人類頭面部表面積與緯度相關

[sandman 11]

大陸網站看到的

大陸中國科學院做的研究。

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中科院：人類頭面部表面積與緯度相關

2014-04-14 14:56:09

關鍵字 >> 中科院大臉緯度頭面部表面積緯度性變化

近日，中科院古脊椎所對世界主要人群頭面部表面積的緯度分佈特點及其與溫度的關係進行了研究。研究結果顯示：人類頭面部的形態特徵具有適應性，現代人群頭面部表面積在全球範圍內有緯度性變化，也與當地溫度有密切聯繫。

很多人都會發現，土生土長的歐洲人多擁有高而圓的頭頂、深陷的眼窩、較狹窄的面龐和高聳的鼻樑；非洲人前額比較低，「後腦勺」卻很長，整體近似一個傾斜的卵形、鼻樑扁平；寒冷的東北亞地區人群，有扁平而強壯的顴骨，而大部分亞洲人的特徵則介於歐洲和非洲人之間。那麼，這裡面蘊含著什麼科學道理嗎?

要回答這個問題，我們還要從頭說起。

人類頭面部特徵與緯度相關。

人类头面部特征与纬度相关

小熊維尼一向以大臉著稱。

「貝格曼法則」 高緯度人類體型較大四肢粗壯

19世紀，德國生物學家貝格曼發現，哺乳動物和鳥類大致有這樣一種分佈趨勢：同一個類群裡生活在高緯度、寒冷地區的成員，體型較大且四肢粗壯；而生活在低緯度、熱帶地區的成員，體型小而四肢修長。這就是著名的「貝格曼法則」。

體型較大的動物，身體的表面積與體積之比(相對體表面積)較小，因此單位體重所散發到外界的熱量就較少。在寒冷地區生活，最大限度地保存熱量才能夠生存下去。體型較小的動物則相反，它們較大的相對體表面積保證了熱量的迅速散發。只有這樣的體型，才能在熱帶地區生存下去，而不受到身體積聚過多熱量帶來的諸多困擾。

當然，我們人類的體型在全球範圍內的差異，也是貝格曼法則的例證。在接近赤道的炎熱地區生活的人們，有著纖細的身材和修長的四肢，而東北亞的愛斯基摩人，身材壯碩，四肢也比較粗短。

「散熱器假說」圖示。藍色部分是承擔溫度調節功能的導靜脈及靜脈網絡。

「散熱器假說」 直立行走不利於頭部溫度調節

幾百萬年前，當人類的祖先第一次嘗試用後肢直立起來，並逐漸形成了直立行走的姿態時，人類與其它四足動物有了根本上的區別。人類擁有了更廣闊的視野，解放了雙手完成更加精細的活動，智慧得到了開發，腦量也因此急劇擴大。

然而，腦是非常「嬌貴」的器官。它消耗大量的營養和氧氣，又對外界環境極為敏感，顱內一點點溫度變化，都可能帶來災難性的後果。相對體型來講，我們人類的腦比其它四足動物的體積大得多，因此所需要的「投入」也多得多。更糟的是，人類直立行走的姿態反過來對腦的溫度調節造成了不利影響。

當我們從四足行走轉變為直立姿態時，體態變化也改變了部分腦血管的流體壓力，這些血管除了輸送營養與帶走代謝廢物的功能外，還負責著腦的溫度調節。這意味著以前非常有效的溫度調節系統，受到了一定影響。從南方古猿開始，人類祖先的顱內發展出了「導靜脈」，以及分佈在顱骨內外、呈放射狀的靜脈系統，它們的作用之一就是促進頭部與外界、腦與身體其他部分的熱量交換，從而調節顱內溫度，好比一套由水和管道組成的散熱器。這一套溫度調節系統，只存在於人類身上，四足行走的靈長類是沒有的。這便是美國人類學家福爾克提出的「散熱器假說」。

頭骨的三維虛擬模型。

三維激光掃瞄 精確測量頭骨標本表面積

頭部的溫度調節是如此重要，很多學者認為，人類的某些頭面部特徵，如頭蓋部、面部的形狀和大小，也許與溫度調節相關，並遵循貝格曼法則。但當時，證實這一假設卻有巨大的困難：沒有技術能夠快速、精確地對人類頭骨這種複雜的形體進行三維表面積、體積測量。

