Как эволюция пересобрала человеческое запястье: древняя ходьба на кулаках научила человека держать инструменты

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Человеческая кисть представляет собой уникальный анатомический орган. Ее строение обеспечивает высокую подвижность большого пальца и стабильность суставов, что необходимо для точного удержания и использования орудий. Однако эта система сформировалась в процессе длительного исторического развития. Передняя конечность предков человека прошла сложный путь эволюционной перестройки: от выполнения исключительно опорной функции при передвижении до способности выполнять тонкую ручную работу.

Долгое время в физической антропологии оставался нерешенным вопрос о том, каким образом передвигался последний общий предок человека, шимпанзе и горилл. Ученые разделились на два лагеря. Сторонники первой гипотезы утверждали, что этот предок передвигался по земле, опираясь на костяшки согнутых пальцев рук (так ходят современные шимпанзе и гориллы). Сторонники второй гипотезы полагали, что он был исключительно древесным жителем и передвигался по ветвям, опираясь на раскрытую ладонь, как это делают современные некрупные обезьяны.

Кости запястья, вольная интерпретация
Кости запястья, вольная интерпретация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Новое исследование международной группы антропологов позволяет разрешить этот спор на основе детального изучения строения костей запястья.

Сложность изучения костей запястья

Запястье человека состоит из восьми мелких костей. Они расположены в два ряда между лучевой костью предплечья и пястными костями ладони. Эти кости имеют крайне сложную форму с множеством изгибов и суставных поверхностей, которыми они соприкасаются друг с другом.

Из-за такой сложной геометрии стандартные методы антропологического измерения (например, измерение длины или ширины костей с помощью штангенциркуля) долгое время не позволяли получить точные и объективные данные. Ученым приходилось полагаться на визуальные описания деталей строения костей, что вносило элемент субъективности в выводы исследований.

В новой работе исследователи применили современный технологический подход. Они провели высокоразрешающее трехмерное лазерное сканирование более двух тысяч костей запястья. В выборку вошли кости современных людей, различных видов обезьян, а также ископаемые останки древних предков человека (гоминин), включая австралопитеков, представителей вида Homo naledi и неандертальцев.

Для сравнения формы костей ученые использовали метод математического описания трехмерных поверхностей — анализ сферических гармоник. Этот метод позволяет перевести сложную форму кости в набор числовых показателей (векторов), которые точно описывают все ее изгибы. Полученные данные были обработаны компьютерными алгоритмами машинного обучения. Программа сопоставила форму костей вымерших предков с костями современных видов и распределила их по степени сходства.

Исходная 3D-модель (вверху) и ее компьютерная реконструкция методом SPHARM (внизу) для одной и той же кости конкретной особи. Слева направо: ладьевидная кость Pongo pygmaeus, полулунная кость Gorilla gorilla, трехгранная кость Homo sapiens, трехгранная кость Erythrocebus patas, кость-трапеция Macaca mulatta, головчатая кость Hylobates lar, крючковидная кость Cercopithecus mitis. Ракурсы подобраны таким образом, чтобы продемонстрировать мелкие анатомические особенности строения.
Исходная 3D-модель (вверху) и ее компьютерная реконструкция методом SPHARM (внизу) для одной и той же кости конкретной особи. Слева направо: ладьевидная кость Pongo pygmaeus, полулунная кость Gorilla gorilla, трехгранная кость Homo sapiens, трехгранная кость Erythrocebus patas, кость-трапеция Macaca mulatta, головчатая кость Hylobates lar, крючковидная кость Cercopithecus mitis. Ракурсы подобраны таким образом, чтобы продемонстрировать мелкие анатомические особенности строения.
Автор: Laura E. Hunter et al. Источник: royalsocietypublishing.org
Сходство строения запястья человека и африканских обезьян

Компьютерный анализ показал, что по общей форме костей запястья современный человек обнаруживает глубокое сходство с африканскими человекообразными обезьянами — шимпанзе и гориллами. Наибольшее сходство исследователи зафиксировали в строении двух костей: полулунной и трехгранной.

У шимпанзе и горилл эти две кости играют важнейшую роль при передвижении по земле. Когда животное идет, опираясь на костяшки пальцев, на его запястье воздействует вес всего тела. Чтобы сустав не вывихнулся и не согнулся в обратную сторону под этой нагрузкой, полулунная и трехгранная кости при упоре механически блокируют сустав, временно превращая его в жесткую и стабильную опору.

Поскольку эти же кости у человека имеют практически идентичную форму, авторы исследования пришли к выводу, что наш общий предок с шимпанзе и гориллами также передвигался по земле с опорой на костяшки пальцев. Если бы этот предок опирался при ходьбе на раскрытую ладонь или вел исключительно древесный образ жизни, форма этих костей у человека была бы принципиально иной.

