吴秀杰:通过对脑演化的研究来了解我们的祖先

来源:周口店北京人遗址管理处 日期:2018-08-29 14:21

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吴秀杰

  吴秀杰,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员,从事古人类形态和脑演化研究。围绕中国古人类的起源与演化,她开展了长期野外调查和研究,在道县和东至发现重要古人类化石,证实东亚最早现代人8—12万年前在华南出现。对许昌人等化石的研究发现早期现代人出现过程中的演化多样性并与欧洲尼安德特人发生过基因交流,提出存在未知的古老隔离人群。这些研究证实中国古人类演化的连续性及与其他地区古人类之间的联系,否认来自非洲的早期现代人6万年前进入中国的观点,在一定程度上支持了中国古人类“连续进化附带杂交”的学说。在古人类健康与生存适应方面,她发现中更新世晚期人类受到暴力损伤后长时间存活的证据,报道了东亚地区古人类最早的龋齿病例及更新世古人类罕见的先天遗传病例,为探究更新世古人类灭绝或被替代的原因提供了新证据。发表包括Science,Nature,PNAS等学术论著90余篇。

  吴秀杰:通过对脑演化的研究来了解我们的祖先

  我的研究方向是古人类脑演化

  我本科就读于北京师范大学生物系,毕业以后被分配到吉林师范大学生物系(四平师范学院)从事教学工作,讲解人体解剖学和生理学,同时也从事动物脑神经解剖和生理的研究。2000年,我考取了中科院古脊椎所的研究生,在标本馆整理模型的过程中,发现了一些前人留下的古人类的脑模型 (颅内模),当时我对这些颅内模很感兴趣,激发了我探讨人类演化过程中脑形态特征变化的好奇心。脑演化研究的直接证据是颅内模。什么是颅内模呢?具体说就是从颅骨内表面得到的脑的外部形态,颅内模并不代表原始的脑的解剖结构,但因其保存有脑表面形态特征的信息,故而成为分析和探讨人类脑进化的重要研究材料。我的硕士论文题目是《中国古人类脑演化的研究》,侧重点是周口店直立人(又称北京猿人)脑演化的研究,就是通过周口店脑化石的形态特征的研究,由周口店遗址的头骨化石可以复原出比较完整的颅内模,来分析一下它们在演化过程中的变化。我第一次到周口店遗址的时候是2001年,当时主要是了解一下周口店的背景,加深一下印象,感受北京猿人生存的地方。通过对北京猿人颅内模的研究,了解直立人阶段脑的形态特征的特点,通过对脑形态特征的研究分析,确定在进化过程中各个脑叶都有什么变化以及具体的演化过程。有关周口店直立人的脑的演化的过程,我发表了一些文章,其中一篇文章—《周口店直立人5号颅内模研究》,发表在英国的皇家学会会刊Proceedings of the Royal Society B。此外,我们又对周口店六个颅内模进行了综合的分析,相关文章发表在美国的Quaternary International(《第四纪研究》)上。我们又在Chinese Science Bulletin(《科学通报》)等一些杂志上,相继也发表了一些颅内模方面的文章,其中一篇文章对周口店直立人大脑的功能进行了分析,发现北京猿人的大脑具有左右不对称性,说明在50万年前的直立人阶段,人类大脑已经存有一侧优势的现象。相比其他5件周口店直立人颅内模,5号直立人的脑量相对较大,形态上也表现出进步的特征。我们通过分析发现,周口店直立人的语言区比较发达,说明当时他们已经有了语言的能力,但是还不会说话。

  通过这些研究,我们可以推测周口店直立人脑的发育水平。研究表明他们的脑的发育水平已经相当高了,这样对他们制作石器及其他行为方式提供了解剖结构上的基础。我的博士导师是吴新智院士和刘武研究员,此外也得到了国外的一些专家的指导,比方说像美国Florida大学的谢盼慈(Schepartz)教授。对颅内模最早进行研究的是德国的解剖学家魏敦瑞,他对周口店3号颅内模进行了描述。当时在我国还没有人对古人类的脑进行过研究。1943年,魏敦瑞出了一本书,对周口店发现的人类化石进行了详细的描述。当时有个著名的解剖学家德日进,他复原过周口店的一些颅内模,由于受技术和研究方法的限制,只是用手工的方法复原了颅内模。2000年以后,先进的CT及三维激光扫描技术的出现,我们才可以采用新的方法和手段,在不破坏化石标本的情况下,3D虚拟复原出颅内模,从而对其进行更细致的研究。

