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

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.

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.

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.

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.

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.

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