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人类的脚印
2012-09-10 | 编辑: | 【

刘扬 

虽然直立行走作为人猿分界的标准已为学术界所质疑——2007年6月1日发表于国际著名期刊《科学》的研究成果表明两腿直立行走也许在相对远古时期的树栖猿中就出现了,而不是在更近的人类祖先下到稀树草原中才出现的,但也正如科学家索尔普(Thorpe)所言 “双足运动具有很强的适应优势,所以甚至我们都不需要解释我们的祖先如何从四足变成了两足。”

那么,我们如何来了解远古祖先这种具有很强适应优势的双足运动呢?早期人类骨骼化石当然是最为重要的实物证据,但是还有一种非常直观的证据就是“人类的脚印”。数万甚至数百万年前的古人类化石固难寻觅,每每发现就是学术界的焦点,甚至颠覆或产生某一种理论。而在人类化石的记录中,脚印的化石也是极度稀有的,并且因其可以揭露我们远古祖先骨骼和行为的独特资讯,必然也要受到高度重视。

一、迄今最古老人类脚印化石

简介:迄今发现最为古老的人类足迹化石,距今已有365万年。其由著名古人类学家、旧石器考古学家玛丽·利基于1975年在坦桑尼亚的莱托里地区发现。这个伟大的发现,用最直接的证据表明我们的祖先在至少365万年前就能直立行走了。

场景:在非洲坦桑尼亚的莱托里地区以东32公里处,有一座名叫萨迪曼(Sadiman)的火山。365万年前的某一天,这座火山忽然强烈爆发。之后,漫天的火山灰随风慢慢飘落,厚厚地铺落在附近几十公里的土地上。这样的情况数百万年来在非洲经常发生,事实上在非洲发现的古人类化石、石器等很多都是在凝灰岩里发现的,而且火山灰埋藏对化石的年代测定非常准确。飘落的火山灰,还没来得及冷却,却又因一场雨而变得泥泞。雨过天晴,人类的祖先和一些动物开始出来寻找食物,于是,在火山灰上留下了他们走过的足迹。

脚印:1967年9月,来自内罗毕博物馆的古生物学家安德鲁在参观完玛丽·利基的遗址返回营地的路上偶然发现地面上有一些奇怪的印痕(后来证实是下雨留下的印痕),出于职业的敏感性,他感觉到这可能是一些遗迹。于是他继续向前寻找,结果发现了数千个大大小小的动物脚印,包括昆虫、鸟类和很多大型哺乳动物的脚印化石。于是,这个地带便成为玛丽·利基发掘的对象。数年后,一个疑似人类后脚跟的印痕被发现,紧跟着考古队在这里发现了一些人类的脚印,它们一直延续了近20米。经过研究分析,它们属于两个人的脚印,但应该不是同时一起走过留下的,因为其中一个个体的足迹很清晰分明,而另一个个体的足迹模糊不清,显然是不同时间留下的。

研究:研究人员经过现场测量、分析和研究,分别测出了这两个人脚印的长度和宽度以及每步之间的跨度,并估算出这两个人的大概身高。数据如表中所示:

