新证据表明气候如何塑造人类进化

我爬上肯尼亚北部图尔卡纳湖西岸附近一条小wadi或冲沟的陡峭岸边，停在一个小土墩上，从那里可以俯瞰广阔、大部分荒芜的沙漠景观。波光粼粼的碧蓝色湖泊与周围红褐色的景观形成鲜明对比。这片狭长的沙漠之海坐落在非洲大裂谷内，它的存在归功于奥莫河，奥莫河蜿蜒的河流输送着来自埃塞俄比亚高原夏季季风雨的径流，那里在数百英里以北。

这里的炎热必须得到尊重。到中午，感觉就像一个鼓风炉。太阳炙烤着大地，滚烫的石头地面又将热量反射上来。扫描尘土飞扬的地平线，远处湖泊在闪烁，我很难想象这个地方除了沙漠之外的其他样子。

然而，到处都是过去更潮湿时期的证据。事实上，我脚下的小土墩是一块厚厚的古代湖泊沉积物，可以追溯到360万年前，当时一个更大更深的图尔卡纳湖充满了这个盆地。化石湖藻的玻璃状遗骸构成了白色的沙质层，大型鱼类化石也很常见。在过去的某些时候，这片岩石沙漠曾被草原、树木和湖泊覆盖。

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越来越多的科学家认为，这种气候变化可能在塑造人类进化方面发挥了重要作用。图尔卡纳湖地区以及东非和南非的其他地点，拥有早期人类起源的大部分化石记录，以及自我们的血统在七百多万年前与非洲猿分离以来的进化历程。

值得注意的是，非洲气候的重大转变与我们祖先路径上的两个时刻相吻合，这两个时刻大约相隔一百万年，标志着我们家族树的重大变化。第一次进化剧变发生在290万年至240万年前之间。“露西”及其同类（南方古猿阿法种）的著名祖先谱系灭绝了，另外两个非常独特的群体出现了。其中一个群体具有一些现代特征的迹象，包括更大的大脑。它们的主人是我们自己属的最早成员，即“人属”。在这些化石附近出现了粗糙的石器工具。除了“人属”之外，在这个时期出现的另一个群体看起来不同：一个身体粗壮、下颌骨粗大且最终不成功的谱系，统称为“傍人属”。

第二次剧变发生在190万年至160万年前之间。一个大脑更大、更肉食性的物种，直立人（一些科学家称为匠人）出现在舞台上。它更高、更苗条的骨骼与现代人类的骨骼几乎没有区别。这个物种也是第一个离开非洲，前往东南亚和欧洲定居的物种。石器工具技术也得到了重大升级：第一批手斧出现了，其大型刀片在两侧都经过精心塑造。

为什么这些现代人类的进化里程碑如此集中在时间上？许多科学家现在认为，两次气候变化事件可能是原因。这两次生态冲击发生在经历了漫长的极其缓慢的变化之后，将人类的摇篮推向越来越干燥和开阔的草原。在这些更广泛的转变发生时，气候在潮湿和干燥时期之间快速切换，因此，为了生存，我们的祖先必须适应快速变化的景观。

证据来自一系列数据，这些数据告诉我们，在人类进化的重大时刻，非洲的气候和植被是如何以及为何发生变化的。科学家现在能够从我所站立的沉积物层等沉积物层中提取和分析古代非洲植被的分子遗迹。对我们祖先牙齿的化学分析揭示了他们在景观变化时所吃的食物。那些适应这些转变的生物——那些在食物和居住地方面表现出灵活性的生物——似乎是那些繁荣昌盛的生物。这种面对新的环境挑战的灵活性似乎是人类血统中传承下来的一个特征。其他没有随着时代变化的祖先则灭绝了。史密森尼学会的古人类学家里克·波茨将灵活性在使我们成为现在的样子中所起的作用称为“变异选择”。

气候塑造的生命

将气候变化与进化联系起来的理论可以追溯到查尔斯·达尔文。他的前提是，大规模的气候变化会动摇特定地区可获得的食物、住所和其他资源的种类。一种喜爱的食物的消失或漫长的雨季被更长的旱季取代，会产生压力，最终导致适应、灭绝或进化成不同的物种。由气候设定的环境将有利于那些具有某些有利性状基因的生物，例如更大的大脑。随着时间的推移，这些生物及其携带的基因将占据主导地位，因为它们中的更多会存活下来。在《物种起源》中，达尔文指出，极度寒冷或干旱的季节是对物种数量的有效制约。

