最近的人类祖先像猿一样定期爬树

粗壮副喉吸虫

原始完整的头骨(没有下颌骨)有180万年的历史粗壮傍人(SK-48 Swartkrans(26°00'S 27°45'E),豪登,发现于南非。南非比勒陀利亚北部旗舰研究所特兰斯瓦尔博物馆收藏。资料来源:迪松国家自然历史博物馆,4.0 CC冲锋队

由肯特领导的一项新研究发现了证据,表明人类祖先早在200万年前可能就经常爬树。

长久以来,两条腿走路一直是区分现代人类以及已经灭绝的人类谱系(又名古人类)与现存的黑猩猩、大猩猩和红毛猩猩的决定性特征。这项新的研究基于对腿骨化石的分析,提供了一个古人类物种(被认为是Paranthropus南方还是早人类)定期采用高度屈曲髋关节;其他非人类类人猿的这种姿势与爬树有关。

攀登化石的CT效果图

stw522(非洲南方古猿)和stw311(傍人/人)化石的ct数字效果图。上面的两张图片显示了这些化石被保存下来的样子。下面的两张图片显示了化石的横截面,显示了骨小梁,骨小梁的分布显示了这些人练习不同频率的攀爬。信贷:马修斯金纳

这些发现是通过分析和比较来自南非的两块腿骨化石的内部骨骼结构得出的。这两块腿骨化石发现于60多年前,据信生活在100万至300万年前。对于这两具化石来说,骨骼的外部形状非常相似,显示出更像人类而不是像猿的髋关节,这表明它们都是用两条腿走路的。研究人员检查了内部骨骼结构,因为它在生命过程中根据个体使用四肢的方式进行重塑。出乎意料的是,当研究小组分析股骨球形头部内部时,发现它们以不同的方式加载髋关节。

该研究项目由肯特大学人类与保护学院的列奥尼·乔治欧博士、马修·斯金纳博士和特蕾西·基维尔教授领导,包括一个由生物力学工程师和古生物学家组成的大型国际团队。这些结果表明,有关人类进化的新信息可能隐藏在化石骨骼中,这些信息可能会改变我们对何时、何地以及如何成为今天的人类的理解。

斯特克方丹洞穴遗址

照片上的化石和人工制品表面暴露了斯特克方丹洞穴遗址的沉积物。向西看。信贷:多米尼克斯特拉特福德

乔治奥博士说:“能够重建这些生活在数百万年前的个体的实际行为是非常令人兴奋的,每次我们扫描一块新化石,这是一个了解我们进化史的新机会。”

斯金纳博士说:“解决关于攀岩在多大程度上仍然是我们过去的一种重要行为的争论一直是一个挑战。证据很少,有争议,也没有被广泛接受,正如我们在这项研究中所表明的,骨骼的外部形状可能会产生误导。对骨骼其他骨骼内部结构的进一步分析可能会揭示关于其他关键人类行为(如石器制造和工具使用)进化的令人兴奋的发现。我们的研究团队现在正在扩大我们的工作范围,研究手、脚、膝盖、肩膀和脊椎

双柱股骨大猩猩

显示大猩猩股骨头部海绵状骨双柱的动画。一根柱子与地面上所有四肢的行走相连接,一根柱子与攀登时高度弯曲的腿相连接。信贷:克里斯托弗·邓莫尔

人单柱股骨

动画显示了一个人的大腿骨头部的单一海绵骨支柱。这根柱子连接着两条腿在地上行走。信贷:克里斯托弗多莫尔总督

双柱股骨化石stw311

动画显示stw311化石股骨头部的双柱海绵骨。我们建议一根柱子与在地面上用两条腿行走有关,另一根柱子与攀登过程中高度弯曲的腿有关。信贷:克里斯托弗多莫尔总督

单柱股骨化石stw522

动画显示stw522化石股骨头部的单一海绵骨支柱。这根柱子连接着两条腿在地上行走。信贷:克里斯托弗多莫尔总督

这项研究涉及人类进化史的哪个方面?

这项研究是关于人类进化研究的一个核心问题:人类谱系中两足行走的起源。虽然我们知道所有的人类祖先都有某种形式的两足行走,但何时(以及何种)人类祖先以与现代人相同的方式行走仍不清楚。这项研究以一种新颖的方式,研究了来自南非的腿骨化石的内部结构,从而解决了这个问题。

什么是古人类?

