Преди около 315 хиляди години в Северна Африка са живели хора, които днес се считат за най-древните известни представители на Homo sapiens. Международна група изследователи възстанови външния вид на един от тях с помощта на компютърна томография, съдебномедицински алгоритми и свободен софтуер.
Резултатите от изследването дават информация за това как са изглеждали първите представители на нашия вид и по какво тяхната анатомия се е различавала от съвременната.
Грешка, продължила половин век: историята на находкатаПрез 1961 г. в Мароко, на около 100 km западно от Маракеш, се е използвала баритовата мина Джебел-Ирхуд. По време на минните работи в скалната маса един работник откри добре запазен човешки череп. Мястото на находката представляваше карстова пещера, засипана със седиментни скали в продължение на стотици хиляди години.
Черепът получи обозначението Irhoud 1. Първоначалният оглед показа необичайна комбинация от анатомични характеристики. Черепната кутия беше ниска и издължена, с мощен надвежден вал, но лицевите кости се оказаха плоски и къси. Поради масивните вежди антрополозите от онова време класифицираха находката като африкански неандерталец. Възрастта на вкаменелостта беше оценена на около 40 хиляди години.
Тази класификация задоволяваше научната общност в продължение на няколко десетилетия. Смяташе се, че неандерталците са живели не само в Европа и Азия, но са достигали и до Северна Африка. По-късно датировките бяха преразгледани: през 1991 г. възрастта на пластовете в пещерата беше оценена в диапазона от 100 до 200 хиляди години, а през 2007 г. беше посочена цифра от около 160 хиляди години. Само че морфологията на лицето упорито не съвпадаше с тази на класическите неандерталци. При неандерталците средната част на лицето е силно изпъкнала напред, а носната кухина има съвсем различна структура.
Откритият Джебел Ирхуд 1
Преломният момент
Преломният момент настъпи през 2017 г. Експедиция под ръководството на палеоантрополога Жан-Жак Юблен от Института по еволюционна антропология „Макс Планк“ проведе нови разкопки на същия участък. Изследователите откриха кремъчни оръдия на труда със следи от термична обработка, тоест древните хора са ги нагрявали на огън преди обработката им.
Физиците приложиха към тези инструменти от кремък методът на термолуминесцентното датиране. Методът се основава на измерване на натрупаната радиоактивна доза: нагряването на кремъка нулира вътрешния сигнал, след което кристалната решетка на минерала отново започва да натрупва електрони под въздействието на естествения радиационен фон на околната среда. След като измериха този сигнал, изследователите получиха възраст: около 315 хиляди години с грешка от 34 хиляди години. Същият резултат даде и методът на електронния парамагнитен резонанс при анализа на зъбния емайл.
Находките от Джебел-Ирхуд се оказаха най-древните известни останки на Homo sapiens. Те преместиха появата на нашия вид над 100 хиляди години назад. Дотогава за най-ранните сапиенси се смятаха костите от Омо-Кибиш в Етиопия, на възраст около 195 хиляди години.
Сглобеният череп: обединяване на находкитеВкаменелостите на древните хора почти никога не се откриват в пълна цялост. Времето и налягането на почвата разрушават костната тъкан. Находката от 1961 г. (Irhoud 1) се състоеше от черепната кутия и горната половина на лицето. Долната челюст на този екземпляр липсваше.
За да получат пълния модел на анатомичната структура, специалистите от Института „Макс Планк“ създадоха цифров триизмерен модел. За целта обединиха данните от компютърна томография на няколко индивида, намерени в един и същ слой на пещерата (слой № 7):
Irhoud 1 предостави основата: мозъчната част, челото, орбитите и горната част на носните кости. Irhoud 11 е практически напълно запазена долна челюст на възрастен човек със зъби. Irhoud 10, 21 и 22 са фрагменти от горната челюст и зъби, които позволиха точното възстановяване на зъбната дъга.Това обединяване се обосновава с факта, че всички кости са принадлежали на възрастни индивиди от една и съща биологична популация, живели в един и същ период.
