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科学家发现300万年前的阿法南方古猿具有与类人猿相似的大脑

2020年10月12日 17:04:11字号:T|T

    近日,发表在Science Advances上的一项研究中,德国Max Planck进化人类学研究所的古人类学家Philipp Gunz 和Simon Neubauer领导的研究研究团队发现,Lucy(一具古猿人标本)所属的阿法(afarensis)南方古猿具有与类人猿相似的大脑。然而,迟缓的大脑发育就像人类一样,古猿婴儿可能需要长期依赖照顾。

    300多万年前,阿法南猿生活在东非,在古人类族谱中占据重要位置,因为它被广泛认为是所有后来的古人类(包括人类谱系)的祖先。来自芝加哥大学的通讯作者Zeresenay Alemseged解释说:“Lucy和她的同类提供了有关早期古人类行为的重要证据。他们直立行走,脑容量比黑猩猩大20%,可能已经使用锋利的石头工具。” Alemseged负责在埃塞俄比亚的Dikika野外项目。他在2000年发现了南方古猿儿童的骨骼。Alemseged补充说:“我们的新结果表明了他们的大脑如何发育以及如何组织。”

    为了研究阿法南方古猿的大脑生长和组织结构,研究人员在欧洲同步加速器辐射实验室(ESRF,位于法国Grenoble)使用同步微断层扫描技术扫描了在Dikika发现的古猿儿童的颅骨化石。在这项最新技术的帮助下,研究人员能够以几周的精度揭示死亡年龄。

    此外,研究人员还使用高分辨率常规断层扫描技术扫描了埃塞俄比亚Dikika和Hadar两地的另外七个保存完好的颅骨化石。经过数年艰苦的化石重建和牙齿生长线计数,研究人员复原了在Dikika发现的古猿儿童的大脑印记,包括精确的死亡年龄、对颅内容积的重新估计,以及以前未发现的著名南方古猿化石的颅内特征。

    这些数据为两个有争议的问题提供了新的启示:是否有证据表明阿法古猿具有类似人类的大脑重组?阿法古猿的大脑生长模式是否与黑猩猩或人类的大脑生长模式更相似?

    与以前的说法相反,阿法南方古猿的颅内印记显示出类似猿的大脑组织,并且没有人类特征。然而,对婴儿和成人的颅内容积进行的比较却表明,阿法古猿更像人类那样需要长时间的大脑生长,这可能是古人类长时间的童年学习进化至关重要。

    现代人类大脑不仅比我们的近亲类人猿的大脑要大得多,而且组织方式也不同。人类大脑需要更长的时间才能发育成熟。例如,与黑猩猩相比,现代人类的婴儿学习时间更长,这是以完全依赖父母照顾的时间更长为代价的。这些特征总体对于人类的认知和社会行为很重要,但这些特征的进化起源仍然不清楚。大脑不会成为化石,但是随着大脑在出生前后的生长和扩展,其外层的周围组织会在颅骨上留下印记。基于这些颅腔模型,研究人员可以测量颅内容积,并从颅骨中的大脑印记推断出大脑组织的关键信息。

    类人猿和人类之间的一个关键差异在于大脑顶叶和枕叶的组织。来自佛罗里达州立大学的合著者、解释颅内印记的专家Dean Falk说:“在所有的猿类大脑中,一个清晰的月状沟位于枕叶主要视觉皮层的前边界附近。” 过去有些人认为,大脑结构变化导致了月状沟在南方古猿的颅内更向后移动(类似于人类),并最终导致人类清晰的颅内印记消失。人们假设,南方古猿的这种大脑重组可能与比它们的类人猿亲戚更复杂的行为有关(例如,工具制造、心智化和声音交流)。不幸的是,月状沟通常在胞内细胞上不能很好地复制,因此关于其在南方古猿中的位置一直存在争议。

    Dikika发现的保存异常完整的古猿儿童化石在与类人猿大脑中相似的位置具有清晰的月状沟印记。同样,计算机断层扫描揭示出在Hadar发现的著名成年南方古猿化石 (A.L. 162-28)中未被发现的月状沟印记。与之前的观点相反,研究人员没有在任何保存了详细月状沟印记的阿法南方古猿化石中发现大脑重组的证据。

    同步加速器对婴儿化石的齿列进行计算机断层扫描,使通过计算牙齿生长线来确定一个人的死亡年龄成为可能。就像树木的年轮一样,牙齿的虚拟截面显示出反映身体内部节奏的生长线。通过研究在Dikika发现的婴儿牙齿化石,研究团队的牙科专家Paul Tafforeau(ESRF)、Adeline Le Cabec(ESRF/ Max Planck进化人类学研究所)和Tanya Smith(Griffith大学)计算出该婴儿的死亡年龄为861天(2.4年)。

    该研究第一作者Philipp Gunz 说:“经过七年的研究,我们终于集齐了研究大脑生长进化的所有拼图,包括Dikika婴儿的死亡年龄及其颅内容积,保存最完好的成人阿法南方古猿化石颅内容积,和超过1600名现代人类和黑猩猩的对比数据。”

    Dikika婴儿的牙齿发育速度与黑猩猩大致相当,因此比现代人的要快。然而,考虑到成年阿法南方古猿的大脑大约比黑猩猩大20%,Dikika婴儿的小颅内容积表明,与黑猩猩相比,它们的大脑发育时间更长。

    Simon Neubauer 解释说:“即使是将Dikika婴儿与身材矮小、脑容量小的成年古猿(比如Lucy)进行保守的比较,也表明阿法南方古猿的大脑发育和今天的人类一样是缓慢的。”

    Philipp Gunz总结道:“我们的数据表明,阿法南方古猿拥有与类人猿相似的大脑组织,但这表明,它们大脑的发育时间比黑猩猩要长。”一般来说,在灵长类动物中,不同的生长和成熟速度与不同的幼儿照顾策略有关,这表明阿法南方古猿大脑生长时间的延长可能与长期依赖照顾者有关。另外,缓慢的大脑生长速度也可能主要代表了一种策略,在食物不充足的环境中,将后代的能量需求分散到多年时间中。在这两种情况下,阿法南方古猿大脑的长时间生长为人类大脑的后续进化和社会行为提供了基础,并可能对儿童长时间学习的进化至关重要。 

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