“古人类”是人类的祖先。它指的是任何与人类的亲缘关系比黑猩猩或倭黑猩猩更近的化石物种。最早的古人类通常是通过骨骼特征(显示他们是两足行走)和牙齿特征(如小犬齿)来确定的。

研究背景

我们拥有越来越丰富的人类祖先化石样本,特别是来自南非和东非的化石样本。我们通过骨骼的特征确定这些化石与人类有亲缘关系,这些特征表明它们是用两条腿行走的;i、 他们是两足动物。因此,所有化石人类祖先或人类祖先都是两足动物。然而,越来越多的证据表明,不同的古人类物种可能以不同于现代人类的方式进行两足行走。

此外,许多化石的骨骼,特别是上肢,仍然显示出类人猿(例如黑猩猩或猩猩)的特征。因此,关于攀登(树上运动)在我们进化史上的重要性,以及我们的祖先是否完全致力于只在地面上行走,或者树上生活是否仍然是他们适应生活方式的重要组成部分,一直存在着长期的争论。

对于我们的祖先究竟是如何两足行走的,以及他们是否仍然在树上攀爬的争论,要找到任何解决办法都是一个挑战,因为骨骼的外部形状可能会产生误导。特别是,目前尚不清楚某些化石中类人猿的特征是否在功能上仍然有用,或者它们是否仅仅是从尚未消失的更树栖祖先那里保留下来的(即行为可以比形态进化得更快)。

为了应对这一挑战,我们研究了来自南非Sterkfontein的两个古人类髋关节化石,从外部形状来看,它们显示出对两足动物的明显适应。骨的内部结构在很大程度上是由生长发育过程中所进行的行为所塑造的,而不是外部形态。因此,我们分析了这些化石的内部骨骼结构,并将其与人类和其他现存的类人猿进行比较,看看我们是否可以了解更多关于人类祖先的每个化石是如何在各自的环境中移动的。

我们研究了人类化石记录的哪一部分?

南非豪登省人类摇篮斯特克方丹洞穴人类祖先髋关节的内部骨骼结构。特别是,我们研究了60多年前发现的两个化石,它们生活在100万至300万年前。这些化石有:

  • StW 522,近端股骨(大腿骨髋关节)归因于南方古猿非洲种日期为200-280万年前(Ma)
  • stw311,股骨近端为1.1-2.18 Ma,可能是其中之一粗壮傍人或是一种早期的人类(例如,能人).

虽然StW 311的尺寸绝对更大,但两个样本都显示出非常相似的外部形态,并且之前都被解释为练习相同的运动形式。另请参见与本研究相关的支持材料。

我们的研究团队做了什么?

我们的分析基于高分辨率显微层析成像(microCT)数据,该数据与医学CT数据相似,但分辨率更高。这些数据使我们能够看到化石内部,从而揭示内部骨骼结构。骨骼由坚硬的外壳(称为皮质或皮质骨)和关节下的海绵状骨网络(称为小梁或松质骨)组成。在个体的一生中,骨骼会随着负荷的变化而重塑;当载荷或应力较高时,会增加骨骼,当应力较低时,会移除骨骼。这意味着,与骨骼的外部形状相比,内部骨骼结构更能告诉我们个体在其一生中是如何移动的。我们分析了这两块南非化石的内部骨骼结构,并将其与现代人类以及我们的近亲进行了比较:黑猩猩和大猩猩,它们从事关节行走和攀爬,猩猩几乎一生都在树上攀爬、攀爬和悬挂。

我们发现了什么?

对于我们这两块化石来说,骨骼的外部形状非常相似,显示出一个更像人类而不是像猿的髋关节,这清楚地表明他们都是用两条腿走路的。然而,当我们分析内部小梁结构时,显示他们以不同的方式负荷髋关节。老的StW 522,A.非洲化石显示了一个小梁结构,其中有一个密集的骨柱,与人类相似,这表明它在地面上两足行走时主要负荷其髋关节。然而,年轻的StW 311年化石,显示一种生活小梁结构有两个“支柱”表明一些时间它加载髋关节移动两条腿在地上,但对于大量的时间它还采用了一个高度弯曲臀部的姿势,是必要的,例如,当攀升。

虽然我们不确定stw311是不是罗布斯特斯还是早人类它表明,在1-2百万年前,人的运动比我们以前认为的更具变异性,而攀爬仍然是这些物种适应能力的重要组成部分。

为什么这个人类祖先有规律的攀爬行为的证据很重要?