  丢失的北京猿人头盖骨当时制作了非常好的模型,保留了原始化石标本的外表特征。另外,老先生们在20世纪40年代手工复原的颅内模标本,给后人留下了珍贵的研究材料。很感谢前人留下的珍贵标本和模型,在他们研究的基础上进行更深一步的数据挖掘。头盖骨模型和真实的古人类头盖骨化石,二者还是有很大区别的。不同于化石材料本身,模型只是头骨表面的一个特征,但骨壁内部的解剖特征,它就没有了。另外,我们采取高分辨率的CT技术,这个技术应用到模型表面的特征还是可以的,像我研究的颅内模,因为颅内模本身就是个模型,所以对我来说没有什么影响。

  另外,老先生们制作的周口店直立人模型是用石膏做原料的,收缩性很小,保存得也非常好,好多细致的特征都保存下来了。开展颅内模的研究,具体来说是我自己提出来的。来古脊椎所之前,我在大学当老师,从事过动物神经生理学的研究,具体就是对老鼠的脑进行研究。来到所里以后,我在标本馆实习的时候,就发现了好多颅内模标本,经过查找资料我发现,这些重要的颅内模标本就是人脑的模型,这还是我第一次接触到古人类的脑模型。在整理这些脑模型的过程中,发现了当时复原的周口店5件颅内模标本,就是之前提到的老先生制作的,非常好的模型。大脑表面的信息,包括脑的各部门的枕叶、额叶、顶叶,脑膜中动脉,还有静脉系统,都非常清楚,当时我非常感兴趣。当时我在读硕士研究生时,我的指导老师是刘武研究员,我提出想从事脑演化方面的研究。刘老师觉得难度挺大,说这个在我们国内还没有人研究过,如果你想试试,你就可以试试,鼓励学生有创新。刘武老师帮我联系了国外的一些从事脑演化研究的学者,提供一些参考资料给我。后来我就给一些国外从事这方面研究的学者写信,进行互动,他们都比较鼓励我。

  在我进入古脊椎所学习的过程中,对我影响最大的就是张银运老师,他现在已经退休了,我好多论文的思路都是他给我的。他也是从事周口店研究的早期学者之一,参加过周口店直立人5号头骨的挖掘工作。张银运老师每星期都会来所里,指导研究生做论文,比方说像你在论文上遇到什么问题,主要的思路啊,他都会给你细致的指导,对年轻人非常关心,也给了我很多帮助。我觉得老先生们都非常值得我们钦佩,他们都特别勤恳,工作热情高,令我们非常感动。现在的年轻人估计很难做到这一点了。裴文中老师主要从事石器的研究,他对周口店遗址的地层、石器的描述非常好,非常详细。所以我们在写文章的时候,对于其中周口店遗址背景的介绍就起到了很大的作用。

  颅内模相关成果对研究北京猿人的重要性

  我是从几个方面来研究颅内模的。其中,最重要的一个方面是颅容量(脑量)的研究,周口店直立人的颅容量在900—1100毫升之间,在人类进化过程中处于直立人的演化的一个中间的位置,比现代人的脑量平均要小一些。第二个方面是研究脑表面形态特征的变化,我们在研究过程中主要分析额叶、顶叶、枕叶的形态特征及其相对比例关系的变化。周口店直立人的额叶,就是大脑的前面的视觉区,比较扁平。其顶叶相对稍微长一些。周口店直立人脑的形态特征和现代人不同,现代人的顶叶呈圆隆状,而周口店直立人的顶叶侧扁,没有凸起来。周口店直立人的枕叶比较后凸,这是为什么?就说明他的视觉比较发达。一般的枕叶后凸,视觉都是非常发达的,像灵长类一样。我们现代人一般枕叶后凸度又减小了。我们通过对脑的研究,一个是分析一下在直立人阶段,脑的一个形态特征是什么?另一个就是对比一下在人类的进化过程中,随着智力的提高,脑的形态特征发生了怎样的变化。周口店的标本,因为被发现的个体数比较多,颅内模的复原也比较完整,已经成为世界上各国古人类学家研究脑进化的一个最重要的对比研究材料。

