Ученые показали лицо первого представителя нашего вида: как выглядел Homo sapiens 300 тысяч лет назад

Около 315 тысяч лет назад на севере Африки жили люди, которых сегодня считают древнейшими известными представителями Homo sapiens. Международная группа исследователей восстановила внешность одного из них с помощью компьютерной томографии, судебно-медицинских алгоритмов и свободного программного обеспечения.

Результаты работы показывают, как выглядели первые представители нашего вида и чем их анатомия отличалась от современной.

Ошибка длиной в полвека: история находки

В 1961 году в Марокко, примерно в ста километрах к западу от Марракеша, разрабатывали баритовый рудник Джебель-Ирхуд. Во время горных работ в толще породы рабочий обнаружил хорошо сохранившийся человеческий череп. Место находки представляло собой карстовую пещеру, засыпанную осадочными породами за сотни тысяч лет.

Череп получил обозначение Irhoud 1. Первичный осмотр показал необычное сочетание анатомических признаков. Мозговая коробка была низкой и вытянутой в длину, с мощным надбровным валиком, но кости лица оказались плоскими и короткими. Из-за массивного надбровья антропологи того времени классифицировали находку как африканского неандертальца. Возраст окаменелости оценили примерно в 40 тысяч лет.

Эта классификация устраивала научное сообщество несколько десятилетий. Считалось, что неандертальцы жили не только в Европе и Азии, но заходили и в Северную Африку. Позже датировки пересматривали: в 1991 году возраст слоев пещеры оценили в интервале от 100 до 200 тысяч лет, а в 2007 году назвали цифру около 160 тысяч лет. Однако морфология лица упорно не совпадала с классическими неандертальцами. У неандертальцев средняя часть лица сильно выдвинута вперед, а носовая полость имеет совершенно иную структуру.

Перелом наступил в 2017 году. Экспедиция под руководством палеоантрополога Жана-Жака Юблена из Института эволюционной антропологии Макса Планка провела новые раскопки на том же участке. Исследователи нашли кремневые орудия со следами термической обработки — древние люди грели их на огне перед обработкой.

Физики применили к этим кремням метод термолюминесцентного датирования. Метод основан на измерении накопленной радиоактивной дозы: нагрев кремня обнуляет внутренний сигнал, после чего кристаллическая решетка минерала снова начинает накапливать электроны под действием естественного радиационного фона окружающей среды. Измерив этот сигнал, исследователи получили возраст: около 315 тысяч лет с погрешностью в 34 тысячи лет. Тот же результат дал метод электронного парамагнитного резонанса при анализе зубной эмали.

Находки из Джебель-Ирхуд оказались древнейшими известными останками Homo sapiens. Они отодвинули возникновение нашего вида более чем на 100 тысяч лет назад. До этого самыми ранними сапиенсами считались кости из Омо-Кибиш в Эфиопии возрастом около 195 тысяч лет.

Составной череп: объединение находок

Окаменелости древних людей почти никогда не находят в полной сохранности. Время и давление грунта разрушают костную ткань. Находка 1961 года (Irhoud 1) состояла из черепной коробки и верхней половины лица. Нижняя челюсть у этого экземпляра отсутствовала.

Чтобы получить полную анатомическую структуру, специалисты Института Макса Планка создали цифровую трехмерную модель. Для этого объединили данные компьютерной томографии нескольких индивидов, найденных в одном и том же слое пещеры (слой № 7):

1. Irhoud 1 предоставил основу: мозговой отдел, лоб, глазницы и верхнюю часть носовых костей.
2. Irhoud 11 — практически полностью сохранившуюся нижнюю челюсть взрослого человека с зубами.
3. Irhoud 10, 21 и 22 — фрагменты верхней челюсти и зубов, позволившие точно восстановить зубную дугу.

Это объединение обосновано тем, что все кости принадлежали взрослым особям из одной биологической популяции, жившим в один период времени.