两足行走,或用两条腿行走,是区分人类与现存的黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩和红毛猩猩的关键特征。这也是所有人类祖先从最早的人类到今天的人类所共有的特征。最早的人类祖先(生活在400万至700万年前)有证据表明,他们偶尔会两足行走,但也经常在树木环境中攀爬。

然而,到大约200万年前,人们普遍认为南非而且很早人类几乎所有的时间都用两足在地面上行走。有人推测,这些物种可能会周期性地进行攀爬,但证据很少,有争议,也没有被广泛接受。我们的研究结果提供了直接证据,表明其中一个物种的成员经常采用高度屈曲的髋关节;其他非人类类人猿的这种姿势与爬树有关。

这项研究结果的其他含义是什么?

首先,我们期望这一方法将被用来更好地理解其他古老和年轻的古人类化石物种是如何移动的,以及在多大程度上攀爬可能仍然是它们运动技能的重要组成部分。第二,几乎所有的骨骼都含有我们研究过的海绵状骨骼,因此可以研究其他行为(例如,石器制造、工具使用、跑步等)如何在我们祖先的化石遗骸中留下信号。我们的研究团队正在将我们的工作扩展到手、脚、膝盖、肩膀和脊椎。

我们对南非人的物种了解多少南方古猿非洲种粗壮傍人而且很早人类

南方古猿非洲种生活在大约2-3百万年前。这一物种有多种化石,包括著名的“普莱斯夫人”头骨和唐氏儿童头骨,还有一部分骨骼显示它是两足动物,但手臂比今天的人类要长。它被认为是一种“优雅”的南方古猿,因为它的头骨不如“强壮”的南方古猿(如粗壮傍人

相比之下,粗壮傍人是三种“强壮”的南方古猿化石之一,其特征是牙齿(臼齿和前臼齿)、宽颧骨和咀嚼肌很大。粗壮傍人在南非的几个化石遗址中发现了它,生活在大约200万到100万年前。它主要是从头骨和牙齿中发现的,但有一些新的骨骼化石发现表明,它可能还利用手臂在树上攀爬,并且是一种习惯性的两足动物。

有几块来自南非遗址的化石被认为属于我们自己属的早期成员人类,如能人直立人. 这些化石被认为是早期的人类主要是因为他们的牙齿更小,更像人类罗布斯特斯A.非洲能人生活在240万至140万年前,遍布南非和东非。能人一般认为是奥尔多万石器技术的制造者,该技术包括一些最早的石器。它也是一只两足动物,但由于化石记录有限,关于它是否还在树上爬行还有很多争论。

直立人从190万年前到最近的10万年前。它在南非和东非被发现,通常被认为是第一个离开非洲的人类化石物种,化石遍布欧洲和亚洲。的直立人骨骼看起来与现代人类非常相似,腿较长,臂较短,人们普遍认为它走路和跑步的方式与我们相似。它与更复杂的阿舍利技术有关。

这些化石来自人类进化的哪个时期?

这些化石来自一个叫做更新世的地质时代。这一时期是从260万年前到12000年前(全新世的开始)。这些化石来自这个时代的早期,即早更新世,持续了260万年到80万年,当时有多种(和属)古人类化石同时存在。

为什么古人类学家避免使用“缺失的一环”这个词?

人类进化的化石证据表明,我们的“生命树”分支并不是由一个单一的谱系组成的,各个物种都是连续不断地从一个进化到另一个。相反,我们的分支是“浓密的”,由多个世系组成,其中一些世系同时存在。例如,南非血统和人类血统在时间和空间上重叠。因此,将任何特定的化石描述为“缺失的一环”是不恰当的

参考资料:“南非更新世人类习惯性攀爬的证据”,作者:Leoni Georgiou、Christopher J.Dunmore、Ameline Bardo、Laura T.Buck、Jean-Jacques Hublin、Dieter H.Pahr、Dominic Stratford、Alexander Synek、Tracy L.Kivell和Matthew M.Skinner,2020年3月30日,美国国家科学院院刊
DOI: 10.1073 / pnas.1914481117

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