  以往学者主要是侧重于对头骨外表形态特征的研究,虽然也有人对颅内模进行过关注,但主要是描述一下它的大体形态结构,比如额叶的语言区是否发达?脑量大概是多少?颅内模是脑表面的一个结构,和头骨复杂的特征相比,其包含的信息确实较少。古人类化石比较罕见,所以我们在对化石进行研究时,需要收集各方面的信息,需要对比大量的国外发现的化石标本,从整个人类进化这个角度来进行研究的。比方尼安德特人、欧洲或者非洲的一些标本。为了对比周口店这些颅内模,我去了南非、肯尼亚、西班牙、美国等一些国家收集对比数据,如美国自然历史博物馆,金山大学等等,观察对比保存在那里的古人类标本和模型。迄今为止,在非洲、中国、印度尼西亚及欧洲地区都发现了直立人标本,世界各地直立人的颅内模,其形态特征都有很多相似之处,但是也有不同的地方,显示出地区之间的差异。古人类学科是世界性的,需要对比全世界范围内的化石标本。我们在进行研究的时候,需要对比国外的一些标本,同时国外的古人类学者进行研究的时候,也要对比我们国家的标本,增进国际合作在古人类领域显得尤其重要。

  很多人对颅内模方面的知识还不是很了解,在进行古人类讲座的时候,需要增加脑演化的相关内容,如人类进化过程中脑量是怎么变化的:南方古猿的脑量约400毫升左右,演化到能人后脑量达到700多毫升,到直立人阶段脑量增加到1000毫升左右,到早期智人阶段脑量上升到1200毫升,现代人的脑量平均1400毫升左右。另外,我还会介绍一下脑的形状的变化。形状在人类进化过程中,脑的形状变短变高,凸度增高,脑的沟回增多,所以脑细胞也相应增多了,人类的智慧是不断地增加的。

  在周口店的颅内模研究过程中,最难忘的就是要自己手工复原颅内模。记得2006年进行和县直立人颅内模的研究过程中,文章投稿以后,编辑提出增加30例现代人颅内模的对比标本。但是标本馆没有,所以我就跟负责模型制作的赵忠义老师学习怎么制作颅内模。我自己摸索着复原了32个现代的颅内模。当时复原的时候,因为水平不高,所以弄得满身都是胶和石膏,印象非常深刻。

  当时我复原现代人颅内模的时候,选择的是我们标本馆保存的华北人头骨,头骨是切开的,对初学者来讲相对容易些。制作的时候,先往头骨内侧面抹胶,先抹三层胶,再贴上一层纱布,增加强度。复原以后的颅内模,可以看出前囟点和人字点。前囟点前面是冠状缝,之后是矢状缝、人字缝,都能看得很清楚。在颅内模上我们可以看见脑膜中动脉—供给脑营养的一个血管系统,还有它的静脉系统。脑量的计算方法有多种:一种是颅内模排水法;第二种是利用3D激光扫描的方法,扫描颅内模,再用3D复原软件直接计算出脑量;第三种方法是公式法,通过对颅内模的测量,获取脑长、脑宽、脑高,还有额叶的高、枕叶的高、小脑的测量数据,利用公式计算出脑量。通过对脑量大小、脑形态特征的变化,对比世界各地不同演化阶段颅内模的变异情况,分析人类进化过程中脑的演化过程。此外,我们还要对比各脑叶在进化过程中有什么变化?比如说像额叶是不是发生了变化?顶叶还有枕叶发生哪些变化?我们还用几何形态分析的方法,来分析一下它形状的变化过程。另外,在研究过程中,我们还看一下它表面上的沟回的变化。比方说语言区,现代人的比较发达,但是特别早的人类,例如南方古猿就不是很发达,没有语言的能力。语言的能力是从能人开始的。整个就是从几个部分来看,其实研究的内容还是比较丰富的。

