在肯亞北部圖爾卡納湖西岸附近，我奮力攀登一條小沖溝或峽谷的陡峭堤岸，在一座小山丘上停了下來，這裡可以俯瞰廣闊、幾乎寸草不生的沙漠景觀。波光粼粼的碧藍色湖泊與周圍紅褐色的景觀形成鮮明對比。這片狹長的沙漠之海坐落在非洲大裂谷中，它的存在歸功於奧莫河，這條蜿蜒的河流輸送著來自衣索比亞高原夏季季風雨的徑流，那裡位於數百英里以北。
這裡的炎熱不容小覷。到中午時分，感覺就像身處鼓風爐中。太陽炙烤著大地，滾燙的礫石地面將熱量反射上來。掃描塵土飛揚的地平線，遠處湖面閃爍，我很難想象這個地方除了沙漠之外還能是什麼。
然而，處在更加溼潤時期的證據隨處可見。事實上，我腳下的小土堆是一塊厚厚的古代湖泊沉積物，可以追溯到360萬年前，當時一個更大更深的圖爾卡納湖注滿了這個盆地。化石湖泊藻類的玻璃狀遺骸構成了白色的沙質層，大型魚類化石很常見。在過去的某些時候，這片岩石沙漠曾被草原、樹木和湖泊覆蓋。
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越來越多的科學家認為，這種氣候變化可能在塑造人類進化方面發揮了重要作用。圖爾卡納湖地區以及東非和南非的其他地點，擁有早期人類起源和我們自七百多萬年前與非洲猿類分支以來進化歷程的大部分化石記錄。
值得注意的是，非洲氣候的重大轉變與我們祖先路徑上的兩個時刻相吻合，這兩個時刻大約相隔一百萬年，標誌著我們家族樹的重大變化。第一次進化劇變發生在 290 萬年前到 240 萬年前之間。著名的“露西”及其同類（南方古猿阿法種）的祖先譜系滅絕了，另外兩個截然不同的群體出現了。其中一個群體具有一些現代特徵的跡象，包括更大的大腦。它們的擁有者是我們自己屬人屬的最早成員。最早的簡陋石器出現在這些化石附近。除了人屬之外，在這個時期出現的另一個群體看起來有所不同：一個體格粗壯、下頜沉重且最終不成功的譜系，統稱為傍人屬。
第二次劇變發生在 190 萬年前到 160 萬年前之間。一個大腦更大、更肉食性的物種，直立人（一些科學家稱之為匠人），出現在舞臺上。它更高更苗條的骨骼幾乎與現代人類的骨骼難以區分。該物種也是第一個離開非洲，遷徙到東南亞和歐洲的物種。石器技術也得到了重大升級：第一批手斧出現了，大型刀片在兩側經過精心塑造。
為什麼這些現代人類的進化里程碑如此集中在時間上？許多科學家現在認為，兩次氣候變化事件可能是原因。這兩次生態衝擊發生在長期極其緩慢的變化之後，將人類的搖籃推向越來越乾燥和開闊的草原。在這些更廣泛的轉變發生的同時，氣候在乾溼時期之間迅速交替，因此，為了生存，我們的祖先必須適應快速變化的景觀。
證據來自一系列新資料，這些資料告訴我們非洲氣候和植被在人類進化的重要時刻是如何以及為何發生變化的。科學家們現在能夠從我所站立的沉積層等沉積層中提取和分析古代非洲植被的分子遺蹟。對我們祖先牙齒的化學分析揭示了他們在景觀變化時期的飲食。那些適應這些變化的生物——那些在飲食和居住地方面表現出靈活性的生物——似乎是繁榮昌盛的生物。這種面對新的環境挑戰時表現出的靈活性似乎是人類血統中延續下來的特徵。其他沒有隨著時代變化的祖先則滅絕了。史密森尼學會的古人類學家裡克·波茨將靈活性在我們成為現在的樣子的過程中所起的作用稱為“變異性選擇”。
氣候塑造的生命
將氣候變化和進化聯絡起來的理論可以追溯到查爾斯·達爾文。他的前提是，大規模的氣候變化會擾亂特定地區可獲得的食物、住所和其他資源的種類。最喜歡的食物的消失或漫長的雨季被更長的旱季所取代，會產生壓力，最終導致適應、滅絕或進化成不同的物種。由氣候設定的環境將有利於具有某些有利性狀（例如更大的大腦）基因的生物。隨著時間的推移，這些生物及其攜帶的基因將佔據主導地位，因為它們中的更多會生存下來。在《物種起源》中，達爾文指出，極度寒冷或乾旱的季節是對物種數量的有效制約。
