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蘭大新研究:五千年前,歐洲人祖先向溫而行東遷新疆

清晨6點(diǎn)多,阿爾泰山區(qū)的夜色還未完全褪去,蘭州大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院黃小忠教授團(tuán)隊成員、博士生向麗雄等人就已經(jīng)緊隨當(dāng)?shù)啬撩瘢蚰康牡罔F外克湖進(jìn)發(fā)了。山路難行,騎馬在半米深的雪道上顛簸近2小時后,他們終于踏上了薄霧籠罩的凍湖,緊鑼密鼓地開始了一天的采樣工作。

自2011年以來,在中國科學(xué)院院士陳發(fā)虎跟蹤指導(dǎo)下,黃小忠團(tuán)隊類似的野外作業(yè)經(jīng)歷已有11次。雖然條件艱苦,但經(jīng)過不懈努力,終于有所收獲。2023年5月29日,黃小忠團(tuán)隊與英國諾丁漢大學(xué)Virginia N.Panizzo博士團(tuán)隊以及中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院陳雪梅博士等人合作,在《自然通訊》上發(fā)表了題為《阿爾泰山全新世氣候適宜期驅(qū)動中亞地區(qū)史前人類擴(kuò)張》的研究成果。通過對阿爾泰山南坡的喀納斯湖和鐵外克湖中沉積物進(jìn)行采樣,并結(jié)合硅藻硅同位素、生物硅、孢粉及全樣碳、氮同位素等指標(biāo)分析,創(chuàng)新性地從氣候角度揭示了阿爾泰山地區(qū)全新世以來的溫度變化歷史,同時也進(jìn)一步探究了溫度變化對該時期人群遷徙的影響,為中亞地區(qū)史前人口擴(kuò)張的驅(qū)動力研究提供了新視角和新證據(jù)。


【資料圖】

湖底尋蹤,揭開全新世溫度變化的神秘面紗

俯瞰喀納斯湖(向麗雄 攝)

全新世是指距今約11000多年以來的現(xiàn)代間冰期。根據(jù)全球海洋和陸地溫度記錄的集成結(jié)果,全球年均溫在早中全新世(距今9-7千年)氣候相對溫暖,隨后全球逐漸變冷,直至工業(yè)革命以來全球再次變暖。而氣候模型的模擬結(jié)果則顯示,全新世以來全球年均溫持續(xù)變暖。這一地質(zhì)記錄和氣候模擬差異的“全新世溫度謎題”,是古氣候?qū)W界最熱門的研究課題之一,至今未有定論,并且溫度變化歷史及其對史前人群遷徙的影響研究還不深入,這也是陳發(fā)虎院士、以及指導(dǎo)的黃小忠自博士期間以來長期關(guān)注的領(lǐng)域。

2016年8月,陳發(fā)虎在喀納斯湖考察。(黃小忠 攝)

早在2011年,黃小忠野外考察時來到新疆最北端、阿爾泰山南麓友誼峰冰川下喀納斯湖。這里是遼闊草原和荒涼戈壁交界線,湖形狹長,森林茫茫,以往做干旱區(qū)綠洲型湖泊研究的黃小忠發(fā)現(xiàn)這里的地下沉積物植物殘體保留更為豐富,沉積環(huán)境比較穩(wěn)定,他希望通過孢粉(植物孢子和花粉的總稱)測量研究分析當(dāng)?shù)毓怒h(huán)境變化。

黃小忠等人在喀納斯湖開展野外取樣工作

由于夏季采樣船在湖中不好固定,因此沉積物采樣工作主要選在冬天湖冰上進(jìn)行。“放寒假后適合采樣的時間就那么一段,所以好幾個春節(jié)我們都是在牧民家里度過的”。黃小忠說。

為了尋找最合適的取樣位置,他在喀納斯湖面不同位置打過十幾個鉆孔,分析沉積物,最終在水流相對平緩的靠近出水口的一道彎處提取到滿意的樣本。帶回分析后,利用陸生植物殘體確定了精確的年代,然后做了包括硅藻、孢粉、枝角、總有機(jī)碳和粒度等一系列的環(huán)境代用指標(biāo)分析。

不過地理學(xué)者總是尋找著更加理想的研究對象。有次黃小忠從谷歌地圖上看到喀納斯湖向西幾公里、海拔高100多米處還有一個叫鐵外克的小村莊,旁邊有一個方圓一二百米的小湖,命運(yùn)牽引著他于2015年的冬天再次來到這里。