Изследователят Сисеро Мораис и неговите колеги използваха данните от този модел, публикувани от института под свободна лицензия, за извършване на съдебно-медицинска реконструкция на лицето. Те принципно се отказаха от изкуственото изглаждане на костните дефекти. Така например, естествената лека асиметрия на долната челюст и малката разлика между резците и зъбните отвори са оставени без промяна. Корекцията на тези детайли би направила модела по-малко достоверен от анатомична гледна точка.
Етапите на изготвяне на цифровия модел: пространствено дигитализиране на черепа чрез фотограметрия (A), проверка на мащабните линии (B), съпоставяне на костите с томографските изображения на съвременен виртуален донор (C) и изчисляване обема на мозъчната кухина (D)
Технологията на реконструкцията: от костите към меките тъкани
Съдебномедицинската реконструкция на лицето е научна методика за възстановяване на външния вид на човек приживе въз основа на костите на черепа. Тя се използва редовно в криминалистиката за идентифициране на неидентифицирани тела.
При класическия вариант експертът нанася върху гипсово или пластмасово копие на черепа маркери за дебелината на тъканите, а след това ръчно наслагва слоеве от глина или пластилин, като оформя мускулите и кожата. Този подход изисква висока квалификация, но запазва елемент на субективност.
Групата на Морайс приложи метода на цифровата анатомична деформация. Той се основава на строги геометрични изчисления и се извършва на компютър.
Най-напред изследователите взеха компютърна томография на главата на жив съвременен човек, така нареченият виртуален донор. Тази томография съдържа пълните данни за взаимното разположение на костите, мускулните влакна, мастните натрупвания и кожния покров.
След това програмата започва да деформира костите на донора. Формата на черепа на съвременния човек се променя, докато ключовите му анатомични точки и контури напълно не съвпадат с повърхността на древния череп.
МетодътОсновната особеност на метода се състои в това, че меките тъкани на донора са свързани с повърхността на костите му. Когато костната основа променя формата си, меките тъкани неизбежно се изместват и променят дебелината си вследствие на това. Лицевите мускули, връзките, подкожната тъкан и кожата се деформират в строго съответствие с промените в костния скелет.
За да се изключат изкривяванията, изследователите контролираха дебелината на меките тъкани с помощта на статистически таблици. За целите на изследването бяха използвани данни от измервания на дебелината на тъканите по лицата на съвременни хора от африкански произход, тъй като те са географски най-близо до изследваната популация.
Позицията и наклонът на носа бяха изчислени въз основа на геометрията на крушовидния отвор, тоест костния вход в носната кухина. Съществуват доказани зависимости между формата на крайните кости на този отвор и посоката на носните хрущяли.
Всичката работа е извършена от авторите в безплатната програма за триизмерно моделиране Blender, версия 2.91, с инсталирано разширение OrtogOnBlender. Изследванията са проведени на работна станция, работеща с отворената операционна система Linux. Използването на достъпни инструменти е било принципно решение: всеки специалист в областта на 3D-графиката и антропологията може да изтегли публикуваните файлове и да провери правилността на изчисленията.
Етапи на процеса на съдебно-медицинската апроксимация: изчисляване на ъгъла на изпъкване на носа (A), анатомичните проекции на лицевия скелет (B, C), изчертаване на основната геометрия на лицето (D), изчисляване на разпределението на косата (E) и окончателна настройка на осветлението (F)
Анатомични особености: мозъкът и пропорциите на лицето
Анализът на костната геометрия и виртуалния отпечатък на вътрешната кухина на черепа (ендокрана) предостави точни физически параметри на индивида.
Обемът на мозъкаИзмерването на обема на ендокрана показва стойност от 1364 милилитра. За да се определи действителният обем на мозъка, от тази цифра се изважда 9,81% — обемът, който приживе заемат мозъчните обвивки, кръвоносните съдове и гръбначно-мозъчната течност. В резултат обемът на човешкия мозък от Джебел-Ирхуд възлиза на 1230 cm³.