直至最近十幾年，對人類頭骨的定量描述，都是依靠各種非常傳統的測量儀器(如游標卡尺等)，依靠測量者人工讀數來完成的。現在，計算機輔助的測量技術，如三維激光表面掃瞄技術、CT等，使得深入研究成為了可能。

為了探索全球各地人群的頭面部形態的分佈規律，並探討這些規律是否與溫度調節相關，中國科學院古脊椎動物與古人類研究所研究人員，選取亞洲、非洲、歐洲、美洲和大洋洲18個考古遺址出土的295例現代人頭骨為研究材料，使用了三維激光表面掃瞄技術，來精確測量頭骨標本的表面積。三維激光表面掃瞄儀，能夠精確記錄曲面的形狀信息，將這些信息導入三維圖像處理軟件裡，就能快速地建立被掃瞄物體的三維虛擬模型，能方便地進行各種二維、三維測量。正是利用這種方法，研究者們獲取了南北半球多個人群的頭蓋部、顴骨表面積信息。這項研究發表於《中國科學》上。

中科院：人类头面部表面积与纬度相关

頭骨的三維虛擬模型。

準確數據佐證 頭面部特徵確與溫度有關

經過對比後，發現了這樣一些清晰的規律，表明人類頭面部特徵確實與溫度調節有關：

高緯度、寒帶地區生活的人群，頭蓋部即「導靜脈」系統主要分佈的區域，也就是直立時陽光所照射的主要區域，表面積較大；低緯度、熱帶地區的人群則反之。

以前人們就發現，熱帶地區人群顱容量顯著小於寒帶地區人群，有一些科學家們推測這可能與溫度調節有關，是貝格曼法則的體現，也是千萬年來人類進化的必然趨勢。現在我們終於得到了大量有關頭部表面積的準確數據，來佐證這一推斷。

與此同時，各個人群顴骨表面積在全球不同緯度、氣候帶的分佈，卻呈現另一種趨勢。不同緯度生活的人群，顴骨表面積的差異並不顯著，但顴骨大小卻與當地溫度密切相關。寒冷地區的人群，顴骨面積較大，而炎熱地區人群則相反。研究者們認為，直立狀態時顴骨極少接受陽光直射，主要靠對流方式與外界進行熱量交換，因此顴骨大小雖然不呈現顯著的緯度分佈，但仍然與氣溫有關聯，並最終幫助調節顱內溫度。另外，除了溫度因素，粗糙的食物等生物學因素也能使顴骨變得寬大，這就比頭蓋部形態的影響因素複雜許多。

中科院：人类头面部表面积与纬度相关

頭骨的三維虛擬模型。

人類演化：有接納也有保留

8000年前在佛羅里達生活的印第安人，是這次研究裡一個特殊的組成部分。

這個印第安部落兩萬多年前從南西伯利亞遷移到氣候溫和的佛羅里達，並繼續在那裡生活了一萬多年。令人驚訝的是，他們的頭蓋部表面積十分接近寒帶地區生活的幾個人群，卻與溫帶地區的其他人群相去甚遠。研究者們推測，這一特徵很可能與西伯利亞極端氣候有關，是環境長期作用的結果，代表著適應性。較大的頭蓋部面積在遷入北美前就已經存在了，雖然生活環境發生了極大改變，卻仍然被保留下來，表明這些性狀能夠穩定遺傳。

與頭蓋部不同，印第安人群的顴骨面積與溫帶地區生活的其他人群非常近似，卻與寒帶地區人群有顯著差異。簡單來說，印第安人群的頭面部是「溫帶」和「寒帶」的綜合體。也許南西伯利亞的極端氣候、粗糙食物被佛羅里達的溫和環境取代之後，經過成百上千年的世代交替，最初遷徙者的後代們面部形狀已經漸漸向溫帶地區人群靠攏了，但仍然和祖先一樣，保持著較大的頭蓋部。

一個遠途遷移到陌生環境的人群，既保留了一部分適應原先居住地環境的體質特徵，又產生了一些衍生特徵，印第安人並不是唯一的例證。密蘇里大學的研究者們就發現，通過寒冷的北亞，遷移到溫暖的北海道地區的繩紋人，就同時擁有較為壯碩的身材和修長的四肢。他們推斷，壯碩的身材來自繩紋人的北亞祖先們，而修長的四肢則是北海道溫暖環境帶來的新特徵。