一枚化石牙齿离开发掘现场时，可以带着两份历史。磨损的牙冠记下了它在口腔中使用的痕迹，牙釉质内部那些肉眼难见的变化，则记录着它受到的辐射。读取第二份历史的工作，在牙齿送进实验室之前就已开始：发掘者要记下它原先的位置，并采集与它接触的沉积物。[1][2]

电子自旋共振测年法通常简称 ESR，这些看似平常的野外记录，也是它的时钟的一部分。面对年代超出放射性碳测年有效范围的更新世哺乳动物化石，这种方法仍能用于研究。它的价值在于直接追索化石自身的历史，难处则在于还原这段历史逐渐累积时的环境条件。[3]

仪器读到的是什么

牙釉质由紧密排列的碳酸羟基磷灰石晶体组成。天然电离辐射会改变晶体的电子结构，在缺陷处留下未配对电子。ESR 波谱检测的正是这些对辐射敏感的中心。在保存条件合适的情况下，它们累积的信号含有牙齿在埋藏期间吸收能量的信息。[1][3]

测量首先得到的是剂量，单位为戈瑞。要算出年代，研究者还需要剂量率，也就是牙釉质每年吸收多少能量。假定剂量率始终不变，累积剂量除以年剂量就能得到年代。因此，长时间受到较弱辐射，与较短时间受到较强辐射，会留下相近的信号。区分这两种经历，还需要信号以外的证据。[1]

实验室中的辐照有助于确定累积剂量。研究者施加已知剂量，测量牙釉质信号随剂量增加的变化，再拟合出响应曲线，据此估算样品先前接受的辐射剂量。CENIEH 实验室因此分别设有辐照、ESR 测量和环境放射性测量设施。样品旁的仪器读数，只占测年证据的一部分。[1][3]

周围地层也要计入

Maïlys Richard 及其同事在 2017 年的采样指南中，要求发掘者保留牙齿的精确位置信息及周围沉积物。邻近的放射性元素会贡献辐射剂量，沉积物的含水量和上覆堆积物的厚度也会影响结果。指南给出了一项具体建议：随牙齿一同采集至少 150 克沉积物。[2]

这小袋沉积物与博物馆里的产地标签各有用途。产地名称可以指明某条山谷或某个洞穴，却仍不足以确定牙齿所处的辐射环境。在牙齿原始位置附近开展测量，有助于补上这部分信息。遇到不均一的堆积物，还应根据情况考察相邻地层或岩石碎块。[2]

牙齿若从一处堆积物转移到另一处，问题就更棘手。它如今所在的环境，能否代表整个埋藏时期，需要另行考察。因此，指南优先推荐仍处于原始沉积位置的标本：即使牙冠完整，牙齿也会有复杂的地质迁移经历。[2]

铀在动物死后进入牙齿

牙齿本身也会改变所受辐射的总剂量。牙齿组织在埋藏期间能够吸收铀。今天测得的含量只是当前状态，过去各个时期的含量还须结合吸收过程还原。较早进入牙齿的铀，比后来进入的铀有更长时间贡献辐射。将 ESR 测量与铀系分析结合，有助于限定铀进入牙齿的时间过程。[3]

撒丁岛的一项研究把这种影响呈现得很具体。2006 年，Oswaldo Baffa 及其同事报告了对已灭绝牛科动物 Nesogoral melonii 牙齿开展的 ESR 研究，样品来自努奥罗地区的奥罗塞伊。他们估算的累积剂量为 211 ± 34 戈瑞。假定铀在埋藏早期进入牙齿，得到的年代为 195,000 ± 30,000 年；假定铀的吸收量随时间线性增加，得到的年代则为 247,000 ± 40,000 年。[4]

两项估算都将样品归入中更新世，所假定的辐射历史不同，年代便相差数万年。这是同一研究在两种假设下得出的计算结果，不确定性范围彼此重叠。若将两个中心值取平均，研究者原本要解决的问题就会被掩盖：铀究竟如何进入牙齿组织？[4]

牙齿外形完整，内部仍会发生改变

一枚臼齿保留了可辨认的形态，作为测年样品却仍有待检验。2024 年，Michael Toffolo 和 Maïlys Richard 发表了一套以现代非洲有蹄类动物牙釉质建立的红外光谱参考库。在将化石牙齿用于 ESR 和铀系测年之前，研究者可以借助这套资料比对，检测其晶体结构是否发生变化。[5]

比对时还须考虑生物学差异。不同物种的牙釉质，原本就具有不同的晶体有序程度，现代牙齿的参照基准也要按物种选取。这个参考库收录了十五个物种。选用合适的参照后，晶体有序程度的升高可以提示埋藏期间发生了与铀吸收有关的改变。铀流失尤其棘手，因为重建剂量历史所需的信息也随之丢失。[5]

这种筛查着眼于标本选择，年代仍需测定。矿物保存经历较为清楚的牙齿，更有希望测得可靠年代。外观漂亮的牙齿，未必就是最适合测年的标本。[5]

博物馆里的处理，也能改变时钟

发掘为牙齿的历史添上新的一章。显微计算机断层扫描（micro-CT）利用 X 射线呈现内部解剖形态，同时也会增加牙齿吸收的辐射剂量。由于这部分剂量会影响后续 ESR 测年结果，CENIEH 的化石直接测年研究明确将其列为测量对象。[6]

一次分析操作可以保持牙齿外形完整，同时改变另一位研究者准备测量的性质。标本接受过哪些分析处理，因而与它的野外记录同样相关。即使化石看起来毫无变化，先前的扫描经历仍应纳入测年的讨论。[6]

从波谱仪沿着工作流程向前追溯，看似简单的牙齿年代，背后是一连串观察：牙釉质信号、沉积物、铀的进入与迁移历史、保存状况评估，以及实验室处理记录。每一项都回答着年代问题的一部分。牙齿早已清洗干净，当初从它身旁采下的那小袋泥土，仍是证据的一部分。

参考来源

1. CENIEH，《电子自旋共振测年》——实验室方法、设备及本文使用的照片。
2. Maïlys Richard 及其同事，《化石牙齿的电子自旋共振测年：确保最佳采样条件的基本指南》，Quaternaire 28(2)，155–159（2017）——附全文的机构文献记录。
3. Mathieu Duval，《如何用电子顺磁共振为化石牙齿测年？》，Spectroscopy Europe 26(1)，6–13（2014）——剂量重建与铀吸收。
4. Oswaldo Baffa 及其同事，《意大利撒丁岛努奥罗一枚古代山羊牙齿的 ESR 测年》，Radiation Protection Dosimetry 119，446–449（2006）——摘要和图表转载于费拉拉大学教学材料 PDF 第 19 页。
5. Michael B. Toffolo 和 Maïlys Richard，《用于精确电子自旋共振测年的非洲有蹄类动物牙釉质红外光谱库》，Scientific Data 11，890（2024）——保存状况筛查与物种专属参考材料。
6. CENIEH，《化石的直接测年》——铀筛查及 micro-CT 辐照对 ESR 测年影响的研究。