Исследователь Сисеро Мораис и его коллеги использовали данные этой модели, опубликованные институтом под свободной лицензией, для проведения судебно-медицинской аппроксимации лица. Они принципиально отказались от искусственного сглаживания костных дефектов. Например, естественную легкую асимметрию нижней челюсти и небольшое расхождение между резцами и лунками зубов оставили без изменений. Исправление таких деталей сделало бы модель менее достоверной с точки зрения анатомии.

Технология реконструкции: от кости к мягким тканям

Судебно-медицинская аппроксимация лица — это научная методика восстановления прижизненного облика человека по костям черепа. Ее регулярно используют в криминалистике для опознания неопознанных тел.

В классическом варианте эксперт наносит на гипсовую или пластиковую копию черепа маркеры толщины тканей, а затем вручную накладывает слои глины или пластилина, формируя мышцы и кожу. Этот подход требует высокой квалификации, но сохраняет элемент субъективности.

Группа Мораиса применила метод цифровой анатомической деформации. Он опирается на строгие геометрические расчеты и выполняется на компьютере.

Сначала исследователи взяли компьютерную томографию головы живого современного человека — так называемого виртуального донора. Эта томография содержит полные данные о взаимном расположении костей, мышечных волокон, жировых пакетов и кожного покрова.

Затем модель черепа донора совместили в единой системе координат с трехмерной моделью ископаемого черепа из Джебель-Ирхуд.

После этого программа начала деформировать кости донора. Форму черепа современного человека меняли до тех пор, пока его ключевые анатомические точки и контуры полностью не совпали с поверхностью древнего черепа.

Главная особенность метода заключается в том, что мягкие ткани донора связаны с поверхностью его костей. Когда костная основа меняет форму, мягкие ткани неизбежно смещаются и меняют толщину вслед за ней. Мышцы лица, связки, подкожная клетчатка и кожа деформируются в строгом соответствии с изменениями костного каркаса.

Чтобы исключить искажения, исследователи контролировали толщину мягких тканей с помощью статистических таблиц. Для работы использовали данные измерений толщины тканей на лицах современных людей африканского происхождения, так как они географически ближе всего к исследуемой популяции.

Положение и наклон носа рассчитали на основе геометрии грушевидного отверстия — костного входа в полость носа. Существуют проверенные зависимости между формой краевых костей этого отверстия и направлением носовых хрящей.

Всю работу авторы выполнили в бесплатной программе для трехмерного моделирования Blender версии 2.91 с установленным дополнением OrtogOnBlender. Исследования проводились на рабочей станции под управлением открытой операционной системы Linux. Использование доступных инструментов было принципиальным решением: любой специалист в области 3D-графики и антропологии может загрузить опубликованные файлы и проверить правильность расчетов.

Анатомические особенности: мозг и пропорции лица

Анализ костной геометрии и виртуального слепка внутренней полости черепа (эндокрана) дал точные физические параметры индивида.

Объем головного мозга. Измерение объема эндокрана показало значение в 1364 миллилитра. Чтобы узнать реальный объем мозга, из этой цифры вычитают 9,81% — объем, который при жизни занимают мозговые оболочки, кровеносные сосуды и спинномозговая жидкость. В итоге объем мозга человека из Джебель-Ирхуд составил 1230 кубических сантиметров.

У современных взрослых мужчин средний объем мозга равен 1234 кубическим сантиметрам. Таким образом, по массе и общему объему нервной ткани сапиенс, живший 315 тысяч лет назад, не отличался от людей XXI века.

Однако форма мозговой коробки различается принципиально. У современных людей череп имеет шарообразную форму: его теменная часть приподнята, а боковые стенки округлены. Череп Irhoud 1 вытянут в длину и уплощен сверху. Это означает, что эволюция мозга у Homo sapiens шла в два этапа: сначала мозг достиг современного объема, и лишь значительно позже — в интервале между 100 и 35 тысячами лет назад — перестроился, приобретя современную округлую структуру.