鐵外克村沒有路,住著幾戶牧民,黃小忠一路步行,另一名博士和當(dāng)?shù)厝蓑T著馬馱著設(shè)備,踏著半米多深的雪來到這個白色的純凈世界。當(dāng)?shù)厝艘膊恢佬『惺裁矗S小忠就按照村莊給它起名“鐵外克湖”。

這是一個被濕地包圍的封閉小湖,周圍的降水和積雪融水滋潤了它,湖周覆蓋著冷杉、云杉、西伯利亞云杉、西伯利亞落葉松、樺木和短毛松等茂密的森林,沉積環(huán)境更加穩(wěn)定,為研究局地古環(huán)境氣候變化提供了理想的條件。

牧民幫助科研團(tuán)隊去往鐵外克湖(仇夢晗 攝)

2019年2月,當(dāng)時碩士二年級的江西人向麗雄和同學(xué)也來到了鐵外克湖進(jìn)行野外考察。這是他第一次到新疆,第一次見這么大的雪,第一次騎馬,第一次坐馬拉雪橇。“帶著設(shè)備上山非常困難,還是沒有路,好在當(dāng)?shù)啬撩駧土舜竺Γ盐覀兯土松先ァ薄?/p>

為了早點(diǎn)開始工作,天剛蒙蒙亮,幾位同學(xué)就來到湖邊,利用工具破開冰層,將長約3米、直徑6厘米的自制塑料巖芯管和取樣裝置放入湖底鉆取巖芯。“將近零下20度的天氣,手腳都凍麻了,戴著的手套從水中拿出來馬上就會結(jié)冰變硬,需要不停更換才能繼續(xù)工作。”向麗雄回憶。

黃小忠、向麗雄等人先后2次前往鐵外克湖進(jìn)行實地勘測,提取沉積物檔案,做好了揭秘“全新世溫度之謎”的第一步。

逐溫而居,再現(xiàn)顏那亞人群的遷徙之旅

不同水體中的沉積物組成是不同的,因此也具有不同的同位素特征。湖泊流域的化學(xué)風(fēng)化作用會導(dǎo)致聚集在沉積物中的同位素濃度和組成發(fā)生改變,從而能夠反映出不同時期的溫度變化。

“喀納斯湖中硅藻的硅同位素和生物硅等指標(biāo)可以揭示該地區(qū)全新世以來的溫度變化歷史。”黃小忠解釋,“在生物生長的過程中,硅藻會優(yōu)先吸收較輕的硅同位素,而當(dāng)溫度升高導(dǎo)致湖水分層,暖水中硅藻大量生長,水中溶解硅相對不足,硅藻就會開始更多地利用偏重的硅同位素助其生長的更繁盛。換句話說,氣候環(huán)境越溫暖,硅藻中的硅同位素就越偏重。”

蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實驗室同位素測量儀(王旭凱 攝)

2019年9月,在黃小忠團(tuán)隊科研項目和蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院研究生訪學(xué)計劃的資助下,蘭州大學(xué)自然地理2020屆碩士、英國諾丁漢大學(xué)博士生孫明杰帶著樣品赴英國,在諾丁漢大學(xué)Virginia N. Panizzo博士的指導(dǎo)下,用重液對硅藻進(jìn)行提純,并用XRF檢驗提純純度。后又去英國地質(zhì)調(diào)查局同位素中心進(jìn)行了硅藻硅同位素的預(yù)處理和測試。

此外,向麗雄在蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實驗室使用MAT253穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測試了鐵外克湖的碳、氮同位,用于反映湖泊有機(jī)質(zhì)的來源,從而指示區(qū)域有效濕度變化。

孫明杰在英國地質(zhì)調(diào)查局進(jìn)行硅藻硅同位素測試預(yù)處理的樣品(孫明杰 攝)

分析表明,在6.5-3.6 ka(ka=千年前)時段,阿爾泰山地區(qū)氣候總體溫暖,喀納斯湖硅藻生長繁盛,期間在4.7-4.3 ka氣候異常溫暖,硅藻硅同位素顯著偏重。結(jié)合鐵外克湖鉆孔孢粉、碳氮同位素等指標(biāo),并與區(qū)域濕度記錄對比,顯示在6.5-3.6 ka期間阿爾泰山地區(qū)的氣候適宜,溫暖濕潤的氣候吸引了在里海西北部暖干環(huán)境生活的顏那亞人群,在5 ka左右遷移到西伯利亞南部及阿爾泰山地區(qū),稍晚在更溫暖的4.8-4.7ka期間,里海的水位因高溫干旱變低,顏那亞人就遷徙到海拔更高的高加索地區(qū)以及緯度更高的北歐地區(qū)。