表1. 莱托里脚印化石测量数据

足迹长度cm

足迹宽度cm

步伐跨度cm

估计身高cm

古人类1

21.5

10

47.2

134-156

古人类2

18.5

8.8

28.7

115-134

很多人类学家认为,莱托里脚印是阿尔法南方古猿留下的,大名鼎鼎的露西骨架化石也是这一种群留下的。有研究者分析莱托里脚印是采用与现代人类相似步态的一种结果。不过也有研究人员认为这些脚印是弯膝翘臀大步行走时留下的,当时的原始人类采用的步态与现代黑猩猩类似。在线杂志《公共科学图书馆•综合》上莱斯勒等人的研究向第二种观点发出挑战。他们的研究发现莱托里原始人类在步行穿过柔软表面时能够留下很深的脚跟和脚趾印记,这种印记是拥有与现代人类相似步态的一个重要迹象,说明高能效的伸腿大步行走在原始人类进化初期就已经出现。这是一项令人吃惊的发现,其表明在原始人类步行穿过莱托里的这片火山灰地时,他们的行走姿态与我们更为接近,而不是猿类。莱斯勒等人的这项研究是从生物力学角度对莱托里脚印进行分析的。研究过程中,他们复制了莱托里脚印产生时的环境,要求8名成年志愿者两次步行穿过一片潮湿沙地。在对假设中的蜷缩姿势进行研究时,这些志愿者又两次穿过同一片沙地。整个过程中,研究人员利用特殊的运动跟踪和扫描设备,计算每一个人臀部和膝盖的弯曲角度,而后创建每一个人脚印的三维模型。研究发现,直立姿态行走产生的脚跟和脚趾印记深度几乎相同。相比之下,蜷缩行走时的脚趾印记深度明显高于脚跟,说明重量更快速地转移到整个足部。莱托里脚印深度的计算结果与人们正常步态下留下的脚跟和脚趾印记深度相匹配。

 

莱托里脚印(C)与现代人脚印(A-直立步态;B-弯膝翘臀步态)

意义:用玛丽·利基自己的话说,“或许是我整个事业中,最空前绝后的伟大发现。”的确,虽然之前古人类学家已用了非常多的证据证明,我们的祖先在数百万年前已经可以直立行走,但玛丽·利基的这个伟大发现用最直接的证据证明在至少365万年前人类已经可以直立行走;并且,由于在同一地层里一直没有发现过任何古人类使用过的工具,所以表明人类在开始使用工具之前,已经可以直立行走了。然而,早于莱托里的原始人类又是以何种步态行走的呢?生活在440万年前的始祖种地猿步行姿态与现代人可能不同,但具体采用何种步态仍是一个未知数。而新的更为古老的脚印化石的发现,无疑是解决这个问题的关键。

延伸阅读:

Leakey, M.D. and Hay, R.L., 1979. Pliocene footprints in the Laetoli Beds at Laetoli, northern Tanzania. Nature 278, 317-323

二、150万年前的人类脚印

简介:美国《国家地理》报道肯尼亚北部发现古代人类脚印化石,其分析结果显示,150万年前人类祖先已经像现代人一样直立行走,拥有弹簧样脚弓。这一发现可以帮助绘出图景——在又冷又干燥的非洲,树居的人类祖先受迫涉足大地寻找食物。

场景:在非洲肯尼亚的北部地区,一场大雨过后,地上尽是厚而软的淤泥。天晴后,生活在附近洞穴中的人类祖先从这里走过,双脚深陷在非常软的淤泥里,他们可能正从潮湿的洞穴中出来或者在外劳作后正赶回自己的洞穴。一些鸟类、狮子、羚羊也从这里一群群走过,于是淤泥地也留下了它们的足迹。

脚印:发现于肯尼亚一处荒原岩石表面的一串深深的脚印,距今大约已有150万年之久。这些脚印保存完好,就好像是活生生的脚掌放在科学家面前。刊登在《科学》杂志的报告称,这些脚印化石是在2个沉积岩层上的。在上沉积岩层发现了两组属于不同的人的脚印,在下沉积岩层则发现有两个小号的脚印和一个单独的脚印,应该是来自一个未成年人。这些脚印看上去与现代人类的足迹并无二致。从脚印大小和间距来看,主人的身材跟现代人相似;而从这些脚印也可以看出这些远古祖先是大步走路,而且他们的脚底呈现弓形。从年龄来看,脚印很可能是“直立人”的。这些脚印显示了与现代人相似的圆形后跟、脚弓以及明显的大脚趾——现代人已经丢失了大脚趾的功能,整个脚处在一个平面,可以保证双足行走时保持平衡。

