发现南方古猿“小脚”

文 图/谭培阳 杨淼燃 仝广

发掘工作照

2018 年7 月《自然》杂志上刊登了一篇题为《百万年前的“小脚”人破石而出》（"Little Foot"hominin emerges from stone after millions of years）的文章，介绍了南非古人类学家罗纳德·克拉克和其团队经过多年的发掘，发现迄今为止最完整的南方古猿化石“小脚”，揭示了有关早期人类进化的新信息。同年9 月，罗纳德·克拉克夫妇受邀到河北师范大学进行学术访问交流活动，在此期间，罗纳德教授给我们讲述了他在南非斯特克方丹洞穴多年来的发掘研究成果。通过他精彩的讲解，有关“小脚”的发现、发掘与研究的故事逐渐展现在我们面前。

意外的发现

1994 年9 月的一天，50 岁的罗纳德在观察来自斯特克方丹洞穴的动物化石标本时，意外发现了四枚与众不同的化石。通过辨认，他发现这些化石应属于同一个南方古猿的部分脚骨。

到了1997 年，罗纳德在金山大学医学院解剖学系保存的一箱猕猴科化石中，又发现了更多的跖骨和同一个体的胫骨远端碎片。他惊奇地发现，它们和之前发现的几枚脚骨居然能拼合成一只南方古猿的脚骨。

图①②③罗纳德发现的几枚跗骨和跖骨化石

图④⑤罗纳德发现的更多的同一个体的跖骨和胫骨远端碎块

这让罗纳德很激动，他认为这些人科化石肯定不止于此。这些骨骼化石是20 世纪30 年代矿工从角砾岩中炸出来的，直到1980 年才被清理出来，当时只被简单地分为猕猴科等。罗纳德觉得其余的部分可能还留在当年角砾岩被炸开的位置，于是立即决定派两名助手去调查这批化石当年发现的地方—斯特克方丹洞穴。

南非的斯特克方丹洞穴是闻名于世的旧石器时代洞穴遗址以及古人类化石的圣地。该洞穴是石灰岩溶洞，洞穴的地层包括约20 米的沉积物，可分为6 个连续的堆积层位。这些堆积从最早到最晚编号为1—6 层，此前的人科化石层位主要在第4 层发现，大约有650 个人科标本，而罗纳德要找的当年矿工炸出角砾岩的位置则位于第2 层堆积。

斯特克方丹洞穴地层堆积

他叮嘱助手，要仔细观察可能会在角砾岩中露出的骨骼断面，它们可能是刚露出岩石面的胫骨，会很难辨认。两名助手在漆黑的洞穴中一寸寸地寻找，功夫不负有心人，经过一天半的仔细搜索后，他们终于有所发现。但是他们并不能确定，于是立即通知罗纳德前来确认。罗纳德赶到现场，发现这是一段右胫骨的断面和一段左胫骨的断面，嵌在洞穴西端陡峭而古老的角砾岩坡中，他将之前发现的胫骨远端碎片与露出地表的骨骼断面完美拼合到了一起，这意味着它们同属一个个体。他认为整个化石骨架埋在该区域角砾岩中的概率很高，只要沿着这些胫骨往上，就可能找到股骨、盆骨、脊椎骨乃至整具骨架。就这样，一位古人类学家满怀着期望，开始了长达20 年的漫长发掘旅程。

艰难的发掘

罗纳德和两名助手一起参与发掘，发现骨骼化石的地方位于洞穴深处，暗无天日，阴冷潮湿，充满了霉菌，工作环境恶劣。且骨骼化石包裹在坚硬的角砾岩中，这导致发掘工作难以开展。起初他们使用大凿子和大锤子去除大块的燧石、白云岩石块和角砾岩，直到清理到靠近骨骼的位置，才用小锤子加小凿子一点点剥离骨骼上面的角砾岩。在清理的过程中，他们发现这些骨骼表面很脆弱，骨质很软。为了避免对可能遇到的化石造成伤害，在清理靠近化石的角砾岩时，他们不得不使用洁牙机费力地将岩石一点点磨掉，因为使用凿子和锤子会产生振动，导致骨骼破裂。化石发现在一个不规则的陡坡上，他们不得不建造一个木制平台，以便能够有效地工作。同时在发掘区域上方搭建了一个顶棚保护着发掘区，在雨季来临时保证雨水不会掉落到发掘区域。然而，雨水还是会通过周围白云岩渗透到发掘区的角砾岩中，这时候就不得不停止工作，有时停工长达两三个月，直到角砾岩干涸才能继续发掘工作。

洞穴内发现的化石拼对

胫骨及股骨揭露状况

头骨揭露

罗纳德顺着胫骨向上一寸一寸地揭露，随着时间的推移，他们如愿地发现了完整的胫骨、腓骨、股骨等。但股骨中段以后的部分，从角砾岩一直挖到顶部的白云岩也未发现。在这段时间里，罗纳德陷入了绝望，他开始怀疑这里是否有完整的化石存在，或许这个南方古猿在掉入洞穴之前被食肉动物所猎杀，而只有一半身体掉入洞穴里面。