Ширина верхней части лица. Расстояние между внешними краями глазниц (frontomalar orbitale) составило 118 миллиметров. У современного человека этот показатель равен в среднем 96,6 миллиметра. Разница составляет более четырех с половиной стандартных отклонений. Лицо древнего человека было значительно шире, чем у современных популяций, а глазницы располагались заметно дальше друг от друга.

Окружность головы. На основе реконструированного профиля исследователи рассчитали окружность головы. Она составила 60 сантиметров. Для сравнения, современное среднее мужское значение равно 56,4 сантиметра.

Строение челюсти и подбородка. Ширина нижней челюсти в углах составила 106 миллиметров (при современной норме в 96,9 миллиметра). Нижняя часть челюсти обладала массивным основанием. Подбородочный выступ у индивида уже присутствовал, но не имел резкого треугольного очертания, типичного для поздних людей современного типа. Он занимал промежуточное положение между плоскими челюстями архаичных гоминин и выраженными подбородками современных людей.

Положение средней части лица. Главная черта, связывающая человека из Джебель-Ирхуд с современными людьми, — плоское лицо. У предковых видов, таких как Homo erectus или Homo heidelbergensis, а также у неандертальцев, кости носа и верхняя челюсть сильно выступали вперед. У человека из Джебель-Ирхуд лицо было сдвинуто назад и располагалось строго под передним краем черепной коробки. Именно это позволило антропологам окончательно отнести останки к Homo sapiens.

Научный результат против художественного оформления

Исследователи опубликовали два варианта реконструкции:

• Объективная версия (серая модель). Бюст выполнен в монохромном сером цвете. Глаза закрыты, волосяной покров, брови и ресницы отсутствуют. На коже нет складок или морщин, которые невозможно точно вычислить по костям. Эта модель создана для специалистов. Она демонстрирует форму лица, которая напрямую продиктована костным скелетом, и позволяет оценивать анатомические пропорции без отвлекающих визуальных деталей.

• Версия с художественными элементами. Этот вариант разработан для широкой аудитории. Авторы добавили пигментацию кожи, темные глаза, бороду и волосы. Параметры внешности были выбраны на основе данных об экологии и климате Северной Африки в эпоху среднего плейстоцена. В статье авторы прямо указывают, что цвет кожи, густота волос и форма ушей являются расчетным предположением, так как органические ткани не сохраняются в ископаемом состоянии.

Значение исследования для антропологии

Работа авторов решает две задачи: визуальную и методологическую.

С одной стороны, исследование материализует научные данные. Долгое время облик первых сапиенсов оставался предметом предположений художников. Судебно-медицинский подход на базе костной морфометрии исключает произвольные трактовки. Реконструкция наглядно показывает так называемую мозаичную эволюцию нашего вида. Разные части тела менялись с разной скоростью: лицо стало анатомически близким к современному уже 300 тысяч лет назад, в то время как форма мозгового отдела черепа оставалась архаичной еще сотни тысячелетий.

С другой стороны, публикация утверждает новый стандарт открытости данных. Долгое время палеоантропологические исследования замыкались внутри узких групп, имевших прямой доступ к закрытым музейным коллекциям и дорогостоящему проприетарному софту.

В данном случае исследовательская группа показала, что использование открытых данных института Макса Планка и открытых программ позволяет получать результаты высокой точности. Чтобы проверить корректность масштабирования, авторы сравнили свою модель с независимой оцифровкой черепа, выполненной другим специалистом, Марвином Севильей. Совмещение сеток показало точное совпадение основных антропометрических расстояний.

Все трехмерные файлы, включая цифровую сетку реконструированного бюста, авторы выложили в открытый доступ. Любой исследователь может загрузить модель, сопоставить ее с исходными параметрами черепа и самостоятельно оценить анатомическую точность реконструкции.

Источник: Heritage