫(xiě)入歐美多所大學(xué)教科書(shū)。
然而，由于野生稻和馴化稻的植硅體屬于“同類(lèi)”，要鑒定出它們的演化差異卻是難上加難。
浙江下湯遺址，呂厚遠（右一）等在聽(tīng)考古專(zhuān)家講剖面。上山文化分布在浙江省，下湯遺址屬于上山文化。地質(zhì)地球所供圖
建立“新標準”
早在1998年，呂厚遠在分析東海大陸架鉆孔樣品時(shí)，就發(fā)現在1.3萬(wàn)多年前的地層中有水稻植硅體。根據當時(shí)有限的現代野生稻、馴化稻樣品的分析，他發(fā)現馴化稻植硅體中的“魚(yú)鱗紋”通常大于等于9個(gè)，而野生到中則多數少于9個(gè)。但當時(shí)的技術(shù)和有限的化石數量很難回答野生稻動(dòng)何時(shí)開(kāi)始馴化的問(wèn)題。
2017年，呂厚遠與他的學(xué)生用植硅體魚(yú)鱗紋數量的判別方法，發(fā)現上山遺址文化層中的水稻馴化時(shí)間可追溯到9400年前，并認為作物馴化是一個(gè)漫長(cháng)的過(guò)程，應該有更早的從野生到馴化的記錄。
如何找到更早的野生稻的證據，區分野生稻與馴化稻的差別，并建立一套國際認可的指標呢？
“我們花了很大力氣回答這個(gè)問(wèn)題，需要和許多單位合作，獲得野生稻的樣品，在我曾經(jīng)負責的中國科學(xué)院的‘碳專(zhuān)項’項目中，有武漢植物園等植物專(zhuān)業(yè)的團隊參加，提供了難得的獲得樣品的機會(huì )。”呂厚遠說(shuō)。
研究團隊不僅采集了野外不同年代地層中的土壤，帶到實(shí)驗室通過(guò)化學(xué)溶液處理等方法把植硅體分離出來(lái)進(jìn)行鑒定；還從海南、江西等地采集很多現在的野生稻植物、土壤進(jìn)行分析，并化身“農民”，通過(guò)大棚實(shí)驗培植野生稻，排除馴化基因，然后一個(gè)個(gè)葉片進(jìn)行鑒定，取得了大量的可重復檢驗的數據。
基于此，他們建立了一套量化標準：魚(yú)鱗紋數量大于等于9的扇型植硅體的比例達到40%，就屬于馴化稻；反之，就是野生稻。
研究團隊還進(jìn)一步解釋了魚(yú)鱗紋數量與水稻馴化程度相關(guān)的原因。野生稻常年生長(cháng)在水里，馴化稻要定期排水，因此水稻卷葉是人類(lèi)育種過(guò)程中選擇的農藝性狀。隨著(zhù)干旱程度增加，水稻卷葉可以反復失水、膨脹等，使得魚(yú)鱗紋增加。
為了確保測年的準確性，這項研究的測年由國內外4個(gè)實(shí)驗室共同參與，相互驗證。“光釋光測年主要測沉積物埋藏的年代，使用了小測片、單顆粒的方法，結合年代模型解決了地層擾動(dòng)的問(wèn)題。結合植硅體碳14測年。兩種測年方法可以相互支持，來(lái)證明年代的可靠性。”論文共同通訊作者、山東臨沂大學(xué)教授于祿鵬介紹。
一系列的跨學(xué)科研究表明，上山文化遺址記錄了東亞水稻從野生到馴化的連續過(guò)程，野生稻早在約10萬(wàn)年前就在這里生長(cháng)，約2.4萬(wàn)年前的氣候寒冷期開(kāi)始作為采集資源被人類(lèi)初步利用，約1.3萬(wàn)年前開(kāi)始了野生稻馴化前的栽培，最終在約1.1萬(wàn)年前實(shí)現馴化，標志著(zhù)東亞稻作農業(yè)的起源。
上山文化遺址發(fā)現的水稻殼的植硅體（前三排是不同魚(yú)鱗紋數量的扇型植硅體）。地質(zhì)地球所供圖
就像“開(kāi)盲盒”
“上山文化申遺最重要的內核就是稻作起源，新研究為上山文化作為稻作農業(yè)起源地提供了強大的支撐和關(guān)鍵性的科學(xué)依據，將有助于當地申遺工作的推進(jìn)。”論文共同通訊作者、浙江省文物考古研究所研究員蔣樂(lè )平表示，
國際審稿人認為，距今1.1萬(wàn)年前開(kāi)始的東亞上山文化稻作農業(yè)起源，與西亞小麥、大麥開(kāi)發(fā)、利用與馴化的時(shí)間幾乎同步。這種同步意味著(zhù)全球氣候變化、景觀(guān)變化、以及文化交流和傳承在農作物起源中發(fā)揮了重要作用。
自2005年在地質(zhì)地球所讀研究生開(kāi)始，張健平就在開(kāi)展植硅體的研究了。談及研究中的酸甜苦辣，他直言：“跑野外的苦累不算啥，等待論文修改意見(jiàn)的時(shí)間才是最焦慮的，生怕任何一個(gè)細節影響到了文章的發(fā)表。”
在兩年的時(shí)間里，張健平與研究團隊都在根據審稿人的意見(jiàn)補充植硅體的研究數據，他覺(jué)得，做數據研究就像“開(kāi)盲盒”，不到做完所有數據，做出一張完整的圖片，最后結果會(huì )呈現出什么樣子完全不清楚。“有時(shí)候可能‘盲盒’開(kāi)出來(lái)結果特別好，和之前的認知完全一樣，就可以很快地寫(xiě)出來(lái)送去發(fā)表，但如果和預想的不一樣，就要換思路重新對樣品進(jìn)行大量分析。不到發(fā)表的最后一刻，我們的心情都是折磨的。”他說(shuō)。
不過(guò)，張健平坦言，最甜的還是成果被接受的時(shí)候，“獲得了國際專(zhuān)家的認可，感覺(jué)自己的工作是值得的，做了一些有意義的事情”。
新的研究計劃正在醞釀，呂厚遠表示，關(guān)于水稻馴化和起源問(wèn)題的仍有許多謎題待回答，例如是什么基因在控制水稻魚(yú)鱗紋的變化？多年生的普通野生稻是如何轉變?yōu)橐荒晟⑼ㄟ^(guò)種子繁殖的野生稻？水稻的起源是一次還是多次？是單點(diǎn)馴化還是多點(diǎn)馴化？馴化過(guò)程是迅速完成的還是經(jīng)歷了漫長(cháng)的歲月？他希望進(jìn)一步開(kāi)展跨學(xué)科研究，探索上山文化與其他地區例如江西仙人洞、吊桶環(huán)遺址等在地質(zhì)環(huán)境上的差異，進(jìn)一步回答這些問(wèn)題。
上山遺址公園。上山遺址中心張國萍供圖供圖
研究團隊在上山遺址（左三為張健平、左四為呂厚遠）。地質(zhì)地球所供圖
江西的野生稻。地質(zhì)地球所供圖
在江西野生野生稻田，呂厚遠用上山文化特有的大口盆模型采野生稻試驗。地質(zhì)地球所供圖
研究團隊在浙江井頭山遺址利用地球物理勘探方法（電法、磁法等）尋找地下考古文化地層與自然地層關(guān)系，突然大雨，到棚里暫時(shí)休息（左一為張健平）。地質(zhì)地球所供圖
相關(guān)論文信息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4487
