發(fā)現(xiàn)南方古猿“小腳”

文 圖/譚培陽(yáng) 楊淼燃 仝廣

發(fā)掘工作照

2018 年7 月《自然》雜志上刊登了一篇題為《百萬(wàn)年前的“小腳”人破石而出》（"Little Foot"hominin emerges from stone after millions of years）的文章，介紹了南非古人類(lèi)學(xué)家羅納德·克拉克和其團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)掘，發(fā)現(xiàn)迄今為止最完整的南方古猿化石“小腳”，揭示了有關(guān)早期人類(lèi)進(jìn)化的新信息。同年9 月，羅納德·克拉克夫婦受邀到河北師范大學(xué)進(jìn)行學(xué)術(shù)訪問(wèn)交流活動(dòng)，在此期間，羅納德教授給我們講述了他在南非斯特克方丹洞穴多年來(lái)的發(fā)掘研究成果。通過(guò)他精彩的講解，有關(guān)“小腳”的發(fā)現(xiàn)、發(fā)掘與研究的故事逐漸展現(xiàn)在我們面前。

意外的發(fā)現(xiàn)

1994 年9 月的一天，50 歲的羅納德在觀察來(lái)自斯特克方丹洞穴的動(dòng)物化石標(biāo)本時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了四枚與眾不同的化石。通過(guò)辨認(rèn)，他發(fā)現(xiàn)這些化石應(yīng)屬于同一個(gè)南方古猿的部分腳骨。

到了1997 年，羅納德在金山大學(xué)醫(yī)學(xué)院解剖學(xué)系保存的一箱獼猴科化石中，又發(fā)現(xiàn)了更多的跖骨和同一個(gè)體的脛骨遠(yuǎn)端碎片。他驚奇地發(fā)現(xiàn)，它們和之前發(fā)現(xiàn)的幾枚腳骨居然能拼合成一只南方古猿的腳骨。

圖①②③羅納德發(fā)現(xiàn)的幾枚跗骨和跖骨化石

圖④⑤羅納德發(fā)現(xiàn)的更多的同一個(gè)體的跖骨和脛骨遠(yuǎn)端碎塊

這讓羅納德很激動(dòng)，他認(rèn)為這些人科化石肯定不止于此。這些骨骼化石是20 世紀(jì)30 年代礦工從角礫巖中炸出來(lái)的，直到1980 年才被清理出來(lái)，當(dāng)時(shí)只被簡(jiǎn)單地分為獼猴科等。羅納德覺(jué)得其余的部分可能還留在當(dāng)年角礫巖被炸開(kāi)的位置，于是立即決定派兩名助手去調(diào)查這批化石當(dāng)年發(fā)現(xiàn)的地方—斯特克方丹洞穴。

南非的斯特克方丹洞穴是聞名于世的舊石器時(shí)代洞穴遺址以及古人類(lèi)化石的圣地。該洞穴是石灰?guī)r溶洞，洞穴的地層包括約20 米的沉積物，可分為6 個(gè)連續(xù)的堆積層位。這些堆積從最早到最晚編號(hào)為1—6 層，此前的人科化石層位主要在第4 層發(fā)現(xiàn)，大約有650 個(gè)人科標(biāo)本，而羅納德要找的當(dāng)年礦工炸出角礫巖的位置則位于第2 層堆積。

斯特克方丹洞穴地層堆積

他叮囑助手，要仔細(xì)觀察可能會(huì)在角礫巖中露出的骨骼斷面，它們可能是剛露出巖石面的脛骨，會(huì)很難辨認(rèn)。兩名助手在漆黑的洞穴中一寸寸地尋找，功夫不負(fù)有心人，經(jīng)過(guò)一天半的仔細(xì)搜索后，他們終于有所發(fā)現(xiàn)。但是他們并不能確定，于是立即通知羅納德前來(lái)確認(rèn)。羅納德趕到現(xiàn)場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)這是一段右脛骨的斷面和一段左脛骨的斷面，嵌在洞穴西端陡峭而古老的角礫巖坡中，他將之前發(fā)現(xiàn)的脛骨遠(yuǎn)端碎片與露出地表的骨骼斷面完美拼合到了一起，這意味著它們同屬一個(gè)個(gè)體。他認(rèn)為整個(gè)化石骨架埋在該區(qū)域角礫巖中的概率很高，只要沿著這些脛骨往上，就可能找到股骨、盆骨、脊椎骨乃至整具骨架。就這樣，一位古人類(lèi)學(xué)家滿懷著期望，開(kāi)始了長(zhǎng)達(dá)20 年的漫長(zhǎng)發(fā)掘旅程。