一次偶然的机会，他注意到在木制工作平台下面有一小块空地连接到斜坡，并向南延伸到更广阔的空洞，这块空地上的堆积并非早期形成的洞穴角砾岩，而是后期形成的流石层。他大胆地猜测，骨架其余部分是不是坍塌到了较低的水平面，然后被后期形成的流石层所覆盖？于是他们选择凿开坚硬的流石层，以验证这个大胆的想法。在1998 年9 月11 日，这个团队终于从流石层下的角砾岩中清理出一小块化石，这是一个下颌的上部。进一步的清理最终揭露出了上臼齿，显然这起码是一个保存着部分上颌和部分下颌的颅骨。这个发现让罗纳德欣喜若狂，这意味着他之前的猜测没有错，他在这里发现一具完整南方古猿化石的可能性进一步增加。果然，通过随后的发掘，他们揭露出一颗完整的南方古猿头骨，随后罗纳德向世人公布了这一重大发现，并给该化石一个编号StW 573，因为最初只发现脚骨的一小部分，于是称呼它为“小脚”（Little Foot）。

发掘工作在之后的十余年仍然持续着。在这期间，潮湿的洞穴环境，到处充满的霉菌，以及长期的洞穴工作，导致最初参与发掘的两名助手身体状况欠佳而退出了发掘工作，罗纳德不得不重新找寻了两名新的助手。最终他的团队揭露出了“小脚”的左前臂、位于颅骨下方的右侧肩胛骨、卡在右下颌上的锁骨、在头骨和小腿之间断裂的肋骨和椎骨、股骨上部和压碎的骨盆、以及右手腕骨和手骨等等。但是所有的骨骼都被大块、小块的燧石和白云石所包裹，很多骨骼可能在这些石块里面互相叠压。为了使挖掘工作继续进行，以发现更多的骨骼，他决定把一些骨骼从角砾岩块中切割出来。为了防止骨骼下面还会叠压着其他的骨骼化石，所有切割都是通过洁牙机来进行的。之后的清理过程中，在“小脚”的下方还发现了猴子的化石，“小脚”盆骨下面还发现了一个雄性狒狒的头盖骨。正是因为这种谨慎、细致而耐心的发掘方法，使得发掘工作持续十余年才完成。

2010 年8 月13 日，罗纳德决定将颅骨取出并将其移至实验室，以便在实验室中进行更为细致、安全的清理。将头骨带出洞穴的那一刻，他举着头骨化石兴奋地对着同伴说：“这是‘小脚’三百万年来看到的第一缕阳光，这是个值得纪念的日子。”2010 年11 月，他们取出“小脚”的左前臂，然后陆续取出小腿团块、右臂团块，以及包含肋骨和椎骨的团块。2011 年6 月，随着最后一块包含“小脚”骨盆和上股骨的团块取回实验室，宣告洞穴内的发掘工作彻底结束。

整体骨骼化石分布状况

罗纳德将“小脚”头骨带出洞穴的一刻

精细的清理

室内清理工作一点也不比洞穴里面的发掘轻松，要将如此多的骨骼化石从角砾岩团块中一块一块清理出来，还不能伤害到化石，这需要长期耐心与精准的清理。骨骼的每个单元都是由罗纳德和助手在野外实验室中清理出来的。以前在斯特克方丹洞穴中发现的骨骼化石没有这么脆弱，因为通常角砾岩比较容易且干净地与骨骼分离。而“小脚”化石却不同，它的骨骼表面十分不稳定，部分骨骼跟纸张一样薄，且彼此是纠缠在一块的状态，如头骨上依附着一个非常脆弱的粉状右锁骨，锁骨的内侧末端与肋骨和岩石纠缠在一起。因此，将这些化石分离是一个漫长而危险的过程，所有这些分离工作都是用洁牙机，需要清理者有足够的耐心和高度的认真，清理的同时还需要不断在骨骼表面施加固化剂。在清理较厚的角砾岩沉积物时，因为无法知道它内部可能隐藏着什么，所以在清理之前，要先通过Micro-CT 扫描，例如在头骨下颌骨升支之间填充的角砾岩内就显示有寰椎的存在。而牙齿的牙釉质也与牙本质分开，变得更加难以清理。室内清理工作一直从2010 年持续到了2017 年，终于将化石完整地清理出来。经过拼对，仅尺骨远端的部分、手腕骨和几个手指骨以及右脚骨有所缺失，通过骨骼形态确定这是一具雌性的南方古猿个体。