這種變化過程並非總是微妙或溫和的。過去 5.4 億年地球生命化石記錄中發生的“五大”大規模滅絕事件中的每一次都伴隨著環境破壞。在這些事件中的每一次，所有物種的 50% 到 90% 都滅絕了，但這之後是新的、非常不同的物種的爆發。這些事件定義了生命史書中的主要章節，新的生物世界由此出現並蓬勃發展。我們哺乳動物要感謝大約 6600 萬年前撞擊今墨西哥尤卡坦半島的曼哈頓大小的隕石。它殺死了恐龍（以及許多其他不太有魅力的物種），迎來了哺乳動物的快速輻射和多樣化。
這些哺乳動物中的一個群體，經過更多的分支和大量時間，最終進化成了我們。對於這些人族（現代人類和我們已滅絕的親屬），科學家們嘗試了幾種關於環境如何塑造進化的觀點。“稀樹草原假說”就是其中之一。在其最早的形式中，科學家們提出，我們早期的人類祖先，隨著日益增長的兩足行走能力、更大的大腦和工具製造能力，更適合迅速擴張的稀樹草原，那裡的資源競爭更加激烈，他們將我們的猿類祖先拋在了退化的森林中。
這種過時的觀點仍然出現在一些教科書中，但它是錯誤的。森林到草原的棲息地並非一次性轉換，而是快速連續的乾溼迴圈，這些迴圈以明顯的步驟朝著更乾燥的條件發展。此外，我們並非在一個單一的時刻獲得了人類的特徵，而是在環境發生變化時在一系列集中的爆發中獲得的。
乾溼迴圈
景觀變化和進化的爆發的證據不僅來自陸地，也來自海洋。非洲地面沉積物由於侵蝕和其他地質擾動，通常難以分析。然而，在深海中，它們保持未受擾動。透過在非洲海岸附近的 seabed 鑽探，像我這樣的地質學家已經能夠穿透數百萬年的時間膠囊，回收儲存過去非洲環境完整記錄的長沉積岩芯。為了獲得這些巖芯，我們需要一艘特殊的船隻。這就是為什麼在 1987 年秋天，我和一個由 27 名科學家組成的團隊在 470 英尺長的鑽探船JOIDES Resolution上度過了兩個月的時間。
“甲板上的巖芯！”鑽井工用他德克薩斯州的口音在公共廣播系統中尖叫道。我們科學家們呻吟著，戴上安全帽，走出船上涼爽舒適的實驗室，來到刺眼的阿拉伯陽光下，將又一段 30 英尺長的深海沉積岩芯抬進室內進行分析。Resolution是一艘國際資助的研究船，旨在探索和鑽探海底，並回收記錄在那裡的地球歷史。我們在阿拉伯海一英里半深的水域中鑽探穿過深海沉積層，巖芯深入海底近半英里。自從大約數百萬年前類人猿和人類譜系分化以來，這裡的海底在黑暗、寧靜的深淵中積累了近 1,000 英尺的深海泥漿，速度約為每 1,000 年一英寸半。
這裡的沉積物由古代海洋浮游生物的細白色碳酸鈣化石殼和來自非洲和阿拉伯地區季風吹來的較深、泥濘的塵埃顆粒混合而成。當混合物看起來更暗更粗糙時，它表明更乾燥、多塵的時期。當它看起來更亮時，則反映出更潮溼、更潮溼的條件。
將剖開的沉積岩芯放在船上寬敞的研究實驗室內的桌子上，我們可以看到明暗交替的層大約每三英尺重複一次，這意味著它們大約每 23,000 年變化一次。很明顯，非洲的氣候歷史一直是乾溼時期之間持續搖擺的歷史。這與向稀樹草原的單一、急劇轉變截然不同。
這些搖擺反映了已知的非洲和亞洲季風氣候對地球軌道擺動的敏感性，這種擺動以 23,000 年的規律週期發生。擺動改變了特定季節照射到我們星球上的陽光量。對於北非和南亞而言，夏季或多或少的熱量會增加或減少季風降雨，使這些地區隨著我們星球來回擺動而變得更溼潤或更乾燥。