这种变化过程并非总是微妙或温和的。在过去 5.4 亿年中，地球生命化石记录中的“五大”物种大灭绝中的每一次都伴随着环境破坏。在这些事件中的每一次中，有 50% 到 90% 的物种灭绝，但这之后是新的、非常不同的物种的爆发。这些事件定义了生命史书中的主要章节，新的生物世界在这些章节中出现并蓬勃发展。我们哺乳动物要感谢大约 6600 万年前撞击现在墨西哥的尤卡坦半岛的曼哈顿大小的陨石。它杀死了恐龙（以及许多其他不那么有魅力的物种），迎来了哺乳动物的快速辐射和多样化。

这些哺乳动物中的一个群体，在经历了更多的分支和大量时间后，演变成了我们。对于这些人科动物（现代人类和我们已灭绝的亲属），科学家们尝试了几种关于环境塑造进化方式的观点。“热带草原假说”就是其中之一。在其最早的版本中，科学家们提出，我们早期的人类祖先，随着日益增长的两足行走能力、更大的大脑和工具制造能力，更适合迅速扩张的热带草原，那里的资源竞争更加激烈，他们将我们的类猿祖先抛在了退化的森林中。

这种过时的观点仍然出现在一些教科书中，但它是错误的。森林到草原的栖息地转变并非一次性完成，而是一系列快速的干湿循环，这些循环以不同的步骤朝着更干燥的条件发展。此外，我们并非在单一时刻获得人类特征，而是在环境发生转变时，在一系列集中的爆发中获得人类特征。

干湿循环

这些景观变化和进化的爆发证据不仅来自陆地，也来自海洋。非洲地面沉积物通常难以分析，因为存在侵蚀和其他地质扰动。然而，在深海中，它们仍然不受干扰。通过在非洲海岸附近的 Seabed 中钻探，像我这样的地质学家已经能够穿透数百万年的时间胶囊，回收长长的沉积物岩心，这些岩心保存了过去非洲环境的完整记录。为了获得这些岩心，我们需要一艘特殊的船只。这就是为什么 1987 年秋天，由 27 名科学家组成的团队和我花了两个月时间在 470 英尺长的钻探船“决心号”上的原因。

“岩心在甲板上！”钻井工会在 PA 系统中用他的德克萨斯口音尖叫道。我们科学家们呻吟着，戴上安全帽，走出船上凉爽舒适的实验室，进入耀眼的阿拉伯阳光下，将又一段 30 英尺长的深海沉积物岩心搬进室内进行分析。“决心号”是一艘国际资助的研究船，旨在探索和钻探海底，并回收记录在那里的地球历史。我们在阿拉伯海一英里半深的水中钻探穿过深海沉积物层，从海底近半英里处提取岩心。自从类人猿和人类谱系在数百万年前分化以来，这里的海底已经积累了近 1,000 英尺深的深海泥，位于黑暗、宁静的深渊中，速度约为每 1,000 年 1.5 英寸。

这里的沉积物由古代海洋浮游生物的细白色碳酸钙化石壳和被季风吹来的非洲和阿拉伯地区较深、淤泥状的尘土颗粒混合而成。当混合物看起来更暗且粗糙时，表示干燥、多尘的时期。当它看起来更亮时，则反映出更潮湿、更潮湿的条件。

将裂开的沉积物岩心放在船上宽敞的研究实验室内的桌子上，我们可以看到交替的明暗层每三英尺左右重复一次，这意味着它们大约每 23,000 年变化一次。很明显，非洲气候历史一直是潮湿和干燥时期之间持续的摇摆。这与一次性、急剧地转向热带草原截然不同。

这些摇摆反映了非洲和亚洲季风气候对地球轨道摆动的已知敏感性，这种摆动以有规律的 23,000 年周期发生。摆动改变了给定季节照射到我们星球的阳光量。对于北非和南亚，夏季或多或少的热量会增加或减少季风降雨量，使这些地区随着我们星球来回摆动而变得更加潮湿或干燥。

