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      柳江人定年,東亞現代人起源更進一步
      發布時間:2024-06-27
      出品:科普中國
      作者:牛長泰(中國科學院南京地質古生物研究所博士)
      監制:中國科普博覽

      編者按:為拓展認知邊界,科普中國前沿科技項目推出“未知之境”系列文章,縱覽深空、深地、深海等領域突破極限的探索成果。讓我們一起走進科學發現之旅,認識令人驚嘆的世界。

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      我們是誰?我們來自哪里?我們將走向何方?這是所有人類一直面對的三個問題。

      今天的地球上,不同的地區生活著不同的人種,長相與文化存在顯著差異。雖然生物學上已經證實,目前地球上所有的人類都屬于同一個物種—智人(或者現代人,Homo sapines),但不同地區不同人種現代人的起源與形成過程仍不明晰,是當今生命科學研究的前沿領域。

      古人類化石是研究不同地區現代人起源重要的材料。我們不僅可以根據古人類化石恢復古人類的體態特征和長相,也可以提取古人類化石中的古DNA,一探他們與當今現代人的親緣關系。

      我國產出的古人類化石眾多,從距今約170萬年前的云南元謀人,到距今約4萬年前的北京田園洞人和山頂洞人,包含直立人、“古老型智人”和現代人等多個階段。

      其中,與今天人類關系最密切的便是我們這個物種——現代人的化石了。我國最早的現代人化石記錄,可以追溯到12萬-7萬年前發掘自我國湖南、湖北和廣西的古人類化石。而在7萬年之后,直到約4萬年前,這3萬年里我國一直未產出年代確切的現代人化石。

      在我國所有產出的現代人化石中,廣西柳江通天巖洞發現的柳江人是東亞和東南亞發現的最為完整的化石人類骨架之一,這為我們了解該地區現代人的起源和演化提供了寶貴的化石材料。

      但長期以來,柳江人化石的年齡一直存在爭議,早期的研究認為柳江人的生活時代至少為6.7萬年前,甚至可能早至13.9萬-11.1萬年前或者15萬年前,這些年齡要遠早于4萬年后東亞廣泛出現的現代人化石的年齡,也有可能會填補7萬-4萬年我國現代人化石發現的空白。所以說,確定柳江人的生活時代,對于我們正確認識東亞地區現代人的起源與遷徙擴散模式有著重要意義。

      2024年4月29日,中國科學院古脊椎動物與古人類研究所、南京師范大學和中國科學院地質與地球物理研究所組成的研究團隊,與柳州白蓮洞洞穴科學博物館以及澳大利亞人類演化研究中心的研究人員合作,在《自然》雜志子刊《自然通訊》上發表了柳江人地層與年代學新的綜合研究成果。

      該研究確定了柳江人的生活時代為距今3.3萬-2.3萬年,這為我們理解柳江人在東亞乃至全球現代人演化序列中的位置打下堅實基礎,并為探討現代人在歐亞大陸上的遷徙擴散模式提供了關鍵數據。


      東亞現代人起源之謎

      智人,或者現代人,即我們這個物種,在東亞地區是如何出現的?這是近百年來我國古人類學家和考古學家一直都在不斷探索的問題。東亞地區從直立人到現代人,擁有連續的化石記錄,同時在古人類使用的石器技術面貌上也具有很好的連續性,所以最開始一些學者認為,東亞的現代人是從本土生活的更早的古人類演化而來的。

      21世紀之后,隨著基因測序技術和古DNA提取技術的進步,分子人類學研究發現,今天非洲以外的現代人,其祖先主體來自6萬-5萬年之間走出非洲的現代人,他們經由非洲東北部到達中東地區,之后向歐亞大陸西側和東側擴散,并通過白令海峽到達美洲大陸,通過東南亞到達澳洲,完成了現代人全球擴散的壯舉。

      同時,他們也與當地的一些古老型人類比如尼安德特人、丹尼索瓦人以及其他一些未知的古人類發生基因交流,使得今天非洲以外的現代人的基因組中,也留下了這些古老型人類的遺傳印記。

      古人類學研究發現,解剖學意義上的現代人早在約30萬年前便已出現在非洲北部,同時中東地區、歐洲、東南亞和東亞均發現了早于6萬年前的現代人化石。

      這意味著,早在今天非洲以外的現代人祖先走出非洲之前,可能已經有一些現代人走出非洲到達歐亞大陸并進行了一定的擴散,但這些現代人與今天現代人之間的關系仍然不明,他們很可能并不是今天現代人的直接祖先,未能在歐亞大陸成功留下后代。