大約在 10,000 年到 5,000 年前，人類在北非最近的溼潤時期繪製的壯麗巖畫記錄了事物的溼潤程度。在撒哈拉沙漠各地發現的藝術品描繪了茂密的景觀，其中充滿了大象、河馬、長頸鹿、鱷魚和成群結隊的獵人追逐瞪羚。撒哈拉沙漠曾經覆蓋著草地和樹木；現在被沙丘淹沒的湖泊盆地曾經注滿了水。尼羅河滾滾流入地中海東部，富含黑色有機物的沉積物，稱為腐泥層，在地中海海底積累。它們與乾燥時期沉積的較白層交替出現，就像從阿拉伯海回收的變化的塵埃層一樣，條形碼資訊講述了深入過去的非洲氣候週期。
露西的末日
疊加在這些軌道乾溼迴圈之上的是走向乾燥和開闊草原的更大步驟。小片草原最早在近八百萬年前在東非擴張。但是像塞倫蓋蒂這樣廣闊的草原平原只是在三百萬年前才永久建立起來。就在這個時候，我們的進化史也受到了震動。
我們失去了露西。她的極其成功的物種阿法南方古猿，在東非存活了 90 萬年，從大約 390 萬年前開始。但就在不到三百萬年前，露西的同類從化石記錄中消失了。
接下來，傍人屬群體出現，隨後在 260 萬年前出現了第一批石制砍砸器和刮削器的跡象，然後在幾十萬年後出現了早期人屬化石。
我們知道，我們家族樹和技術發明的這些變化發生在整體氣候轉變期間，這要歸功於一些聰明的科學偵探工作，追溯了一些在更溼潤的環境中繁榮生長的植物和其他在更乾燥的時期繁榮生長的植物留下的指紋。
稀樹草原是由草和莎草組成的開放熱帶生態系統，有時點綴著成簇的木本樹木。稀樹草原草在炎熱乾燥的地區生長良好，因為為了從大氣中吸收碳，它們使用一種稱為 C4 的特定光合途徑。這組反應節約碳和水，是對乾旱和低二氧化碳環境生活的適應。像樹木這樣的木本植被在更潮溼的生態系統中找到了家園，因為它使用了另一種稱為 C3 的光合途徑，這種途徑需要更多的水。
猶他大學的瑟爾·E·塞林及其同事開發了一種重建古代景觀植被歷史的方法。多年前，研究人員發現，相對於較輕、更豐富的碳 12 同位素，C4 草具有更高丰度的較重但較稀有的碳 13 同位素。但 C3 灌木和木本植物的碳 13/12 比率較低。科學家們發現，他們可以從特定景觀中採集土壤或岩石結核樣本，分析碳比率，並使用它們來準確估計該區域曾經存在的 C4 草與 C3 木本植物的百分比。
當他們檢視來自產生人族化石的地點的東非沉積物時，研究人員瞭解到，在 800 萬年前，東非景觀主要以 C3 森林和灌木林地為主。此後，C4 草原的比例逐漸增加。然後在 300 萬年前到 200 萬年前之間發生了一次相對較大且快速的轉變。
在這次轉變期間，草原在今天的肯亞、衣索比亞和坦尚尼亞迅速擴張。草原的擴張伴隨著草食性哺乳動物比例的上升，它們的豐富化石表明了這一點。隨著時間向前推移，更接近兩百萬年前，非洲羚羊——它們的角，其不同的形狀表明不同的物種，儲存完好——似乎經歷了廣泛的物種形成、滅絕和適應，就像我們的人族祖先一樣。
偶蹄類動物所屬的牛科動物，約佔所有非洲化石的三分之一。因此，它們提供了比稀有得多的人族更大的資料集。耶魯大學的古生物學家伊麗莎白·弗爾巴對過去六百萬年的非洲牛科動物進化進行了全非洲分析。她的研究確定了牛科動物物種形成和滅絕率遠高於正常背景水平的特定時間。其中兩個最大的事件發生在接近 280 萬年前和 180 萬年前，與地質學家觀察到的草原生長的時期相吻合，儘管現在在喬治·華盛頓大學工作的勒內·博貝和史密森尼學會的安娜·K·貝倫斯邁爾的最新研究表明，這些事件可能更為緩和。這些化石的解剖結構暗示，其中一些化石正在利用景觀變化。例如，許多新的草食性牛科動物物種出現，它們的臼齒專門用於咀嚼粗糙的草食性食物。
飲食和景觀