在北非最近的湿润时期，大约在 10,000 年到 5,000 年前，人类绘制的精美岩画记录了湿润程度。在撒哈拉沙漠各地发现的艺术品描绘了茂盛的景观，其中充满了大象、河马、长颈鹿、鳄鱼和成群的猎人追逐瞪羚。撒哈拉沙漠曾被草和树木覆盖；现在被沙丘淹没的湖盆充满了水。一条膨胀的尼罗河冲入东地中海，黑色的、富含有机物的沉积物，称为腐泥层，在地中海海底积聚。它们与干燥时期沉积的白色层交替出现，就像从阿拉伯海回收的变化的尘土层一样，传达着深入过去的非洲气候周期条形码信息。

露西的末日

叠加在这些轨道干湿循环之上的是朝着干燥和开阔草原迈进的更大步伐。大约在 800 万年前，小片草原首次在东非扩张。但像塞伦盖蒂这样广阔的草原直到 300 万年前才永久建立起来。几乎就在这个时候，我们的进化史也受到了冲击。

我们失去了露西。她极其成功的物种，阿法南方古猿，在东非存活了 90 万年，从大约 390 万年前开始。但就在不到 300 万年前，露西的同类从化石记录中消失了。

接下来是傍人属群体的出现，随后在 260 万年前出现了第一批石制砍伐器和刮削器的迹象，然后在几十万年后出现了早期人属化石。

我们知道我们家族树和技术发明的这些变化发生在整体气候转变期间，这要归功于一些聪明的科学侦探工作，追踪了一些在更潮湿环境中繁盛的植物和其他在更干燥时期繁盛的植物留下的指纹。

热带草原是开放的热带生态系统，由草和莎草组成，有时点缀着成簇的木本树木。热带草原草在炎热干燥的地区生长良好，因为为了从大气中吸收碳，它们使用一种称为 C4 的特定光合途径。这组反应吝啬碳和水，是对干燥和低二氧化碳环境生活的适应。

犹他大学的图尔·E·塞林及其同事开发了一种重建古代景观植被历史的方法。多年前，研究人员发现，相对于较轻、更丰富的碳 12 同位素，C4 草的较重但较稀有的碳 13 同位素丰度更高。但 C3 灌木和木本植物的碳 13/12 比率较低。科学家们发现，他们可以从给定的景观中采集土壤或岩石结核样本，分析碳比率，并使用它们来准确估计该地区曾经存在的 C4 草与 C3 木本植物的百分比。

当他们观察从出土人科动物化石的地点采集的东非沉积物时，研究人员了解到，在 800 万年前，东非景观主要由 C3 森林和灌木林组成。此后，C4 草原的比例逐渐增加。然后在 300 万年前到 200 万年前之间发生了一次相对较大且快速的转变。

在这次转变期间，草原在今天的肯尼亚、埃塞俄比亚和坦桑尼亚迅速扩张。随之而来的是食草哺乳动物比例的上升，这由它们丰富的化石表明。随着时间的推移，接近 200 万年前，非洲羚羊——它们的角，其不同的形状表明不同的物种，保存完好——似乎经历了广泛的物种形成、灭绝和适应，很像我们的人科动物祖先。

牛科动物是偶蹄类动物所属的科，约占所有非洲化石的三分之一。因此，它们提供的数据集比稀少得多的人科动物要大得多。耶鲁大学的古生物学家伊丽莎白·弗巴对过去 600 万年非洲大陆的牛科动物进化进行了全非洲分析。她的研究确定了牛科动物物种形成和灭绝率远高于正常背景水平的特定时间。这两个最大的事件发生在约 280 万年前和 180 万年前，与地质学家观察到的草原生长时期相吻合，尽管现在在乔治·华盛顿大学的勒内·博贝和史密森尼学会的安娜·K·贝伦斯迈耶的最新研究表明，这些事件可能更为缓和。这些化石的解剖结构暗示，其中一些化石正在利用景观变化。例如，出现了许多新的食草牛科动物物种，它们具有专门用于咀嚼粗糙的草食饮食的臼齿。