艱難的發(fā)掘

羅納德和兩名助手一起參與發(fā)掘，發(fā)現(xiàn)骨骼化石的地方位于洞穴深處，暗無(wú)天日，陰冷潮濕，充滿了霉菌，工作環(huán)境惡劣。且骨骼化石包裹在堅(jiān)硬的角礫巖中，這導(dǎo)致發(fā)掘工作難以開(kāi)展。起初他們使用大鑿子和大錘子去除大塊的燧石、白云巖石塊和角礫巖，直到清理到靠近骨骼的位置，才用小錘子加小鑿子一點(diǎn)點(diǎn)剝離骨骼上面的角礫巖。在清理的過(guò)程中，他們發(fā)現(xiàn)這些骨骼表面很脆弱，骨質(zhì)很軟。為了避免對(duì)可能遇到的化石造成傷害，在清理靠近化石的角礫巖時(shí)，他們不得不使用潔牙機(jī)費(fèi)力地將巖石一點(diǎn)點(diǎn)磨掉，因?yàn)槭褂描徸雍湾N子會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致骨骼破裂。化石發(fā)現(xiàn)在一個(gè)不規(guī)則的陡坡上，他們不得不建造一個(gè)木制平臺(tái)，以便能夠有效地工作。同時(shí)在發(fā)掘區(qū)域上方搭建了一個(gè)頂棚保護(hù)著發(fā)掘區(qū)，在雨季來(lái)臨時(shí)保證雨水不會(huì)掉落到發(fā)掘區(qū)域。然而，雨水還是會(huì)通過(guò)周?chē)自茙r滲透到發(fā)掘區(qū)的角礫巖中，這時(shí)候就不得不停止工作，有時(shí)停工長(zhǎng)達(dá)兩三個(gè)月，直到角礫巖干涸才能繼續(xù)發(fā)掘工作。

洞穴內(nèi)發(fā)現(xiàn)的化石拼對(duì)

脛骨及股骨揭露狀況

頭骨揭露

羅納德順著脛骨向上一寸一寸地揭露，隨著時(shí)間的推移，他們?nèi)缭傅匕l(fā)現(xiàn)了完整的脛骨、腓骨、股骨等。但股骨中段以后的部分，從角礫巖一直挖到頂部的白云巖也未發(fā)現(xiàn)。在這段時(shí)間里，羅納德陷入了絕望，他開(kāi)始懷疑這里是否有完整的化石存在，或許這個(gè)南方古猿在掉入洞穴之前被食肉動(dòng)物所獵殺，而只有一半身體掉入洞穴里面。

一次偶然的機(jī)會(huì)，他注意到在木制工作平臺(tái)下面有一小塊空地連接到斜坡，并向南延伸到更廣闊的空洞，這塊空地上的堆積并非早期形成的洞穴角礫巖，而是后期形成的流石層。他大膽地猜測(cè)，骨架其余部分是不是坍塌到了較低的水平面，然后被后期形成的流石層所覆蓋？于是他們選擇鑿開(kāi)堅(jiān)硬的流石層，以驗(yàn)證這個(gè)大膽的想法。在1998 年9 月11 日，這個(gè)團(tuán)隊(duì)終于從流石層下的角礫巖中清理出一小塊化石，這是一個(gè)下頜的上部。進(jìn)一步的清理最終揭露出了上臼齒，顯然這起碼是一個(gè)保存著部分上頜和部分下頜的顱骨。這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓羅納德欣喜若狂，這意味著他之前的猜測(cè)沒(méi)有錯(cuò)，他在這里發(fā)現(xiàn)一具完整南方古猿化石的可能性進(jìn)一步增加。果然，通過(guò)隨后的發(fā)掘，他們揭露出一顆完整的南方古猿頭骨，隨后羅納德向世人公布了這一重大發(fā)現(xiàn)，并給該化石一個(gè)編號(hào)StW 573，因?yàn)樽畛踔话l(fā)現(xiàn)腳骨的一小部分，于是稱(chēng)呼它為“小腳”（Little Foot）。