При съвременните възрастни мъже средният обем на мозъка е 1234 cm³. По този начин, по отношение на масата и общия обем на нервната тъкан, хомо сапиенс, живял преди 315 хиляди години, не се е различавал от хората на XXI век.
Само че формата на черепната кутия се различава принципно. При съвременните хора черепът има сферична форма: върхът му е издигнат, а страничните стени са заоблени. Черепът на Irhoud 1 е удължен и сплескан отгоре. Това означава, че еволюцията на мозъка при Homo sapiens е протичала в два етапа: първо мозъкът е достигнал съвременния си обем, а едва значително по-късно, в периода между 100 и 35 хиляди години назад, се е преобразувал, придобивайки съвременната си закръглена структура.
При човека от Джебел-Ирхуд лицето е било изместено назад и се е намирало точно под предния край на черепната кутия. Именно това е позволило на антрополозите окончателно да отнесат останките към Homo sapiens.
Научният резултат срещу художественото оформлениеИзследователите публикуваха два варианта на реконструкцията:
Обективна версия (сив модел). Бюстът е изработен в монохромен сив цвят. Очите са затворени, липсват коса, вежди и мигли. На кожата няма гънки и бръчки, които не могат да бъдат точно определени въз основа на костите. Този модел е създаден за специалисти. Той показва формата на лицето, която е пряко обусловена от костния скелет, и позволява да се оценят анатомичните пропорции без отвличащи вниманието визуални детайли.
Обективен съдебно-медицински модел в неутрален сив цвят. В него липсват хипотетичните елементи (коса, вежди, кожни гънки), което позволява да се оценят анатомичните пропорции на лицето, определени изцяло от костите на черепа
Версиятата с художествени елементи. Този вариант е разработен за широката аудитория. Авторите са добавили пигментация на кожата, тъмни очи, брада и коса. Параметрите на външния вид са избрани въз основа на данните за екологията и климата в Северна Африка през епохата на средния плейстоцен. В статията авторите изрично посочват, че цветът на кожата, гъстотата на косата и формата на ушите са изчислителни предположения, тъй като органичните тъкани не се запазват във фосилно състояние.
Окончателната антропологична визуализация с художествени елементи. Текстурата на кожата, цветът на очите и гъстотата на косата са реконструирани въз основа на вероятните характеристики на популациите в Северна Африка през плейстоцена
Значението на изследването за антропологията
Работата на авторите решава две задачи: визуална и методологическа.
От една страна, изследването материализира научните данни. Дълго време външният вид на първите хомо сапиенси оставаше предмет на предположенията на художниците. Съдебно-медицинският подход, основан на костна морфометрия, изключва произволни интерпретации. Реконструкцията нагледно показва така наречената „мозаечна“ еволюция на нашия вид. Различните части на тялото са се променяли с различна скорост: лицето е станало анатомично близко до съвременното още преди 300 хиляди години, докато формата на мозъчната част на черепа е останала архаична още стотици хилядолетия.
Обективен съдебно-медицински модел в неутрален сив цвят. В него липсват хипотетичните елементи (коса, вежди, кожни гънки), което позволява да се оценят анатомичните пропорции на лицето, определени изцяло от костите на черепа
От друга страна, публикацията утвърждава нов стандарт за отвореност на данните. Дълго време палеоантропологичните изследвания се ограничаваха в рамките на тесни групи, които имаха пряк достъп до затворени музейни колекции и скъп патентован софтуер.
В този случай изследователската група показа, че използването на отворени данни от Института „Макс Планк“ и на отворени програми позволява получаването на резултати с висока точност. За да проверят коректността на мащабирането, авторите сравниха своя модел с независима цифровизация на черепа, извършена от друг специалист, Марвин Севиля. Наслагването на мрежите е показало точно съвпадение на основните антропометрични разстояния.
Всички триизмерни файлове, включително цифровата мрежа на реконструирания бюст, са публикувани от авторите в отворен достъп. Всеки изследовател може да изтегли модела, да го сравни с изходните параметри на черепа и самостоятелно да оцени анатомичната точност на реконструкцията.