      不過,在東亞地區,由于石器技術上的連續性,我們無法排除另外一種可能,即東亞地區4萬年后的現代人,是從更古老的12萬-7萬年前的現代人演化而來的。

      在7萬-4萬年之間,雖然古人類考古記錄上,沒有發生缺失和明顯的石器技術轉變現象,但是在現代人化石記錄上,東亞地區出現了一定的空白。

      柳江人,一個可以明顯歸入現代人序列的較為完整的古人類骨架化石,在過去的研究中有著不低于6.7萬年的年齡,這一年齡使得其極為重要,但這也是人們正確認識柳江人演化地位的一個弱點。

      全球現代人化石分布圖,全球深海氧同位素階段對應年齡:MIS7(24.4萬-19萬年),MIS6-5(19萬-7.1萬年),MIS4(7.1萬-6萬年),MIS3-2(6萬-1.1萬年)

      (圖片來源:參考文獻3)


      重要的柳江人

      柳江人化石于1958年9月由當地的磷肥挖掘工人發現于廣西柳江的通天巖洞中,當中國科學院古脊椎所的科學家趕到時,柳江人化石已經被開采出來,洞內的沉積物也已被基本破壞,人們無法得知柳江人產出的確切層位,從而難以根據層位確定其產出年齡。

      一些學者對洞內殘余的沉積物進行了測年,推斷柳江人的生活時代為至少6.7萬年前,甚至可以早至15萬年前,但這些研究的層位,并不一定是柳江人產出的真實層位,所以在長達60多年中,柳江人的年齡一直都是一個謎。

      有別于年代學研究,柳江人體質人類學方面的研究倒是非常充足。柳江人的化石由一件基本完整的顱骨和胸椎、腰椎、肋骨、骶骨、盆骨、股骨等17件顱后骨骼組成。

      通過化石測量與鑒定發現,柳江人化石屬于一名約40歲的男性,其身高約1.6米,體重約52公斤,其擁有一系列現代人的形態特征,包括頭骨整體形態較圓、腦容量相對較大(1567ml)、面部尺寸小且更為扁平、牙齒表面的咬合面形態簡單、整體體型纖細等等,所以在分類上,柳江人毫無疑問地與我們同屬于一個物種—現代人。

      柳江人還展現出了一些較為原始的特征,包括面部低矮、眼眶低矮、眉弓突出等等,這些特征在約4萬年前甚至更早的早期現代人中較為常見。

      所以說,柳江人同時擁有“進步的”現代人特征和“原始的”早期現代人特征,其獨特的形態組合使其在東亞現代人的研究中非常重要,但只有我們知道柳江人真正的生活時代,我們才能夠將他置于東亞乃至全球現代人演化序列中的正確位置。

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      柳江人骨架(左圖)、柳江人產出的洞穴(右上圖)以及研究人員采集洞穴內的沉積物樣品(右下圖)

      (圖片來源:參考文獻1)


      系統的定年工作

      確定柳江人化石發現的層位,并對相應層位直接進行定年,是該研究工作的重點。研究人員在柳江人左側股骨和顱骨鼻腔中,發現了同樣顏色和質地的紅棕色黏土質沉積物,這些沉積物很可能代表了埋藏柳江人的沉積物組成。只要將這些沉積物與通天巖洞中不同層位的沉積物進行粒度、顏色、元素組成的逐層對比,我們就能找到柳江人產出的原始層位。

      最終,研究人員發現,通天巖洞內第三沉積單元的第2沉積物的各個特征與柳江人化石中殘存的沉積物是相同的,柳江人很可能產自該層位。

      隨后,研究人員對通天巖洞內沉積物進行了逐層的系統性的年代測定,確定了第三沉積單元第2層的沉積年齡為距今3.25萬-2.26萬年。但我們怎么確保柳江人不是從外界搬運到洞穴中的呢?也就是說會不會出現柳江人在早于沉積物形成的年代就已經形成化石了,只是后來被搬運到洞中,與該層沉積物共同保存呢?研究人員從兩方面來論述了這個問題。

      一是埋藏學研究。研究人員發現,該層的沉積物的顆粒很細,反映的是搬運動力非常弱的沉積環境,同時柳江人的骨架相比于絕大多數古人類化石都非常完整,除了保存完整程度高以外,胸椎和腰椎、腰椎和骶椎在化石被發現時仍然是關聯在一起的,這說明柳江人不太可能是之前形成的古人類化石被水流搬運至此,而是在死亡之后尸體尚未分解時便于原地埋藏。

      二是對于柳江人化石本身的直接測年。在第四紀古生物學、古人類學和考古工作中,碳十四測年往往被用于直接測定有機質的年齡。研究人員也曾對柳江人進行碳十四測年,但由于化石中保存的有機質過少,所以測年結果并不理想。