Графики распределения по двум главным компонентам (PC1 и PC2) для всех исследованных костей запястья. Полулунная и трехгранная кости у человека и африканских человекообразных обезьян очень похожи, при этом показатели ископаемых предков (гоминин) практически полностью лежат в границах этих двух групп. В то же время головчатая, ладьевидная, кость-трапеция и трапециевидная кость человека заметно отличаются от костей других приматов, а у ранних ископаемых гоминин они занимают промежуточное положение между человеком и африканскими обезьянами. Для ныне живущих видов маркеры на графиках показывают средние видовые значения.
Графики распределения по двум главным компонентам (PC1 и PC2) для всех исследованных костей запястья. Полулунная и трехгранная кости у человека и африканских человекообразных обезьян очень похожи, при этом показатели ископаемых предков (гоминин) практически полностью лежат в границах этих двух групп. В то же время головчатая, ладьевидная, кость-трапеция и трапециевидная кость человека заметно отличаются от костей других приматов, а у ранних ископаемых гоминин они занимают промежуточное положение между человеком и африканскими обезьянами. Для ныне живущих видов маркеры на графиках показывают средние видовые значения.
Автор: Laura E. Hunter et al. Источник: royalsocietypublishing.org
Как опорная структура превратилась в инструмент

Каким образом жесткая конечность, приспособленная для ходьбы по земле, смогла превратиться в гибкий инструмент для ручного труда? Ключевым анатомическим событием на этом пути стало слияние двух костей запястья — ладьевидной и центральной.

У большинства современных обезьян ладьевидная и центральная кости остаются раздельными на протяжении всей жизни. Однако у человека, шимпанзе и горилл они срастаются в единый костный блок еще на этапе эмбрионального развития. Изначально это слияние эволюционно закрепилось для того, чтобы сделать запястье еще более жестким и прочным при ходьбе по земле.

Но когда предки человека перешли к прямохождению и полностью освободили руки от участия в передвижении, эта сросшаяся кость приобрела новую функцию. Она создала стабильную плоскую поверхность на лучевой стороне запястья (со стороны большого пальца).

Благодаря этой ровной и прочной площадке соседняя кость-трапеция, к которой прикрепляется основание большого пальца, получила возможность скользить и смещаться в сторону. Это изменение обеспечило человеческому большому пальцу его уникальную подвижность. Мы получили возможность не просто противопоставлять большой палец остальным, но и выдерживать значительные механические нагрузки при силовом сжатии орудий труда.

Таким образом, анатомическая особенность, которая исходно сформировалась для обеспечения жесткости руки при ходьбе, впоследствии послужила основой для развития подвижности и точности движений человеческой кисти.

Филогенетическое древо приматов (слева) в сравнении с результатами иерархического кластерного анализа (HCA) для всего комплекса костей запястья (справа). Современный человек и ископаемые гоминины группируются ближе к африканским человекообразным обезьянам, чем к любой другой группе приматов. Эта же тенденция сохраняется и при HCA-анализе отдельных костей запястья. Хотя на общей схеме некоторые ископаемые виды гоминин группируются как внешняя ветвь (outgroup) по отношению к современным людям и обезьянам, это обусловлено исключительно неполнотой палеонтологических данных (отсутствием некоторых костей у ископаемых находок). Если ограничить сравнение только теми элементами, которые физически сохранились у каждого конкретного вида: Au. afarensis и Au. sediba оказываются ближе к человеку, чем к африканским обезьянам; Au. africanus группируется ближе к африканским обезьянам; H. floresiensis обнаруживает больше сходства с африканскими обезьянами и орангутанами, чем с человеком.
Филогенетическое древо приматов (слева) в сравнении с результатами иерархического кластерного анализа (HCA) для всего комплекса костей запястья (справа). Современный человек и ископаемые гоминины группируются ближе к африканским человекообразным обезьянам, чем к любой другой группе приматов. Эта же тенденция сохраняется и при HCA-анализе отдельных костей запястья. Хотя на общей схеме некоторые ископаемые виды гоминин группируются как внешняя ветвь (outgroup) по отношению к современным людям и обезьянам, это обусловлено исключительно неполнотой палеонтологических данных (отсутствием некоторых костей у ископаемых находок). Если ограничить сравнение только теми элементами, которые физически сохранились у каждого конкретного вида: Au. afarensis и Au. sediba оказываются ближе к человеку, чем к африканским обезьянам; Au. africanus группируется ближе к африканским обезьянам; H. floresiensis обнаруживает больше сходства с африканскими обезьянами и орангутанами, чем с человеком.
Автор: Laura E. Hunter et al. Источник: royalsocietypublishing.org
Неравномерный путь эволюции кисти

Переход от опорной конечности к манипулятивной не был быстрым и прямолинейным. Исследование подтвердило, что разные кости запястья развивались с разной скоростью. Этот процесс в биологии называют мозаичной эволюцией.

Антропологи обнаружили, что у ранних предков человека, таких как австралопитеки (Australopithecus afarensis и Australopithecus sediba), некоторые кости запястья (в частности, головчатая кость, расположенная в самом центре ладони) имели упрощенную форму. Они были больше похожи на кости обычных ладоходящих обезьян, чем на кости современных людей или шимпанзе.