發(fā)掘工作在之后的十余年仍然持續(xù)著。在這期間，潮濕的洞穴環(huán)境，到處充滿的霉菌，以及長(zhǎng)期的洞穴工作，導(dǎo)致最初參與發(fā)掘的兩名助手身體狀況欠佳而退出了發(fā)掘工作，羅納德不得不重新找尋了兩名新的助手。最終他的團(tuán)隊(duì)揭露出了“小腳”的左前臂、位于顱骨下方的右側(cè)肩胛骨、卡在右下頜上的鎖骨、在頭骨和小腿之間斷裂的肋骨和椎骨、股骨上部和壓碎的骨盆、以及右手腕骨和手骨等等。但是所有的骨骼都被大塊、小塊的燧石和白云石所包裹，很多骨骼可能在這些石塊里面互相疊壓。為了使挖掘工作繼續(xù)進(jìn)行，以發(fā)現(xiàn)更多的骨骼，他決定把一些骨骼從角礫巖塊中切割出來(lái)。為了防止骨骼下面還會(huì)疊壓著其他的骨骼化石，所有切割都是通過(guò)潔牙機(jī)來(lái)進(jìn)行的。之后的清理過(guò)程中，在“小腳”的下方還發(fā)現(xiàn)了猴子的化石，“小腳”盆骨下面還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)雄性狒狒的頭蓋骨。正是因?yàn)檫@種謹(jǐn)慎、細(xì)致而耐心的發(fā)掘方法，使得發(fā)掘工作持續(xù)十余年才完成。

2010 年8 月13 日，羅納德決定將顱骨取出并將其移至實(shí)驗(yàn)室，以便在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行更為細(xì)致、安全的清理。將頭骨帶出洞穴的那一刻，他舉著頭骨化石興奮地對(duì)著同伴說(shuō)：“這是‘小腳’三百萬(wàn)年來(lái)看到的第一縷陽(yáng)光，這是個(gè)值得紀(jì)念的日子?！?010 年11 月，他們?nèi)〕觥靶∧_”的左前臂，然后陸續(xù)取出小腿團(tuán)塊、右臂團(tuán)塊，以及包含肋骨和椎骨的團(tuán)塊。2011 年6 月，隨著最后一塊包含“小腳”骨盆和上股骨的團(tuán)塊取回實(shí)驗(yàn)室，宣告洞穴內(nèi)的發(fā)掘工作徹底結(jié)束。

整體骨骼化石分布狀況

羅納德將“小腳”頭骨帶出洞穴的一刻

精細(xì)的清理

室內(nèi)清理工作一點(diǎn)也不比洞穴里面的發(fā)掘輕松，要將如此多的骨骼化石從角礫巖團(tuán)塊中一塊一塊清理出來(lái)，還不能傷害到化石，這需要長(zhǎng)期耐心與精準(zhǔn)的清理。骨骼的每個(gè)單元都是由羅納德和助手在野外實(shí)驗(yàn)室中清理出來(lái)的。以前在斯特克方丹洞穴中發(fā)現(xiàn)的骨骼化石沒(méi)有這么脆弱，因?yàn)橥ǔ＝堑[巖比較容易且干凈地與骨骼分離。而“小腳”化石卻不同，它的骨骼表面十分不穩(wěn)定，部分骨骼跟紙張一樣薄，且彼此是糾纏在一塊的狀態(tài)，如頭骨上依附著一個(gè)非常脆弱的粉狀右鎖骨，鎖骨的內(nèi)側(cè)末端與肋骨和巖石糾纏在一起。因此，將這些化石分離是一個(gè)漫長(zhǎng)而危險(xiǎn)的過(guò)程，所有這些分離工作都是用潔牙機(jī)，需要清理者有足夠的耐心和高度的認(rèn)真，清理的同時(shí)還需要不斷在骨骼表面施加固化劑。在清理較厚的角礫巖沉積物時(shí)，因?yàn)闊o(wú)法知道它內(nèi)部可能隱藏著什么，所以在清理之前，要先通過(guò)Micro-CT 掃描，例如在頭骨下頜骨升支之間填充的角礫巖內(nèi)就顯示有寰椎的存在。而牙齒的牙釉質(zhì)也與牙本質(zhì)分開(kāi)，變得更加難以清理。室內(nèi)清理工作一直從2010 年持續(xù)到了2017 年，終于將化石完整地清理出來(lái)。經(jīng)過(guò)拼對(duì)，僅尺骨遠(yuǎn)端的部分、手腕骨和幾個(gè)手指骨以及右腳骨有所缺失，通過(guò)骨骼形態(tài)確定這是一具雌性的南方古猿個(gè)體。

