Изучение эволюции грудной клетки человека имеет важное значение для понимания ключевых аспектов палеобиологии. Общий размер грудной клетки связан с объёмом лёгких, а это является важной физиологической переменной. Эти параметры у родственных представителей рода, таких как неандертальцы являются предметом научных дискуссий на протяжении вот уже 150 лет. А исследования останков в XIX и начале XX веков породили стереотипные образы неандертальцев, как сгорбленных пещерных дикарей. В последнее время переоценка скелетов Шанидар 3, Кебара 2, Ля-Шаппель-о-Сен1 и описание новых находок неандертальцев Эль-Сидрон и Регурду 1, предоставляет новые данные. Кроме того, внедрение методов геометрической морфометрии в этих исследованиях помогает количественно оценить различия между грудными клетками современных людей и неандертальцев. Предполагалось, что более крупный скелет у неандертальцев, чем у современных людей, приводит и к большему объему грудной клетке.
Этот объем возможно был связан с потребностью в большем потреблении кислорода из-за их массы тела, образа жизни охотников-собирателей и с экзаптацией в условиях холодного климата. А также и для обеспечения кислородом их большего мозга, около 1600 см3. Все эти предположения, относительно общего размера и формы грудной клетки неандертальцев, были основаны на аналитическом подходе к исследованию изолированных скелетных образцов. Однако, были задокументированы ошибки в реконструкции ребер Кебара 2, которые могли повлиять на предыдущую реконструкцию этой грудной клетки. В новом исследовании представлена 3D виртуальная реконструкция самой полной грудной клетки взрослого неандертальца, найденной на сегодняшний день в пещере Кебара, Израиль. Она расположена на горе Кармель, в 13 км к югу от Вади-эль-Мугара. На этом участке были обнаружены останки 8-9 месячного ребенка Кебара 1 и взрослого неандертальца Кебара 2, а также другие отдельные фрагменты неандертальцев. Останки Кебара 2, обнаруженные в 1983 году, были датированы в 60 тыс. лет. Это был самый полный скелет, но без черепной коробки. Средний возраст на время смерти, по различным методикам, составил 32 года. Неандерталец мужского пола был ростом от 168 до 170 см и весил около 75,6 кг. Исследователи также выявили наличие легкого сколиоза, который не достиг патологического уровня.
Новая виртуальная 3D реконструкция грудной клетки Кебара 2, обеспечивает наглядную визуализацию различий в позвонках и ребрах у неандертальцев по сравнению с современными людьми. С помощью этой реконструкции учёные выполнили сравнительный морфометрический анализ грудной клетки Кебара 2, который показал, что различия в позвонках и ребрах приводят и к различиям в грудной клетке между современными людьми и неандертальцами в целом. Исследователи также обсуждают эволюционные последствия строения грудной клетки, позвоночника и таза. Потому как виртуальная реконструкция скелета вымершего гоминида показывает взаимозависимость морфологии таза, позвоночника и других костей скелета. А также значительные метрические и морфологические различия по сравнению с современными мужчинами аналогичного роста. Что можно объяснить различиями в морфологии грудного отдела позвоночника, реберного каркаса, и взаимодействием между этими двумя анатомическими областями. Несмотря на расчетные, большие энергетические затраты у неандертальцев, чем у Хомо Сапиенс, которые ранее были предложены в качестве аргумента, объясняющего их больший суммарный, общий объем легких, новая реконструкция не подтверждает наличие у Кебара 2, значительно более крупного скелета грудной клетки.
У некоторых высокогорных популяций современных людей, существует связь между вентиляционными способностями лёгких и размерами грудной клетки. Однако показано, что именно размер мягких тканей обеспечивает лучшую взаимосвязь с вентиляцией легких, чем скелетные измерения, такие как размеры грудной клетки. Основываясь на морфологии скелета, нельзя исключать, что суммарная емкость лёгких у неандертальцев не отличалась от таковой у современных людей. Однако различия в мягких тканях (например, высота диафрагмы) могли привести к большей общей емкости легких у неандертальцев, чем у современных людей, несмотря на грудную клетку аналогичных размеров. Хотя у неандертальца из пещеры Кебара объем легких, рассчитанный на основе взаимосвязи между общей емкостью легких и длиной реберной дуги, составил 9.04 л, по сравнению с 7,2 л у сравнительного образца, современного человека.
У нашего вида, увеличение нижней части грудной клетки, или области, поддерживающей диафрагму, значительно увеличивает дыхательную способность. Таким образом, исследователи предположили, что неандертальцы, возможно, имели несколько иной механизм дыхания, который был связан с относительно большим сокращением диафрагмы, чем у современных людей. На это может указывать и более горизонтальное, как видно на изображении, расположение рёбер.
Реконструированная грудная клетка, представленная в новом исследовании, позволяет учёным понять биомеханические последствия выявленных различий в грудном и поясничном отделах позвоночника неандертальцев и индивидуальных различий, которые были задокументированы в скелете.
Исследователи предполагают, что у неандертальцев ориентация и положение крестца относительно таза не только связаны с более низкой степенью искривления позвоночника, но и объясняют выпуклость позвоночника в грудной клетке. В то же время, крестец неандертальца расположен более низко относительно тыльных, подвздошных бугорков таза, чем у современных людей, что связано с более низкой степенью поясничного лордоза или изгиба позвоночника, обращенного выпуклостью вперёд. Параллельно, более широкий таз неандертальцев, по сравнению с современными людьми, вероятно, наложил ограничения на развитие нижней части грудной клетки. Ещё одно предположение связывает сравнительно узкую нижнюю часть грудной клетки современных людей с эволюцией более узкого таза у человека разумного. Таким образом, данная реконструкция демонстрирует, что тонкие, но значительные различия, существуют в форме грудной клетки внутри рода Людей. А морфология грудной клетки, по-видимому, является результатом взаимозависимости нескольких признаков, таких как общий размер тела, морфология таза, и позвоночника.
Новые находки могут обеспечить дополнительные доказательства, для лучшего понимания развития анатомии людей и родственных видов.
Создано на основе статьи в журнале Nature: 3D virtual reconstruction of the Kebara 2 Neandertal thorax
Asier Gómez-Olivencia, Alon Barash, Daniel García-Martínez, Mikel Arlegi, Patricia Kramer, Markus Bastir & Ella Been
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-018-06803-z (Creative Commons Attribution 4.0 International License) http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/