Это связано с особенностями действия естественного отбора. Когда предки человека отказались от лазания по деревьям и ходьбы с опорой на костяшки, прежнее эволюционное давление, требовавшее высокой прочности суставов, исчезло. В то же время давление отбора, связанное с изготовлением сложных каменных орудий, еще не началось, так как деятельность австралопитеков была относительно простой. В условиях этого ослабления отбора форма некоторых костей временно упростилась.

Только значительно позже, по мере регулярного использования и изготовления каменных орудий, естественный отбор начал формировать специализированное запястье современного человека. Этот переходный период длился миллионы лет.

Например, у вида Homo naledi, существовавшего в Африке около 300 тысяч лет назад, наблюдалась выраженная внутривидовая изменчивость: у одних особей этого вида кости запястья были практически человеческими, в то время как у других сохраняли древние черты, свойственные обезьянам. Это указывает на то, что отбор на развитие ручной ловкости стабилизировался на очень поздних этапах эволюции человека.

Результаты классификации ископаемых образцов гоминин с помощью трех методов машинного обучения: DFA, RF и SVM. Показатели точности работы моделей приведены слева. Штриховка указывает на случаи, когда разные образцы в пределах одного и того же вида были отнесены алгоритмами к разным группам приматов. Звездочкой отмечены поврежденные ископаемые образцы. В целом у исследованных видов прослеживается отчетливая эволюционная тенденция к увеличению доли «человекоподобных» (характерных для прямоходящих видов) признаков запястья. Исключение составляет H. floresiensis, анатомия которого носит крайне мозаичный характер.
Результаты классификации ископаемых образцов гоминин с помощью трех методов машинного обучения: DFA, RF и SVM. Показатели точности работы моделей приведены слева. Штриховка указывает на случаи, когда разные образцы в пределах одного и того же вида были отнесены алгоритмами к разным группам приматов. Звездочкой отмечены поврежденные ископаемые образцы. В целом у исследованных видов прослеживается отчетливая эволюционная тенденция к увеличению доли «человекоподобных» (характерных для прямоходящих видов) признаков запястья. Исключение составляет H. floresiensis, анатомия которого носит крайне мозаичный характер.
Автор: Laura E. Hunter et al. Источник: royalsocietypublishing.org
Заключение

Компьютерный анализ костей запястья позволяет с высокой точностью реконструировать эволюционную историю нашего вида. Он показывает, что уникальная ловкость человеческих рук возникла не в результате внезапного эволюционного скачка, а благодаря глубокой перестройке древних опорных структур.

Механическая прочность запястья, которая изначально позволяла крупным предкам человека передвигаться по земле, в новых условиях обеспечила стабильность суставов, необходимую для удержания орудий. Эволюция использовала старые анатомические элементы для решения новых задач, превратив опорную конечность в инструмент преобразования окружающего мира.

Источник: Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences

1 комментарий

stalinets
Что-то в классификации родства какая-то ерунда. Человек разумный якобы состоит в более близком родстве с гориллой и орангутаном, чем с флоресским человеком и африканскими австралопитеками. Так не может быть.
И сам тезис про то, что наши предки ходили когда-то с опорой на согнутые пальцы, прямо отвергался Дробышевским и, кажется, Марковым (лень сейчас икать в их книгах соответствующие места).
#Сомнительно

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Советский магнитофон Тембр-2М рвал бытовую ленту: почему энтузиасты до сих пор переделывают его ЛПМ

«Тембр-2М» — стереофонический катушечный магнитофон первого класса, который Горьковский завод имени Г. И. Петровского выпускал с 1977 года. Дома такой аппарат почти не встречался: 665...

Земля сама выработала большую часть своей воды еще в процессе роста планеты

Вода покрывает более семидесяти процентов поверхности Земли и служит основой для всей известной нам жизни. Однако для планетологов само наличие такого количества воды на нашей планете долгое время...

✦ ИИ  В Южной Африке нашли необычные наскальные рисунки. Они были созданы с помощью шаблона

В Южной Африке обнаружили редкие наскальные рисунки, созданные с помощью шаблона. Они десятилетиями оставались незамеченными, а их возраст и назначение пока остаются загадкой.

Одна случайно завезённая змея почти лишила Гуам лесных птиц — а затем начала отключать острову электричество

Сегодня бурую бойгу на Гуаме трудно представить редкостью. Ночная змея прячется в лесах, садах, складах и возле домов, забирается на столбы и линии электропередачи. Но до середины XX века её...

Тяга к риску объединяет лидеров людей и шимпанзе: исследование раскрыло биологическую основу власти

В теории управления принято считать, что успешный лидер обязан принимать рискованные решения в условиях неопределенности. Однако в практической работе современных компаний и государственных...

Крупнейшая в истории симуляция воссоздала раннюю Вселенную, но не смогла объяснить аномалии «Джеймса Уэбба»

Примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная остыла настолько, что атомные ядра смогли притянуть и удержать вокруг себя свободные электроны. До этого момента космос был заполнен...