在肯尼亚北部图尔卡纳湖西岸附近，我奋力攀登一条小冲沟或峡谷的陡峭堤岸，在一座小山丘上停了下来，这里可以俯瞰广阔、几乎寸草不生的沙漠景观。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中，它的存在归功于奥莫河，这条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，那里位于数百英里以北。
这里的炎热不容小觑。到中午时分，感觉就像身处鼓风炉中。太阳炙烤着大地，滚烫的砾石地面将热量反射上来。扫描尘土飞扬的地平线，远处湖面闪烁，我很难想象这个地方除了沙漠之外还能是什么。
然而，处在更加湿润时期的证据随处可见。事实上，我脚下的小土堆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注满了这个盆地。化石湖泊藻类的玻璃状遗骸构成了白色的沙质层，大型鱼类化石很常见。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，拥有早期人类起源和我们自七百多万年前与非洲猿类分支以来进化历程的大部分化石记录。
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 万年前到 240 万年前之间。著名的“露西”及其同类（南方古猿阿法种）的祖先谱系灭绝了，另外两个截然不同的群体出现了。其中一个群体具有一些现代特征的迹象，包括更大的大脑。它们的拥有者是我们自己属人属的最早成员。最早的简陋石器出现在这些化石附近。除了人属之外，在这个时期出现的另一个群体看起来有所不同：一个体格粗壮、下颌沉重且最终不成功的谱系，统称为傍人属。
第二次剧变发生在 190 万年前到 160 万年前之间。一个大脑更大、更肉食性的物种，直立人（一些科学家称之为匠人），出现在舞台上。它更高更苗条的骨骼几乎与现代人类的骨骼难以区分。该物种也是第一个离开非洲，迁徙到东南亚和欧洲的物种。石器技术也得到了重大升级：第一批手斧出现了，大型刀片在两侧经过精心塑造。
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长期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的同时，气候在干湿时期之间迅速交替，因此，为了生存，我们的祖先必须适应快速变化的景观。
证据来自一系列新数据，这些数据告诉我们非洲气候和植被在人类进化的重要时刻是如何以及为何发生变化的。科学家们现在能够从我所站立的沉积层等沉积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期的饮食。那些适应这些变化的生物——那些在饮食和居住地方面表现出灵活性的生物——似乎是繁荣昌盛的生物。这种面对新的环境挑战时表现出的灵活性似乎是人类血统中延续下来的特征。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·波茨将灵活性在我们成为现在的样子的过程中所起的作用称为“变异性选择”。
气候塑造的生命
将气候变化和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扰乱特定地区可获得的食物、住所和其他资源的种类。最喜欢的食物的消失或漫长的雨季被更长的旱季所取代，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具有某些有利性状（例如更大的大脑）基因的生物。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生存下来。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。过去 5.4 亿年地球生命化石记录中发生的“五大”大规模灭绝事件中的每一次都伴随着环境破坏。在这些事件中的每一次，所有物种的 50% 到 90% 都灭绝了，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，新的生物世界由此出现并蓬勃发展。我们哺乳动物要感谢大约 6600 万年前撞击今墨西哥尤卡坦半岛的曼哈顿大小的陨石。它杀死了恐龙（以及许多其他不太有魅力的物种），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，经过更多的分支和大量时间，最终进化成了我们。对于这些人族（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如何塑造进化的观点。“稀树草原假说”就是其中之一。在其最早的形式中，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，更适合迅速扩张的稀树草原，那里的资源竞争更加激烈，他们将我们的猿类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并非一次性转换，而是快速连续的干湿循环，这些循环以明显的步骤朝着更干燥的条件发展。此外，我们并非在一个单一的时刻获得了人类的特征，而是在环境发生变化时在一系列集中的爆发中获得的。
干湿循环
景观变化和进化的爆发的证据不仅来自陆地，也来自海洋。非洲地面沉积物由于侵蚀和其他地质扰动，通常难以分析。然而，在深海中，它们保持未受扰动。通过在非洲海岸附近的 seabed 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，回收保存过去非洲环境完整记录的长沉积岩芯。为了获得这些岩芯，我们需要一艘特殊的船只。这就是为什么在 1987 年秋天，我和一个由 27 名科学家组成的团队在 470 英尺长的钻探船JOIDES Resolution上度过了两个月的时间。
“甲板上的岩芯！”钻井工用他德克萨斯州的口音在公共广播系统中尖叫道。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，来到刺眼的阿拉伯阳光下，将又一段 30 英尺长的深海沉积岩芯抬进室内进行分析。Resolution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域中钻探穿过深海沉积层，岩芯深入海底近半英里。自从大约数百万年前类人猿和人类谱系分化以来，这里的海底在黑暗、宁静的深渊中积累了近 1,000 英尺的深海泥浆，速度约为每 1,000 年一英寸半。
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来自非洲和阿拉伯地区季风吹来的较深、泥泞的尘埃颗粒混合而成。当混合物看起来更暗更粗糙时，它表明更干燥、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。
将剖开的沉积岩芯放在船上宽敞的研究实验室内的桌子上，我们可以看到明暗交替的层大约每三英尺重复一次，这意味着它们大约每 23,000 年变化一次。很明显，非洲的气候历史一直是干湿时期之间持续摇摆的历史。这与向稀树草原的单一、急剧转变截然不同。