骨骼初步清理狀況和最終清理狀況

羅納德發(fā)現(xiàn)，許多骨骼保存狀況較差，都有被砸的痕跡，但它們中有些關(guān)節(jié)是完整的，且處于正確的解剖學(xué)位置，例如：左手尺骨連接著手骨；手指骨握緊，且與掌骨相連；肩胛骨和鎖骨仍與肱骨頭關(guān)節(jié)連接；橈骨和尺骨與被嚴(yán)重壓碎但完整的肱骨相連，且肱骨和保存完好的肩胛骨相連；顱骨和下頜骨處于自然關(guān)節(jié)位置；右股骨頭位于髖骨的髖臼中，骨盆自然附著在腰椎柱上。如果“小腳”是在死亡且軀體腐爛后再掉入到松散的角礫巖中的話，那么它們現(xiàn)在就不會(huì)處于正確的解剖關(guān)系中，因此，最可能的情況是骨骼在仍然被包裹在組織中時(shí)進(jìn)入洞內(nèi)，隨后在漫長(zhǎng)的埋藏過(guò)程中受到各種外力的影響。羅納德認(rèn)為“小腳”是從地面掉落下來(lái)后致死，由于當(dāng)時(shí)干燥的自然條件，她的身體在洞內(nèi)“木乃伊化”。而環(huán)境考古相關(guān)的材料也證明當(dāng)時(shí)的南非處于干燥的氣候下。

科學(xué)的推斷

骨骼化石在洞穴中分布的平面圖與剖面圖

羅納德認(rèn)為，這具骨骼化石如此完整，表明這個(gè)南方古猿很可能是死于自然陷阱，而不是被食肉動(dòng)物獵殺的殘余物。他認(rèn)為“小腳”要么意外地從地面通過(guò)豎井掉落下來(lái)，要么故意進(jìn)入洞穴，然后無(wú)法逃脫出去而死在這里。在骨盆下面發(fā)現(xiàn)的一只狒狒頭蓋骨，為“小腳”的死因提供了另一種有趣的可能性。斯特克方丹洞穴入口周?chē)性S多大樹(shù)，其中包括一些無(wú)花果樹(shù)，這些無(wú)花果和其他水果對(duì)靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物特別有吸引力。饑餓的“小腳”可能被這些果樹(shù)吸引到這里，并與同樣來(lái)覓食的大型雄性狒狒發(fā)生沖突—現(xiàn)代的黑猩猩和狒狒之間就有為食物資源產(chǎn)生沖突的情況。如果它們?cè)诙囱ㄈ肟谥車(chē)臉?shù)上發(fā)生沖突，那么可以想象它們很可能在此過(guò)程中掉入洞穴中。

