Foot的内耳结构与早期的Homo物种,研究表明南方古猿此时已有出色抓握能力

2020-05-08 作者:科技产业   |   浏览(199)

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首次进行内胚层重建,称为小脚的人类近乎完整的大脑,揭示了一个结合猿类和人类特征的小脑。

小脚内耳的虚拟渲染。

人手或在300万年前展露雏形 研究表明南方古猿此时已有出色抓握能力

被称为Little Foot的南方古猿化石的MicroCT扫描显示,这个古老的人类亲属的大脑很小,并且显示出与我们自己的大脑相似的特征,以及与生活黑猩猩共享的更接近我们祖先的其他特征。

图片来源:Wits University。M. Lotter和RJ Clarke的原始头骨照片。

一个人精确抓握着一节南方古猿非洲种的拇指化石。图片来源:TRACY KIVELL

虽然大脑具有类似于现代人类的结构 - 例如不对称结构和中脑膜血管的模式 - 其一些关键区域,例如扩展的视觉皮层和减少的顶叶关联皮层指向与我们不同的病症。

被称为“小脚”的古代人类亲戚可能更像黑猩猩而不是现代人。

用你的拇指和其他指尖捏紧一枚棒球或一根钢笔你正在使用研究人员称为的精度控制,一种被认为是现代人及其最近的祖先所独有的高度进化特征。例如,黑猩猩因为拇指太短而无法精确地握住物体。然而,一项新的研究表明,在南非发现的人类祖先可能早在300万年前就已经具有了非常出色的抓握能力,这意味着他们使用石器的时间可能比预期的要早。

古代人类亲戚名叫Little Foot的南方古猿化石被威特沃特斯兰德大学(Wits)的罗纳德克拉克教授从南非的Sterkfontein洞穴中挖掘出14年多。Wits研究员AmlieBeaudet博士和Sterkfontein团队通过使用MicroCT扫描化石来实际提取,描述和分析其脑内胚层。

Little Foot是一种保存完好的南方古猿(Australopithecus) -人类家谱中的一个属 - 可追溯到367万年前。她在1994年在南非的一个洞穴中发现了近乎完整的骨架,经过20年的努力(科学家称之为“奇迹”),最终在12月被挖掘出来,并且对她头骨的密切分析使得科学家能够创造出3D内耳微小结构的模型。

当最早的石器出现在埃塞俄比亚贡纳化石记录中时,人类祖先可能至少已经得心应手了260万年。然而,第一个工匠的身份却依然是个谜,这是因为不止有一种古人类生活在距今300万年前到200万年前包括南方古猿的几个分支,其中有来自南非的南方古猿非洲种和阿法种著名的露西便属于后者。

扫描显示大脑及其供给的血管留在头骨上的印记,以及大脑的形状。Beaudet的研究作为该期刊特刊的一系列论文中的第一篇,发表在人类进化期刊中近乎完整的小脚骨架上。

研究人员在一项新的研究中报告说,这种“骨性迷宫”在平衡和运动方面具有重要线索。在形状方面,Little Foot的内耳结构与早期的Homo物种“大不相同” ,这表明她的移动方式不同 - 或许更像我们最亲近的灵长类动物亲属黑猩猩。[ 照片中:'小脚'人类祖先和露西一起走了 ]

在南方古猿化石遗址中发现的石器,以及骨骼上可能的切痕距今有340万年至320万年的历史,然而由于缺乏能够抓握石器的手化石,因此无法证明南方古猿能够制造并使用石器。

我们重建早期人类大脑特征的能力受限于化石记录的非常零碎的性质。小足内胚层保存得非常完好,相对完整,使我们能够比以往更好地探索自己的起源,Beaudet说道。 。

由于Little Foot的骨骼保存完好,它为科学家提供了一个独特的机会来研究南方古猿的双足运动。专家们之前已经通过检查骨骼特征(例如腿骨的长度和形状,以及脚,骨盆和脊柱的形状)来解释早期人类是如何移动的。

让事情更加复杂的是,完整的手化石充满了微小脆弱的骨头极为罕见。事实上,古人类学家不得不采用一些来自单独指骨特征的线索。例如,2013年的一份报告指出,人类的直系祖先直立人在170万年前能够进行精确抓握。

endocast显示Little Foot的大脑是不对称的,具有明显的左枕骨瓣。脑不对称对脑功能的侧向化至关重要。不对称性发生在人类和活猿以及其他较年轻的人类内分泌物中。Little Foot现在向我们展示了这种大脑不对称现象很早就出现了(从367万年前开始),并且支持它可能存在于人类和其他类人猿的最后共同祖先中的建议。

然而,对于平衡至关重要的内耳的形状也可以提供关于运动的有价值的信息。在人类中,内耳的进化促进了“独特的活动”,如跑步,小脚内耳的形状提供了与南方古猿运动相似的见解,主要研究作者AmélieBeaudet,地理学,考古学和环境研究学院的研究员南非威特沃特斯兰德大学在一份声明中说。

1997年,对南方古猿阿法种的合成手骨骼进行的一项里程碑式的研究表明,露西在距今310万年前缺乏完全精确的抓握,但她的这一支却已经在手骨中进化出了与制造工具所需的精度控制有关的部分而非全部特征。这暗示了这种古人类可能已经开始像现代人一样使用他们的双手,或许还会使用工具。