      這次研究人員對柳江人化石進行了鈾系法測年,而鈾系測年法并不依賴于有機質的保存,只與化石的形成過程有關?;谛纬蛇^程中,骨骼中結晶的碳酸鈣會從周圍的孔隙水中吸收具有放射性的鈾238,鈾238會發生衰變,產生穩定的鉈230和鈾234,我們可以根據衰變產生的穩定元素與剩余尚未衰變的鈾238的比值,算出這些化石形成時的最小年齡。研究人員對柳江人的左側股骨進行了鈾系測年,發現其埋藏年齡至少為約2.4萬年前,這個年齡與推測的柳江人產出層位的沉積年齡,即3.25萬-2.26萬年非常一致。

      最終,研究人員根據柳江人化石本身的鈾系測年年齡和推測的產出層位的沉積年齡,判斷柳江人化石的年齡在距今約3.3萬-2.3萬年之間。


      柳江人新年齡的意義

      柳江人化石距今3.3萬-2.3萬年的年齡表明,他們與北京的山頂洞人和田園洞人等4萬年前東亞地區的古人類化石一樣,是6萬年前之后在歐亞大陸擴散并在4萬-3萬年之間生活于東亞的現代人,而非早于6萬年前走出非洲并到達東亞的現代人代表。

      實際上,柳江人的頭骨形態相比于山頂洞人更接近今天的現代人,他們的生活時代也比山頂洞人(距今3.9萬-3.6萬年)更年輕一些,這可能反映了早期現代人向當今現代人存在的一個形態上的演化。

      同時,柳江人的頭骨形態與歐洲同時期約2.8萬年前的克羅馬農人頭骨很相似,但分子人類學研究表明,在歐亞大陸東西兩側的現代人應該在5萬-4萬年前就已經發生了分異。

      那么,這種頭骨形態上的相似性意味著,歐亞大陸東西方現代人人種分異的初期,兩者之間可能并不存在明顯的形態差異,這可能與現代人在歐亞大陸的快速擴散有關。

      今天歐亞大陸西方人群和東方人群之間面貌等身體特征存在明顯差異,可能是在距今約3萬年之后不同人群各自演化的結果,包括末次冰盛期(距今2.65萬-1.9萬年)時嚴酷的環境會造成不同地區現代人的自然選擇、遺傳漂變、引起的人群遷徙與擴張事件,以及新石器時代農業革命和歷史時期人群的演變也會造成一定影響。

      法國克羅碼農1號頭骨。

      (圖片來源:Thilo Parg / Wikimedia Commons)

      同時,柳江人化石3.3萬-2.3萬年的年齡,正好處于當時全球氣候向干冷轉變的時期。我國南方此時的石器面貌在整體上仍然延續了之前以礫石工具為主,但另一方面小型石片以及其他小型石器比如燧石質的刮削器、箭頭也開始大量出現,與之伴隨的還有骨器使用開始更加普遍。

      這種石器技術和工具的轉變反映了當地人類在面對環境變化時行為與文化上的適應,但也有可能與“像柳江人這樣”的現代人遷徙引入新文化和技術有關。

      廣西白蓮洞遺址產出的一些“先進”工具。1,7:圓環狀石器;2,3:被拋光的石器;4,5:鹿角制作的工具;6:穿孔石環;8:殘留有赭石痕跡的磨石

      (圖片來源:參考文獻4)


      未來的展望

      近十年來,隨著分子人類學成為歐亞大陸西部現代人化石研究的重要手段,現代人群在該地區的變遷已經開始變得逐漸明朗,但這也依托于該地區的現代人化石擁有良好的年代學研究基礎。

      而在歐亞大陸東部,研究情況則要弱一些。據統計,東亞大陸已經發現了50多個現代人的化石產地,可是很多化石的來源與年代不明,這嚴重削弱了這些化石的研究價值。

      只有對這些化石建立準確的年代框架,再結合對這些現代人化石的體質人類學和分子人類學研究,我們才能了解現代人在東亞的起源和擴散模式,而柳江人的年代學研究無疑為未來的年代學研究提供了一個優秀的范本。

      期待未來中華大地上能有更多的現代人化石獲得它們的年齡,為我們講述祖先們幾萬年來在這片土地上的故事。


      參考文獻:

      1.中國科學院古脊椎動物與古人類研究所.柳江人地層與年代學綜合研究新進展

      2.Ge, J., Xing, S., Grün, R. et al. New Late Pleistocene age for the Homo sapiens skeleton from Liujiang southern China. Nat Commun 15, 3611 (2024). 

      1. 邢松.現代人出現和演化的化石證據[J].人類學學報,2022,41(06):1069-1082.
      2. Zhou Y, Jiang Y, Liang G, et al. A technological perspective on the lithic industry of the Bailiandong Cave (36–7 ka) in Guangxi: An effort to redefine the cobble-tool industry in South China[J]. Comptes Rendus Palevol, 2019, 18(8): 1095-1121.

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