文 圖/譚培陽 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，介紹了南非古人類學(xué)家羅納德·克拉克和其團隊經(jīng)過多年的發(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)早期人類進化的新信息。同年9 月，羅納德·克拉克夫婦受邀到河北師范大學(xué)進行學(xué)術(shù)訪問交流活動，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的發(fā)掘研究成果。通過他精彩的講解，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自斯特克方丹洞穴的動物化石標(biāo)本時，意外發(fā)現(xiàn)了四枚與眾不同的化石。通過辨認(rèn)，他發(fā)現(xiàn)這些化石應(yīng)屬于同一個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)的更多的同一個體的跖骨和脛骨遠(yuǎn)端碎塊

這讓羅納德很激動，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的，直到1980 年才被清理出來，當(dāng)時只被簡單地分為獼猴科等。羅納德覺得其余的部分可能還留在當(dāng)年角礫巖被炸開的位置，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代洞穴遺址以及古人類化石的圣地。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 個連續(xù)的堆積層位。這些堆積從最早到最晚編號為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確認(rèn)。羅納德趕到現(xiàn)場，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個體。他認(rèn)為整個化石骨架埋在該區(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，一位古人類學(xué)家滿懷著期望，開始了長達(dá)20 年的漫長發(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硬的角礫巖中，這導(dǎo)致發(fā)掘工作難以開展。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點剝離骨骼上面的角礫巖。在清理的過程中，他們發(fā)現(xiàn)這些骨骼表面很脆弱，骨質(zhì)很軟。為了避免對可能遇到的化石造成傷害，在清理靠近化石的角礫巖時，他們不得不使用潔牙機費力地將巖石一點點磨掉，因為使用鑿子和錘子會產(chǎn)生振動，導(dǎo)致骨骼破裂?；l(fā)現(xiàn)在一個不規(guī)則的陡坡上，他們不得不建造一個木制平臺，以便能夠有效地工作。同時在發(fā)掘區(qū)域上方搭建了一個頂棚保護著發(fā)掘區(qū)，在雨季來臨時保證雨水不會掉落到發(fā)掘區(qū)域。然而，雨水還是會通過周圍白云巖滲透到發(fā)掘區(qū)的角礫巖中，這時候就不得不停止工作，有時停工長達(dá)兩三個月，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

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)。在這段時間里，羅納德陷入了絕望，他開始懷疑這里是否有完整的化石存在，或許這個南方古猿在掉入洞穴之前被食肉動物所獵殺，而只有一半身體掉入洞穴里面。

一次偶然的機會，他注意到在木制工作平臺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，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？于是他們選擇鑿開堅硬的流石層，以驗證這個大膽的想法。在1998 年9 月11 日，這個團隊終于從流石層下的角礫巖中清理出一小塊化石，這是一個下頜的上部。進一步的清理最終揭露出了上臼齒，顯然這起碼是一個保存著部分上頜和部分下頜的顱骨。這個發(fā)現(xiàn)讓羅納德欣喜若狂，這意味著他之前的猜測沒有錯，他在這里發(fā)現(xiàn)一具完整南方古猿化石的可能性進一步增加。果然，通過隨后的發(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)，并給該化石一個編號StW 573，因為最初只發(fā)現(xiàn)腳骨的一小部分，于是稱呼它為“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。最終他的團隊揭露出了“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。為了防止骨骼下面還會疊壓著其他的骨骼化石，所有切割都是通過潔牙機來進行的。之后的清理過程中，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)了一個雄性狒狒的頭蓋骨。正是因為這種謹(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驗室，以便在實驗室中進行更為細(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著同伴說：“這是‘小腳’三百萬年來看到的第一縷陽光，這是個值得紀(jì)念的日子。”2010 年11 月，他們?nèi)〕觥靶∧_”的左前臂，然后陸續(xù)取出小腿團塊、右臂團塊，以及包含肋骨和椎骨的團塊。2011 年6 月，隨著最后一塊包含“小腳”骨盆和上股骨的團塊取回實驗室，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塊中一塊一塊清理出來，還不能傷害到化石，這需要長期耐心與精準(zhǔn)的清理。骨骼的每個單元都是由羅納德和助手在野外實驗室中清理出來的。以前在斯特克方丹洞穴中發(fā)現(xiàn)的骨骼化石沒有這么脆弱，因為通常角礫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漫長而危險的過程，所有這些分離工作都是用潔牙機，需要清理者有足夠的耐心和高度的認(rèn)真，清理的同時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，因為無法知道它內(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，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。經(jīng)過拼對，僅尺骨遠(yuǎn)端的部分、手腕骨和幾個手指骨以及右腳骨有所缺失，通過骨骼形態(tài)確定這是一具雌性的南方古猿個體。

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進入洞內(nèi)，隨后在漫長的埋藏過程中受到各種外力的影響。羅納德認(rèn)為“小腳”是從地面掉落下來后致死，由于當(dāng)時干燥的自然條件，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，表明這個南方古猿很可能是死于自然陷阱，而不是被食肉動物獵殺的殘余物。他認(rèn)為“小腳”要么意外地從地面通過豎井掉落下來，要么故意進入洞穴，然后無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圍有許多大樹，其中包括一些無花果樹，這些無花果和其他水果對靈長類動物特別有吸引力。饑餓的“小腳”可能被這些果樹吸引到這里，并與同樣來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。如果它們在洞穴入口周圍的樹上發(fā)生沖突，那么可以想象它們很可能在此過程中掉入洞穴中。

在此之前，斯特克方丹洞穴堆積的年代主要通過每一層出土的動物化石與東非出土的動物化石群比較，然后進行大致估算。到目前為止，只有4—6 層提供了足夠數(shù)量的化石。通過動物群的對比，第4 層的堆積年代在距今280 萬—230 萬年之間，第5 層形成于距今200 萬—140萬年之間，第6 層堆積的年代更晚，在距今20萬年以后。第2 層的動物群很稀少，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 萬年或更早，部分學(xué)者們認(rèn)為300 萬年左右可能為最適合的年代。而早期年代測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，對于“小腳”以及整個斯特克方丹洞穴的年代測定尤為重要。最新基于角礫巖的宇宙射線等時線測年顯示，其年代約為367 萬年，但在學(xué)術(shù)界這一結(jié)果仍然有一定爭議。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具有爭議的話題。

通過骨骼形態(tài)對比，羅納德認(rèn)為“小腳”應(yīng)該歸屬于南方古猿的一個種—普羅米修斯種，這個種最早發(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。因為與人科化石同時發(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，所以當(dāng)時的研究者認(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，世界上還沒有發(fā)現(xiàn)過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)為從南方古猿進化到直立人階段，是從適宜樹上生存的長臂開始逐步進化到短臂，因此南方古猿的上肢要長于下肢，有著類似于猩猩或猴子的身體比例。但是通過對“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)為人們之前對于人類進化的假想是錯誤的，對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)驗豐富的古人類學(xué)家敏銳的直覺，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 多年的堅持不懈，精細(xì)耐心的發(fā)掘，才讓“小腳”能夠在300 多萬年后重見天日?！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)的殘缺不全的單個南方古猿骨骼化石進行形態(tài)對比研究，同時也完善了古人類進化序列上重要的一環(huán)，為人類演化的研究提供了重要信息。老先生對學(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)。