樣品過篩提純后的硅藻照片(孫明杰 黃小忠 攝)

這與考古學(xué)和遺傳學(xué)證據(jù)發(fā)現(xiàn)的——青銅時代早期顏那亞人群在約5ka從東歐草原東南部遷徙至南西伯利亞地區(qū)以及阿爾泰山西側(cè)不謀而合。雖然該時期人群遠(yuǎn)距離遷徙的驅(qū)動力有多種假說,包括農(nóng)業(yè)和語言的擴(kuò)散和傳播、馬的馴化以及乳制品等次級動物產(chǎn)品的使用等。然而,氣候背景因素,尤其是溫度變化歷史及其對史前人群遷徙的影響顯然也是重要一環(huán)。

持續(xù)追問,探索人類與環(huán)境的雙向互動關(guān)系

溫暖氣候驅(qū)動中亞草原帶史前人群擴(kuò)散示意圖

在歐亞大陸內(nèi)部核心地帶阿爾泰山地區(qū),北方泰加林到干旱區(qū)之間發(fā)育有一片廣袤的草原帶,該區(qū)目前處于寒溫帶,卻是史前亞洲中部草原絲綢之路的關(guān)鍵區(qū)域和早期東西方文明交流的重要通道之一。

根據(jù)歷史學(xué)家的研究,5-4ka生活在東歐草原上的顏那亞人與歐洲文明淵源極深。現(xiàn)在幾乎絕大多數(shù)歐洲人身上都有祖先顏那亞人的基因。

在世界遷徙史上幾乎都是從資源低的地方向資源高的地方轉(zhuǎn)移,顏那亞人的遷徙之路有點(diǎn)相反。“我們的研究證實,正是因為南西伯利亞和阿爾泰山地區(qū)溫暖濕潤的環(huán)境,促使顏那亞人在約5ka時期從里海西北部一路向東遷徙過來,并發(fā)展為銅石并用的阿凡那謝沃文化,促進(jìn)了農(nóng)牧業(yè)的傳播。”黃小忠說。

顯微鏡下的單角盤星藻(向麗雄 攝)

本次發(fā)表的成果是黃小忠課題組于2021年發(fā)表在《第四紀(jì)科學(xué)評論》研究工作的進(jìn)一步延伸。當(dāng)時的研究發(fā)現(xiàn)在新疆南部博斯騰湖沉積物中出現(xiàn)熱帶、亞熱帶分布的嗜熱種單角盤星藻,指示4.7-4.3ka的極端高溫事件,溫暖氣候能保障新疆地區(qū)史前人群在阿爾泰山生活(切木爾切克文化),隨著氣候突然在4.2ka和3.6ka變冷,人群向低緯度地區(qū)遷徙,促成了塔里木早期人群聚居地(如小河遺址)出現(xiàn)小麥等作物,以及黃土高原地區(qū)4ka以后大規(guī)模牧業(yè)發(fā)展。

陳發(fā)虎院士接受采訪

陳發(fā)虎在研究氣候環(huán)境變化對人類活動以及對文明演化的影響中發(fā)現(xiàn),尤其是早期文明發(fā)展階段,氣候環(huán)境變化對人類活動、文明發(fā)展的影響更大。因此本項成果把氣候環(huán)境變化和人類活動歷史結(jié)合了起來,在探索跨大陸交流的環(huán)境動力等方面起到了關(guān)鍵證據(jù)作用。

“人類和環(huán)境是一種雙向互動的關(guān)系,理解過去人與環(huán)境和諧共處、人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響及人類對極端氣候環(huán)境變化的應(yīng)對策略,對今天也具有重要借鑒作用。全新世跨大陸交流對歐亞大陸文明發(fā)展非常重要,這一時期人口數(shù)量更多,青銅、大麥、小麥、羊馬及東亞的粟作農(nóng)業(yè)技術(shù)的東西向彼此傳輸,促進(jìn)了歐亞大陸社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和新技術(shù)的使用,研究氣候環(huán)境變化與人類活動的相互作用能夠更好地幫助我們理解史前人類遷徙與跨文化交流。這是研究的第一階段,下一步,團(tuán)隊會關(guān)注早期農(nóng)業(yè)、游牧業(yè)建立后人類活動怎樣影響環(huán)境,影響絲路沿線的文明發(fā)展,這也契合人類社會、生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展要求。”陳發(fā)虎說。

文:法伊莎 潘怡欣

圖:周虹君 王旭凱

(蘭州大學(xué)官網(wǎng))

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