在此之前，斯特克方丹洞穴堆積的年代主要通過(guò)每一層出土的動(dòng)物化石與東非出土的動(dòng)物化石群比較，然后進(jìn)行大致估算。到目前為止，只有4—6 層提供了足夠數(shù)量的化石。通過(guò)動(dòng)物群的對(duì)比，第4 層的堆積年代在距今280 萬(wàn)—230 萬(wàn)年之間，第5 層形成于距今200 萬(wàn)—140萬(wàn)年之間，第6 層堆積的年代更晚，在距今20萬(wàn)年以后。第2 層的動(dòng)物群很稀少，但發(fā)現(xiàn)了一些貓科化石，它們表明第2 層堆積的年代在350 萬(wàn)年或更早，部分學(xué)者們認(rèn)為300 萬(wàn)年左右可能為最適合的年代。而早期年代測(cè)定嘗試是基于流石層的古地磁和鈾鉛定年，這些努力為流石層的形成提供了年代，但是流石層形成之前的年代并不確定。在發(fā)掘過(guò)程中的觀察表明，這些巖溶洞穴系統(tǒng)中化石的埋藏歷史可能非常復(fù)雜。了解沉積環(huán)境，包括在裂縫和空洞內(nèi)形成的流石，對(duì)于“小腳”以及整個(gè)斯特克方丹洞穴的年代測(cè)定尤為重要。最新基于角礫巖的宇宙射線等時(shí)線測(cè)年顯示，其年代約為367 萬(wàn)年，但在學(xué)術(shù)界這一結(jié)果仍然有一定爭(zhēng)議。由于埋藏環(huán)境的限制，這些南非洞穴遺址的年代一直是一個(gè)具有爭(zhēng)議的話題。

通過(guò)骨骼形態(tài)對(duì)比，羅納德認(rèn)為“小腳”應(yīng)該歸屬于南方古猿的一個(gè)種—普羅米修斯種，這個(gè)種最早發(fā)現(xiàn)在距離斯特克方丹洞穴不遠(yuǎn)的馬卡潘斯蓋（Makapansgat）洞穴中。因?yàn)榕c人科化石同時(shí)發(fā)現(xiàn)的還有一些黑色的骨骼化石，這些黑色的化石似乎被火燒過(guò)，所以當(dāng)時(shí)的研究者認(rèn)為生活在這里的人科成員具有用火能力，因此將其命名為“普羅米修斯種”。然而后來(lái)的發(fā)現(xiàn)證明這些黑色的骨骼化石是由于錳元素侵蝕形成的。南方古猿普羅米修斯種骨骼形態(tài)整體比南方古猿阿法種以及非洲種要大很多，具有明顯的性別差異性。

左為南方古猿雄性非洲種，右為雌性普羅米修斯種

不朽的發(fā)現(xiàn)

在“小腳”發(fā)現(xiàn)之前，世界上還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)如此完整的南方古猿化石，之前較為完整的南方古猿阿法種的“露西”也僅有40%的完整度，所以無(wú)從得知南方古猿的身體比例。許多研究者認(rèn)為從南方古猿進(jìn)化到直立人階段，是從適宜樹(shù)上生存的長(zhǎng)臂開(kāi)始逐步進(jìn)化到短臂，因此南方古猿的上肢要長(zhǎng)于下肢，有著類(lèi)似于猩猩或猴子的身體比例。但是通過(guò)對(duì)“小腳”骨骼形態(tài)的觀察，羅納德發(fā)現(xiàn)，它的上肢明顯短于下肢，有著類(lèi)似現(xiàn)代人的身體比例，明顯已經(jīng)適應(yīng)地面直立行走。所以他認(rèn)為人們之前對(duì)于人類(lèi)進(jìn)化的假想是錯(cuò)誤的，對(duì)南方古猿以及能人的形象刻劃更是有待商榷。

正是由于一位經(jīng)驗(yàn)豐富的古人類(lèi)學(xué)家敏銳的直覺(jué)，才讓這具化石得以在塵封的洞穴中被發(fā)現(xiàn)，也是由于羅納德·克拉克先生20 多年的堅(jiān)持不懈，精細(xì)耐心的發(fā)掘，才讓“小腳”能夠在300 多萬(wàn)年后重見(jiàn)天日?！靶∧_”是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最為完整的南方古猿化石，是研究南方古猿的整體骨骼形態(tài)變化、早期人類(lèi)演化的重要標(biāo)本，它的完整性可以與之前許多遺址發(fā)現(xiàn)的殘缺不全的單個(gè)南方古猿骨骼化石進(jìn)行形態(tài)對(duì)比研究，同時(shí)也完善了古人類(lèi)進(jìn)化序列上重要的一環(huán)，為人類(lèi)演化的研究提供了重要信息。老先生對(duì)學(xué)術(shù)研究認(rèn)真與執(zhí)著的精神更加值得我們這些年輕的后輩們學(xué)習(xí)。