研究:研究人员通过仔细比对,确定脚印可能属于东非直立人,一种最早期的直立人。这些脚印化石拥有现代人的特征,如圆形脚跟、大脚趾头平行于其他脚趾。与大型类人猿相比,留下这些脚印的直立人显然不适合在树上生活,因为他们拥有功能退化了的大脚趾。

150万年前脚印化石研究(A-脚印复原;B-模拟步态)

脚印能够反映走路方式的基本特征。这些脚印化石呈现了150万年前古人类走路的状况。科学家参照现代人的步态以及脚的组织结构对这些古人类的脚印进行对比研究。现代人类脚弓的形成,是脚部肌腱分化发育的结果,而被称为弹跳腱的脚部肌腱增强了脚的功能。人们每迈出一步,重量落下时所输出的一部分能量会被脚弓存储起来,然后又被脚弓弹起,这部分能量就返回到腿部。这些脚印的迹象,与我们现在走过沙滩时留下的足迹是一样的。然而,直立人的步履跟我们现代人究竟相似到什么程度?科学家通过对现代人走路方式的特征进行记录,并在实验人员腿上安置可反射的标志,然后拍摄这些参与者在室内沙地上走路的实况。摄像镜头聚焦于那些腿上的反射物,由科学家制作出显示走路动作的电脑动画;然后利用3D技术对足迹化石做进一步的分析。这样的过程反复多次以后,研究人员才能明确地阐明这些化石脚印与现代人走路和跑步的运动机制是否确实完全一致。研究结果表明,两者相似程度是很高的。 

A-150万年前脚印化石;B-有利于跑步和行走的足弓;

C-150万年前脚印化石复原图

意义:150万~170万年之前,非洲的地貌从热带森林变为开放的稀树草原,食物来源如坚果、水果、蔬菜和动物越来越少。生物面临自然选择,当然也包括我们的祖先。而用双足可以走更长的距离,到达食物充足的地方。这些距今150万年前人类祖先的脚印给我们提供了直观的证据,它们拥有与现代人相似的脚,其弹簧样足弓和短小的脚趾更适合跑步,从而有利于当时的人类祖先的生存。

这些足迹展示了一个不同寻常的原始人类阶段。早期人类在不断变化的环境中,被迫直立行走以及远途跋涉去寻找食物。随着步行的增加和运动能力的提高,他们开始改变生活方式。由于可以直立行走并经常性的长途跋涉,这些直立人开始从过去的以树上植物果实为生转变为在陆地上打猎为生,这也促进了人类的体格和四肢的进化。总之,这些宝贵的足迹为研究150万年前到100万年前的人类是如何生活和不断改变自身提供了证据。

延伸阅读:

Bennett, M.R., Harris, J.W.K., Richmond, B.G., Braun, D.R., Mbua, E., Kiura, P., Olago, D., Kibunjia, M., Omuombo, C., Behrensmeyer, A.K., Huddart, D. and Gonzalez, S., 2009. Early Hominin Foot Morphology Based on 1.5-Million-Year-Old Footprints from Ileret, Kenya. Science 323, 1197-1201

三、35万年前的人类脚印

简介: 2003年3月国际著名期刊Nature报道了发现于意大利那不勒斯市北部罗卡蒙菲纳死火山一个斜坡上的人类脚印化石,距今已有32.5万-38.5万年。它们延伸达1平方英里,被当地居民称为“魔鬼的踪迹”。目前,研究人员共发现了约100个远古人类脚印和一些手掌印,可能是6个早期人类留下来的。

场景:35万多年前的一天,在一座火山斜坡上,满地的火山灰已经慢慢褪去原有的炽热。一群远古人类不知出于什么原因正在攀登这座火山斜坡,他们偶尔用手支撑地面以防止在陡峭光滑斜坡上滑倒。当他们走过后,在松软的火山灰地面上留下了脚印“铸模”。随后来临的火山爆发所喷射的灰烬很快填充满脚印。从朝向火山弹坑的步伐推测,这些远古人类很可能也在这场火山爆发中丧生。