饮食和景观

就像牛科动物的情况一样，植被变化很可能对我们自己的祖先产生了深远的影响，因为我们不仅仅生活在环境中——我们还吃掉它。古饮食研究被证明对于理解人科动物如何受到景观变化的影响非常有用。正如土壤中的同位素可以用来推断古代景观中草原的相对丰度一样，科学家们最近开始分析我们祖先化石牙齿中的同位素组成。现代美国人牙齿的碳同位素分析将完全位于 C4 草一侧的尺度上，因为我们消费的大部分食物——来自奶牛的肉、软饮料、零食、糖果——都来自玉米，一种 C4 草。

史前饮食变化似乎是我们历史上第二次重大进化时刻的一部分，大约在 200 万年前，看起来更现代的人属化石首次出现。塞林和他的许多同事一直在检查图尔卡纳盆地化石的牙齿。多年前，他们发表了一项引人注目的研究，表明在我们自己属的早期成员——人属和下颌骨粗大的傍人属群体成员之间，在略低于 200 万年的标记处，存在饮食分裂。一个物种，鲍氏傍人，有时被称为“胡桃夹子人”，因为它令人印象深刻的大臼齿和巨大的下颌骨。来自该物种的碳同位素牙齿数据表明，它确实吃了狭窄的、主要以 C4 为基础的饮食。然而，牙齿上的细微划痕表明，它根本不是在咬坚果，而是在吃柔软的 C4 草和莎草。

最大的惊喜是对于人属。这些早期牙齿记录了一种饮食，这种饮食与景观向更大 C4 草覆盖率发展的趋势背道而驰。早期人属的牙齿同位素数据表明，饮食非常混合，大约 65-35% 是基于 C3 和 C4 的食物。它表明，人属从一个变得越来越单一的景观中寻找多样化的食物。早期人属拥有多样化、灵活的饮食，并将基因传递给后代，最终导致我们。相比之下，傍人属生活在狭窄的 C4 饮食生态位中，并最终灭绝。

人们很容易推测，与这个人属群体一起出现的更复杂的石器工具——手斧、砍刀等，这些工具需要付出更多努力才能制作，并且可以用于多种用途——更适合帮助它们的所有者利用不同的食物来源。我们仍然完全不确定这些生物在吃什么，但我们确实知道哪些饮食适应最终是成功的。

填补气候空白

尽管 C3/C4 故事很有趣，但它仍然存在一些漏洞：特别是陆地沉积物序列中存在数千年的空白。但同样，海洋沉积物及其更完整的记录可以帮助填补空白。在过去十年中，一种连续追踪植被变化的非常有前景的技术已经出现。所有陆生植物都有蜡质叶子涂层，可以保护它们免受伤害和脱水。当植物死亡或被磨损时，蜡质涂层会随风携带，以及矿物粉尘和其他颗粒。这些涂层由坚韧的小分子、称为脂质的长碳基链组成。它们具有抗降解性，并具有来自其宿主植物类型 C3 或 C4 的碳同位素特征。一旦从沉积物中化学分离出来，就可以测量这些植物蜡脂质并确定其碳特征为 C3 或 C4。特定类型的相对丰度使我们能够估计古代景观中草与树木和灌木的数量。

现在在南加州大学的莎拉·J·费金斯和她的同事应用了这项技术来重建人科动物的环境。通过分析亚丁湾钻探地点的沉积物，她证实，东非草原在 300 万年前到 200 万年前之间扩张，可能高达 50%。费金斯还发现，这些植物蜡生物标志物在尘土层内发生了变化，尘土层标志着由轨道周期和季风驱动的短期波动。草地和林地在这个较短的尺度上前后移动，其中许多波动几乎与向更开阔的草原景观的长期转变一样大。在著名的坦桑尼亚奥杜威峡谷化石遗址，人科动物在 190 万年前居住在那里，科学家克莱顿·R·马吉尔和凯瑟琳·H·弗里曼（当时都在宾夕法尼亚州立大学）发现了类似的生物标志物变化。

我们正接近更清晰地了解人类起源的方式和原因。我们祖先从一些古老的黑暗森林中出现，以确立对草原的统治地位的旧形象已经消失。取而代之的是新的证据，证明了一系列快速的气候周期和两次大的转变，建立了我们今天所知的非洲热带草原。一些证据表明，我们最成功的祖先具有适应这些变化的灵活性。研究人员已经在尝试通过更详细的调查来巩固气候与这些进化事件之间的联系。尽管如此，对于古老的问题“我是如何来到这里的？”的答案似乎不再遥不可及。