骨骼初步清理状况和最终清理状况

罗纳德发现，许多骨骼保存状况较差，都有被砸的痕迹，但它们中有些关节是完整的，且处于正确的解剖学位置，例如：左手尺骨连接着手骨；手指骨握紧，且与掌骨相连；肩胛骨和锁骨仍与肱骨头关节连接；桡骨和尺骨与被严重压碎但完整的肱骨相连，且肱骨和保存完好的肩胛骨相连；颅骨和下颌骨处于自然关节位置；右股骨头位于髋骨的髋臼中，骨盆自然附着在腰椎柱上。如果“小脚”是在死亡且躯体腐烂后再掉入到松散的角砾岩中的话，那么它们现在就不会处于正确的解剖关系中，因此，最可能的情况是骨骼在仍然被包裹在组织中时进入洞内，随后在漫长的埋藏过程中受到各种外力的影响。罗纳德认为“小脚”是从地面掉落下来后致死，由于当时干燥的自然条件，她的身体在洞内“木乃伊化”。而环境考古相关的材料也证明当时的南非处于干燥的气候下。

科学的推断

骨骼化石在洞穴中分布的平面图与剖面图

罗纳德认为，这具骨骼化石如此完整，表明这个南方古猿很可能是死于自然陷阱，而不是被食肉动物猎杀的残余物。他认为“小脚”要么意外地从地面通过竖井掉落下来，要么故意进入洞穴，然后无法逃脱出去而死在这里。在骨盆下面发现的一只狒狒头盖骨，为“小脚”的死因提供了另一种有趣的可能性。斯特克方丹洞穴入口周围有许多大树，其中包括一些无花果树，这些无花果和其他水果对灵长类动物特别有吸引力。饥饿的“小脚”可能被这些果树吸引到这里，并与同样来觅食的大型雄性狒狒发生冲突—现代的黑猩猩和狒狒之间就有为食物资源产生冲突的情况。如果它们在洞穴入口周围的树上发生冲突，那么可以想象它们很可能在此过程中掉入洞穴中。

在此之前，斯特克方丹洞穴堆积的年代主要通过每一层出土的动物化石与东非出土的动物化石群比较，然后进行大致估算。到目前为止，只有4—6 层提供了足够数量的化石。通过动物群的对比，第4 层的堆积年代在距今280 万—230 万年之间，第5 层形成于距今200 万—140万年之间，第6 层堆积的年代更晚，在距今20万年以后。第2 层的动物群很稀少，但发现了一些猫科化石，它们表明第2 层堆积的年代在350 万年或更早，部分学者们认为300 万年左右可能为最适合的年代。而早期年代测定尝试是基于流石层的古地磁和铀铅定年，这些努力为流石层的形成提供了年代，但是流石层形成之前的年代并不确定。在发掘过程中的观察表明，这些岩溶洞穴系统中化石的埋藏历史可能非常复杂。了解沉积环境，包括在裂缝和空洞内形成的流石，对于“小脚”以及整个斯特克方丹洞穴的年代测定尤为重要。最新基于角砾岩的宇宙射线等时线测年显示，其年代约为367 万年，但在学术界这一结果仍然有一定争议。由于埋藏环境的限制，这些南非洞穴遗址的年代一直是一个具有争议的话题。

通过骨骼形态对比，罗纳德认为“小脚”应该归属于南方古猿的一个种—普罗米修斯种，这个种最早发现在距离斯特克方丹洞穴不远的马卡潘斯盖（Makapansgat）洞穴中。因为与人科化石同时发现的还有一些黑色的骨骼化石，这些黑色的化石似乎被火烧过，所以当时的研究者认为生活在这里的人科成员具有用火能力，因此将其命名为“普罗米修斯种”。然而后来的发现证明这些黑色的骨骼化石是由于锰元素侵蚀形成的。南方古猿普罗米修斯种骨骼形态整体比南方古猿阿法种以及非洲种要大很多，具有明显的性别差异性。

左为南方古猿雄性非洲种，右为雌性普罗米修斯种

不朽的发现

在“小脚”发现之前，世界上还没有发现过如此完整的南方古猿化石，之前较为完整的南方古猿阿法种的“露西”也仅有40%的完整度，所以无从得知南方古猿的身体比例。许多研究者认为从南方古猿进化到直立人阶段，是从适宜树上生存的长臂开始逐步进化到短臂，因此南方古猿的上肢要长于下肢，有着类似于猩猩或猴子的身体比例。但是通过对“小脚”骨骼形态的观察，罗纳德发现，它的上肢明显短于下肢，有着类似现代人的身体比例，明显已经适应地面直立行走。所以他认为人们之前对于人类进化的假想是错误的，对南方古猿以及能人的形象刻划更是有待商榷。

正是由于一位经验丰富的古人类学家敏锐的直觉，才让这具化石得以在尘封的洞穴中被发现，也是由于罗纳德·克拉克先生20 多年的坚持不懈，精细耐心的发掘，才让“小脚”能够在300 多万年后重见天日。“小脚”是迄今为止发现的最为完整的南方古猿化石，是研究南方古猿的整体骨骼形态变化、早期人类演化的重要标本，它的完整性可以与之前许多遗址发现的残缺不全的单个南方古猿骨骼化石进行形态对比研究，同时也完善了古人类进化序列上重要的一环，为人类演化的研究提供了重要信息。老先生对学术研究认真与执着的精神更加值得我们这些年轻的后辈们学习。