脚印:这些脚印化石于2003年由两位考古爱好者发现,在报告帕多瓦大学的考古学家们后随即展开了调查和研究。它们是在一次火山爆发中被埋藏而后变成化石的,利用辐射测量技术发现它们已经有约35万年的历史。其中有一人留下27个脚印,呈“之”字形,这可能是为了使上坡更为容易。另外一个人留下19个印迹,呈轻度曲线状,但偶尔还有手掌印,可能是徒步者为了避免滑倒而用一只手撑着地面。第三个人留下10个间隔均匀的印迹,呈直线状。另外,还有两个动物的足迹,可能是狗或狼的足迹。 

意大利发现的约35万年前的脚印化石

研究:这些人类脚印长大约为20厘米,宽大约为10厘米。通常“脚的长度”与“身高”的比例是15%,那么留下脚印的这些人的身高只有135厘米。对比1993在英格兰发现另外一个海德堡人Boxgrove man的胫骨,他的身高似乎有180厘米以上。所以科学家推测,这些脚印化石可能是由未成年人留下来的。 

意义:从时代上看,这些脚印化石可能是海德堡人留下的,因为在60多万年前他们就已经从非洲迁徙到欧洲。许多人类学家认为海德堡人在欧洲进化到尼安德特人,在非洲则进化到晚期智人。然而,海德堡人从非洲到欧洲的迁徙情况却没有取得一致意见。这些发现在欧洲的脚印化石很显然有利于探讨这一学术问题。此外,这也是项非常罕见的发现,因为之前的脚印都发现在平坦的地面上,而这是第一次发现直立人用手攀登陡坡的证据。

延伸阅读:

Mietto, P., Avanzini, M. and Rolandi, G., 2003. Palaeontology: Human footprints in Pleistocene volcanic ash. Nature 422 (6928), 133

Pilcher, H.R., 2003. Earliest human footprints found? Nature doi:10.1038/news030310-9

 四、美洲4万年前的人类脚印

简介:英国地质考古学家西尔维亚·冈扎利兹在墨西哥城东南部塞罗•托路奎拉火山附近的一个废弃采石场底部发现了269个人类和动物脚印化石,具有4万年的历史,这一发现对远古人类在11000年前抵达美洲的传统理论提出了挑战。国际著名期刊Nautre在其网站上进行了报道。

 

墨西哥发现的距今4万年的脚印化石

研究:鉴于此项发现的重要性,冈扎利兹为首的研究小组花了近两年时间来测定这些脚印的年代。他们采用了放射性碳、电子自旋共振、铀系、光释光等手段进行测年,所测年代范围集中在4万年左右。为了证明这些脚印化石确实是古人类留下来的,他们还对这些脚印化石所反映的脚趾、脚后跟、足弓、脚的长度等进行了仔细观察和测量,并利用激光扫描对脚印化石进行了三维复原。研究结果发现脚趾、脚后跟和足弓等在这些脚印化石中都有很好的表现,脚印平均长度45.9厘米,推测人的身高为190厘米。此外,研究人员还注意到这些脚印在形态上多种多样,推测是因为火山灰颗粒粗糙等原因造成的。

意义:根据传统的理论,早期人类是在大约11000年前经过白令陆桥抵达美洲大陆的。但此项发现表明,早期人类抵达美洲的时间可能比以前想象的要早上至少30000年。

延伸阅读:

Morse, S.A., Bennett, M.R., Gonzalez, S. and Huddart, D., 2010. Techniques for verifying human footprints: reappraisal of pre-Clovis footprints in Central Mexico. Quaternary Science Reviews 29 (19–20), 2571-2578.

Pilcher, H.R., 2003. Earliest human footprints found? Nature doi:10.1038/news050704-4

 
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