从奇和洞人颅面复原看我们的祖先长什么样

吴秀杰 税午阳

我们的祖先长什么样？印象中的形象似乎是这样：个子不高，面貌像黑猩猩（如脸黑、颌凸、前额低矮、眉脊粗壮），跑的比较快，手中拿着一块石头正投向前方的野兽！

其实，古人类并不都长这个样！距今10万年左右的早期现代人，其体质特征已经同我们接近，有些古人类长得还比较帅气，身高和脑量甚至超过了我们！

古人类的面貌什么样？古人类的遗骸形成化石后，因面部软组织已不存在，只能根据保存下来的头骨化石，参考现代人的颅面特征与软组织厚度进行推测，这项技术被称作“颅骨面貌复原”，简称“颅面复原”。

颅面貌复原最早始于对音乐家巴赫颅骨的鉴定。1895，解剖学家海思等人根据现生人头面部特征点处的软组织厚度，采用手工雕塑技艺在疑似巴赫的颅骨上用可塑物质(橡皮泥、粘土等) 生成了一个与巴赫生前肖像非常相似的三维塑像。此后，颅面复原技术被应用到历史名人、刑侦及古人类生前容貌的恢复上。

相比现代人，古人类的颅面复原难度更大些。古人类的体质形态与现生人类差别较大，特别是古老型人类，以现生人类为模板复原出来的古人类的容貌易受人为因素的影响，难以对其正确性进行判断。例如，周口店北京猿人头像的复原，历史上先后出现了3种面貌形态相差较大的复原头像：王存义复原的中国人类型头像、魏敦瑞复原的美国人类型头像、前苏联格拉西莫夫复原的俄国人类型头像。

由于手工颅面复原结果易受主观因素影响，古人类学家们在极力寻找相对客观的面貌复原技术。近年来，随着CT、MRI等医学影像技术的发展，计算机辅助3D虚拟颅骨面貌复原技术得到了应用。1996年起，在北京师范大学周明全教授的带领下，开发了基于颅骨的计算机虚拟面貌复原软件，将其应用到刑侦中的尸源鉴定上。2016年，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所与北京师范大学合作，组建了“古人类颅面复原创新交叉团队”，通过对古人类头骨与现代人头骨形态特征的对比和分析，找出二者在头骨上的主要差异点、差异程度及变异范围，设计出适合古人类头骨面貌复原的计算机三维虚拟软件。目前，该软件已经成功地复原出“奇和洞人”的三维面貌形态，该文章发表在2018年第8期《科学通报》上。

周口店北京猿人三种不同类型的复原头像左侧：中国人类型；中间：美国人类型；右侧：俄国人类型

奇和洞人头骨（左侧）和下颌骨（右侧）

奇和洞人颅面复原步骤（a）:奇和洞颅骨外表面三维模型；（b）：奇和洞颅骨和现生人颅骨三维模型的非刚性配准；（c）:奇和洞头骨和面貌初步复原模型在同一坐标系中显示;(d)：奇和洞头骨三维面貌交互复原结果

奇和洞人头骨化石2011年发现于福建省漳平市象湖镇灶头村的一个喀斯特溶洞——奇和洞。碳十四测年结果显示奇和洞人的生存年代为距今9500年左右，为新石器时代早期。研究显示，奇和洞人为35岁左右的男性个体，脑量为1650毫升，颅骨较大。头骨的形态兼有南、北方居民及更新世晚期人类的混合特点，包括颅骨较长、面部高而狭窄、眼眶低矮、鼻骨宽阔。

奇和洞人面貌复原结果

根据奇和洞人不同于近代人的形态特点，根据原有应用于近代人的计算机颅面复原软件的基础上，课题组提出了一种基于最小二乘回归和面貌统计形状模型约束的颅面交互复原方法，将现生人的颅面形态关系用于奇和洞头骨的三维面貌复原。1）首先，利用工业CT设备完成奇和洞头骨的三维建模，采用射线与三维模型求交算法计算奇和洞头骨的外表面点云将其变换至法兰克福坐标系下，完成奇和洞头骨数据的处理；2）其次，针对现生人男性的颅骨和面貌三维模型，依据标定特征点采用非刚性配准方法建立颅骨和面貌规格化稠密点云；在此基础上，采用主成分分析方法实现颅骨和面貌三维模型的表示；针对现生人每个颅骨和对应面貌的主成分系数，采用最小二乘回归方法实现颅面形态关系的定量表示；3）第三步，针对奇和洞头骨的外表面模型，采用非刚性配准和最小二乘方法计算其主成分系数，并利用该系数及现生人的颅面形态关系实现奇和洞头骨三维面貌的初步复原；4）第四步，针对现生人面貌的主成分，分析主成分（PC）与面貌几何形状的关系，从而通过交互地调整主成分系数，实现复原面貌的交互编辑，最大程度再现奇和洞人生前的容貌；5）最后，利用手工绘图方法对面貌复原结果进行添加五官、皱纹和头发等真实感处理, 实现奇和洞人面貌的虚拟复原，生动形象地再现新石器早期人类的脑颅及面部的形态特征。

从面貌复原结果可以看出，复原面貌在前后方向偏长、面部颧骨区域大而突出、上面部扁平、脸颊瘦而窄、鼻宽阔、头部长而大，与奇和洞头骨的形状基本一致。奇和洞人可进行面貌复原的只有1例男性个体，其体质特征虽然未必具有群体的代表性，但却可以显示出新旧石器过渡阶段人类的面貌特点。

古人类头骨的大小、粗壮度、凸凹曲度等同现代人有差别，不能完全按照现生人类的颅骨与其外表软组织之间的形态关系进行面貌复原，需要根据其演化地位及其独特的颅骨解剖特征，有针对性地设计面貌复原方案。此外，古人类化石一般都不完整，在进行CT扫描前需要对其缺失的地方进行拼接和修补。

利用计算机三维虚拟世界重现几万年、几十万前古人类的面貌，可以生动形象地展示人类进化过程中体质特征的演化过程，对于博物馆展示、普及科普教育、激发人们热爱自然历史、满足人类的好奇心等具有一定的科学意义。奇和洞人的颅面复原只是古人类面貌复原工作的开始，未来更多的古人类生前形象将会展示在大众面前。