  北京猿人的脑比较扁,脑高较现代人低,其形态特征同现代人有很大不同。额叶下面是语言功能区,北京人的语言区—额沟回发达,可能已经具备了语言的能力。我们可以对比一下,南方古猿的颅内膜,脑量非常小,只有400毫升左右。周口店3号的颅内模与之相比,脑量已经增加了。从脑的形态特征来看,周口店直立人的脑比现代人扁。现代人两侧的顶叶已经凸起来了,而周口店直立人还没有完全凸起来。现代人脑量最低值1000毫升左右,脑量大于1000毫升,基本上智力就不会出现太大的问题的,周口店直立人已的脑量达到了现代人脑量变化范围的最低值。周口店直立人的脑膜中动脉和现代人是有区别的,现代人的脑膜中动脉的前支是比较发达的,后支的分支比较少,也就是说,血液前面供应是比较多的。而周口店直立人是后支比较发达,而前支的分支比较少,所以血量的供应是后面比较多,所以他的视觉器官比较发达。到了晚上,周口店直立人的视力要比现代人好,看得更远一点,有利于躲避敌害。

  未来对脑演化研究工作的期待

  下一步我计划对周口店的头盖骨进一步更深入一些的研究。我也期待未来周口店能发现更多的化石材料。很遗憾,我没有参加2009年开始的那次挖掘。但是中间我去参观了一次,我看到工程量非常大,遗址的堆积层胶结很硬,可以想象挖掘的困难很大。希望得到政府的支持,把周口店建设得更好一些。

  我再去周口店的时候,感觉变化还挺大呢。第一次去周口店的时候,还是老馆,没有建新的博物馆。当时我感觉周口店遗址是非常神圣的,建筑都是老式的陈列馆,非常朴实,各个地层都是非常清楚的。我参观过新馆,比较现代化。但是我们是从事古人类研究,还是喜欢那种古老的建筑。

  其实,我们还有很多工作没有做。比方说对脑演化,我们还要进行更深一步的研究。周口店除了脑,还有头骨、牙齿,很多人类化石都没有进行深入研究。在19世纪40年代的时候,解剖学家魏敦瑞写过一本非常详细的书,他把周口店的人类化石描绘得非常好,这本书现在一直是古人类学的一本经典教材。可以说在以后的这些年中,还没有哪本书能超过魏敦瑞写的那本书。但是因为当时发现的人类化石很少,当时魏敦瑞所对比的人类化石因而也很少。现在已经发现了更多的人类化石,所以有必要对当时他提出的一些假说,或者形态特征进行进一步的验证。所以未来我们希望有一些研究生能够从事这方面的工作,用更多的对比数据来验证一下他的一些观点。

  最近我们有一个研究人员邢松,他对周口店的牙齿进行了深入的研究,他的博士论文就是关于周口店牙齿的研究。周口店的化石丢失了,但是真正的标本还有一些牙齿,他采用先进的方法对牙齿内部结构进行了研究。通过对周口店古人类化石脑进化的研究,为我未来的工作奠定了一个研究的基础。因为我最早的研究是从周口店那个颅内模开始的,所以到现在为止我也一直在从事与脑进化相关的研究。我现在主要的工作是去安徽和湖南。我们研究湖南的牙齿化石的时候,要对比周口店的牙齿化石,它是一个最基础的数据。我们研究安徽发现的头骨的时候,或者是河南等地区发现的头骨,都要拿周口店发现的头骨的数据进行对比。我们最近在安徽发现了一个华龙洞遗址,发现了一个比较好的头骨。这个头骨的形态特征,比方说眼眶的形状,我们就和周口店直立人进行一个详细的对比。结果发现它和周口店直立人有相似的地方,也有不同的地方。就是通过一个特质特征的研究,然后探索一下安徽华龙洞头骨和周口店头骨是否有亲缘关系?探索他们迁徙的路径,这样也可以追溯一下我们中国人的起源的过程。现在研究还没有正式开始,最后的结论还没有确定下来。

  通过对脑的研究可以探索一下我们现代人的祖先,他们的脑是什么样子的,是如何进化的,也是满足现代人的一个好奇心,了解一下我们的过去。

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