其他大脑结构,如扩展的视觉皮层,表明Little Foot的大脑可能具有一些特征,这些特征更接近我们与活黑猩猩共有的祖先。

明显的“类似猿”

然而,对CT扫描的化石进行分析的一种新方法为古人类学家研究手骨的内部结构提供了一个全新的视角,揭示了他们习惯的手工如何在生活中塑造自己的双手。

在人类进化过程中,当我们知道减少的视觉皮层,正如我们在自己的大脑中看到的那样,与更加扩张的顶叶皮层有关

在研究中,研究人员扫描了Little Foot头骨的内部,并使用这些数据构建了她内耳的3D模型。然后,他们将模型与17个早期人源标本,10个现存人类和10个黑猩猩的内耳进行比较。

在1月23日发表于美国《科学》杂志的一篇论文中,英国肯特大学和德国马普学会进化人类学研究所的夫妻档古人类学家Matthew Skinner和Tracy Kivell及其同事,利用CT扫描仪分析了距今300万年到200万年的古人类手骨和指骨中松质骨组织的模式。

  • 这是一个关键的大脑区域,负责感觉处理和感觉运动整合的几个方面, Beaudet说。相反,Little Foot有一个很大的视觉皮层,它与黑猩猩相似,而不是人类。

科学家们发现,Little Foot的耳道与人耳中的耳道大不相同,它们与另一个名为Paranthropus的人类组织也有很大的不同,后者与早期人类同时生活。事实上,Little Foot的运河明显是“猿类”,类似于黑猩猩。根据该研究,这表明南方古猿的移动方式可能与黑猩猩有共同之处。

由于现代人在童年时期便会经常使用强有力的精确抓握,因此他们的手骨具有细小的针骨,这是被称为骨小梁的一种骨组织,能够在力度最大的位置提供更多的骨密度。抓握一件工具会沿着拇指和指关节骨的侧面不对称地分配力,而现代人的手则显示了相应的骨小梁密度模式。相比之下,当黑猩猩抓一根树枝时,力量会更均匀地沿着拇指排列,从而在骨小梁中留下一个对称模式。

Beaudet和她的同事将Little Foot endocast与其他10个南非人类的内分泌物进行了比较,这些人类的年龄在3到150万年之间。他们对Little Foot颅内体积的初步计算被发现处于南方古猿的低端范围内,这与其非常大的年龄及其在东非南方古猿的其他早期化石中的地位保持一致。

“我们对内耳的分析可能与小脚和南方古猿 标本一般在地上两条腿走路但在树上花了一些时间的假设相符”,Beaudet说。

当研究人员对距今300万年前至200万年前生活在南非的南方古猿非洲种的4个个体的手骨进行扫描后,他们发现其骨小梁的模式是非对称的,就像现代人和经常使用工具的尼安德特人一样。

该研究还表明,南方古猿的血管系统比以前认为的更为复杂,这引发了当时大脑新陈代谢的新问题。这可能与先前的假设一致,该假设表明南方古猿的颅内血管系统比现代人更接近于Paranthropus属。

研究人员报告说,Little Foot 耳蜗的形状- 一种深入耳朵内部的感知振动的听觉器官 - 也与人类物种的形状不同,暗示南方古猿与其环境的相互作用不同于他们的表亲。

作者写道,这意味着,与之前的预期相比,南方古猿非洲种曾更早且更频繁地使用了一种与人类类似的精确抓握方式。他们差一点儿就说南方古猿非洲种曾使用和制造工具,并且这种精确抓握还能够应用在使用工具的各种不同活动中。

这意味着,即使Little Foot的大脑与我们不同,血管系统允许血液流动(带来氧气)并可能控制大脑中的温度

“这个器官与声音感知和生理因素有关,如饮食,栖息地或交流,”Beaudet在声明中说。“小脚在这方面与我们自己属的早期成员不同,暗示行为有所不同。”

然而,与现代人模式的相似性表明,人类使用石器的时间比这些工具在化石记录中被准确测年的时间早了50万年。研究人员同时还扫描了其他南方古猿的手骨,包括露西所属的南方古猿阿法种,但在该物种的骨小梁中并没有发现类似的不对称模式。

  • 这两者都是进化大而复杂大脑的重要方面 - 可能已经出现在那个时候,Beaudet说。

美国纽约市自然历史博物馆古人类学家Brian Richmond认为,未来还需要进行更多的研究,从而确定这种模式是否仅存在于南方古猿非洲种,还是也存在于南方古猿的其他分支中。无论确切的原因是什么,加拿大湖首大学古手骨专家Matthew Tocheri说:这项研究更进一步支持了这样一种假设,即南方古猿事实上能够以更加近似于人类的方式使用他们的双手

鉴于其地质年龄超过300万年,Little Foot的大脑表明,随着时间的推移,较年轻的人类在某些大脑结构中进化的复杂程度更高,可能是为了应对260万年前环境压力的增加以及封闭栖息地的持续减少。

这种环境变化也可能促使更复杂的社会互动,这是由大脑结构驱动的,Beaudet说。

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