这些摇摆反映了已知的非洲和亚洲季风气候对地球轨道摆动的敏感性，这种摆动以 23,000 年的规律周期发生。摆动改变了特定季节照射到我们星球上的阳光量。对于北非和南亚而言，夏季或多或少的热量会增加或减少季风降雨，使这些地区随着我们星球来回摆动而变得更湿润或更干燥。
大约在 10,000 年到 5,000 年前，人类在北非最近的湿润时期绘制的壮丽岩画记录了事物的湿润程度。在撒哈拉沙漠各地发现的艺术品描绘了茂密的景观，其中充满了大象、河马、长颈鹿、鳄鱼和成群结队的猎人追逐瞪羚。撒哈拉沙漠曾经覆盖着草地和树木；现在被沙丘淹没的湖泊盆地曾经注满了水。尼罗河滚滚流入地中海东部，富含黑色有机物的沉积物，称为腐泥层，在地中海海底积累。它们与干燥时期沉积的较白层交替出现，就像从阿拉伯海回收的变化的尘埃层一样，条形码信息讲述了深入过去的非洲气候周期。
露西的末日
叠加在这些轨道干湿循环之上的是走向干燥和开阔草原的更大步骤。小片草原最早在近八百万年前在东非扩张。但是像塞伦盖蒂这样广阔的草原平原只是在三百万年前才永久建立起来。就在这个时候，我们的进化史也受到了震动。
我们失去了露西。她的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。但就在不到三百万年前，露西的同类从化石记录中消失了。
接下来，傍人属群体出现，随后在 260 万年前出现了第一批石制砍砸器和刮削器的迹象，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，追溯了一些在更湿润的环境中繁荣生长的植物和其他在更干燥的时期繁荣生长的植物留下的指纹。
稀树草原是由草和莎草组成的开放热带生态系统，有时点缀着成簇的木本树木。稀树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。这组反应节约碳和水，是对干旱和低二氧化碳环境生活的适应。像树木这样的木本植被在更潮湿的生态系统中找到了家园，因为它使用了另一种称为 C3 的光合途径，这种途径需要更多的水。
犹他大学的瑟尔·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 草具有更高丰度的较重但较稀有的碳 13 同位素。但 C3 灌木和木本植物的碳 13/12 比率较低。科学家们发现，他们可以从特定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区域曾经存在的 C4 草与 C3 木本植物的百分比。
当他们查看来自产生人族化石的地点的东非沉积物时，研究人员了解到，在 800 万年前，东非景观主要以 C3 森林和灌木林地为主。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。草原的扩张伴随着草食性哺乳动物比例的上升，它们的丰富化石表明了这一点。随着时间向前推移，更接近两百万年前，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，就像我们的人族祖先一样。
偶蹄类动物所属的牛科动物，约占所有非洲化石的三分之一。因此，它们提供了比稀有得多的人族更大的数据集。耶鲁大学的古生物学家伊丽莎白·弗尔巴对过去六百万年的非洲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。其中两个最大的事件发生在接近 280 万年前和 180 万年前，与地质学家观察到的草原生长的时期相吻合，尽管现在在乔治·华盛顿大学工作的勒内·博贝和史密森尼学会的安娜·K·贝伦斯迈尔的最新研究表明，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，许多新的草食性牛科动物物种出现，它们的臼齿专门用于咀嚼粗糙的草食性食物。
饮食和景观
正如牛科动物的情况一样，这种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——我们还要吃掉它。古饮食研究被证明对于理解景观变化如何影响人族非常有用。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，科学家最近开始分析我们祖先化石牙齿中的同位素组成。对现代美国人牙齿的碳同位素分析将完全位于量表的 C4 草一侧，因为我们消费的大部分东西——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，大约在两百万年前，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。去年，他们发表了一项引人注目的研究，该研究表明，在我们自己属人属的早期成员和下颌沉重的傍人属群体的成员之间，在略低于两百万年前的标记处，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、主要基于 C4 的饮食。然而，牙齿上的细微划痕表明，它根本不是在敲碎坚果，而是在吃柔软的 C4 草和莎草。
最大的惊喜是人属。这些早期牙齿记录的饮食与景观向更大 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，饮食结构惊人地混合，大约 65-35% 是基于 C3 和 C4 的食物。它表明人属从日益统一的景观中寻找各种食物。早期人属的饮食多样且灵活，并将其基因传递给后续谱系，最终导致了我们。相比之下，傍人属生活在狭窄的 C4 饮食生态位中，最终灭绝。
人们很容易推测，与这群人属一起首次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来制作，并且可以用于多种用途——更适合帮助它们的主人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
这个 C3/C4 故事虽然引人入胜，但仍存在一些漏洞：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，出现了一种非常有前景的技术，用于连续跟踪植被变化。所有陆生植物都具有蜡质叶片涂层，可以保护它们免受伤害和脱水。当植物死亡或被磨损时，蜡质涂层会随着矿物粉尘和其他颗粒一起被风带走。这些涂层由坚韧的小分子组成，这些小分子是称为脂质的长碳基链。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上草与树木和灌木的数量。
现在在南加州大学工作的莎拉·J·费金斯及其同事应用了这项技术来重建人族环境。通过分析来自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标志着轨道周期和季风驱动的短期摆动的尘埃层内发生了变化。草地和林地在这个较短的尺度上前后移动，其中许多摆动几乎与长期转向更开放、草地景观的转变一样大。在坦桑尼亚著名的奥杜威峡谷化石遗址，人族在 190 万年前居住在那里，当时在宾夕法尼亚州立大学工作的科学家克莱顿·R·马吉尔和凯瑟琳·H·弗里曼发现了类似的生物标志物变化。
我们正在接近更清晰地了解人类起源的方式和原因。我们祖先从古代黑暗森林中出现，声称统治草原平原的旧形象已经消失。取而代之的是一系列快速气候周期和两次重大转变的新证据，这些转变建立了我们今天所知的非洲稀树草原。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。