正如牛科動物的情況一樣，這種植被變化很可能對我們自己的祖先產生了深遠的影響，因為我們不僅僅生活在環境中——我們還要吃掉它。古飲食研究被證明對於理解景觀變化如何影響人族非常有用。正如土壤中的同位素可以用來推斷古代景觀中草原的相對丰度一樣，科學家最近開始分析我們祖先化石牙齒中的同位素組成。對現代美國人牙齒的碳同位素分析將完全位於量表的 C4 草一側，因為我們消費的大部分東西——來自奶牛的肉、軟飲料、零食、糖果——都來自玉米，一種 C4 草。
史前飲食變化似乎是我們歷史上第二次重大進化時刻的一部分，大約在兩百萬年前，看起來更現代的人屬化石首次出現。塞林和他的許多同事一直在檢查圖爾卡納盆地化石的牙齒。去年，他們發表了一項引人注目的研究，該研究表明，在我們自己屬人屬的早期成員和下頜沉重的傍人屬群體的成員之間，在略低於兩百萬年前的標記處，存在飲食分裂。一個物種，鮑氏傍人，有時被稱為胡桃夾子人，因為它令人印象深刻的大臼齒和巨大的下頜骨。來自該物種的碳同位素牙齒資料表明它確實吃了狹窄的、主要基於 C4 的飲食。然而，牙齒上的細微劃痕表明，它根本不是在敲碎堅果，而是在吃柔軟的 C4 草和莎草。
最大的驚喜是人屬。這些早期牙齒記錄的飲食與景觀向更大 C4 草覆蓋率發展的趨勢背道而馳。早期人屬的牙齒同位素資料表明，飲食結構驚人地混合，大約 65-35% 是基於 C3 和 C4 的食物。它表明人屬從日益統一的景觀中尋找各種食物。早期人屬的飲食多樣且靈活，並將其基因傳遞給後續譜系，最終導致了我們。相比之下，傍人屬生活在狹窄的 C4 飲食生態位中，最終滅絕。
人們很容易推測，與這群人屬一起首次出現的更復雜的石器工具——手斧、砍刀等，這些工具需要付出更多努力來製作，並且可以用於多種用途——更適合幫助它們的主人利用不同的食物來源。我們仍然完全不確定這些生物在吃什麼，但我們確實知道哪些飲食適應最終是成功的。
填補氣候空白
這個 C3/C4 故事雖然引人入勝，但仍存在一些漏洞：特別是陸地沉積物序列中存在數千年的空白。但同樣，海洋沉積物及其更完整的記錄可以幫助填補空白。在過去十年中，出現了一種非常有前景的技術，用於連續跟蹤植被變化。所有陸生植物都具有蠟質葉片塗層，可以保護它們免受傷害和脫水。當植物死亡或被磨損時，蠟質塗層會隨著礦物粉塵和其他顆粒一起被風帶走。這些塗層由堅韌的小分子組成，這些小分子是稱為脂質的長碳基鏈。它們具有抗降解性，並具有來自其宿主植物型別 C3 或 C4 的碳同位素特徵。一旦從沉積物中化學分離出來，就可以測量這些植物蠟脂質，並確定其碳特徵為 C3 或 C4。特定型別的相對丰度使我們能夠估計古代景觀上草與樹木和灌木的數量。
現在在南加州大學工作的莎拉·J·費金斯及其同事應用了這項技術來重建人族環境。透過分析來自亞丁灣鑽探地點的沉積物，她證實東非草原在 300 萬年前到 200 萬年前之間擴張，可能高達 50%。費金斯還發現，這些植物蠟生物標誌物在標誌著軌道週期和季風驅動的短期擺動的塵埃層內發生了變化。草地和林地在這個較短的尺度上前後移動，其中許多擺動幾乎與長期轉向更開放、草地景觀的轉變一樣大。在坦尚尼亞著名的奧杜威峽谷化石遺址，人族在 190 萬年前居住在那裡，當時在賓夕法尼亞州立大學工作的科學家克萊頓·R·馬吉爾和凱瑟琳·H·弗里曼發現了類似的生物標誌物變化。
我們正在接近更清晰地瞭解人類起源的方式和原因。我們祖先從古代黑暗森林中出現，聲稱統治草原平原的舊形象已經消失。取而代之的是一系列快速氣候週期和兩次重大轉變的新證據，這些轉變建立了我們今天所知的非洲稀樹草原。一些證據表明，我們最成功的祖先具有適應這些變化的靈活性。研究人員已經在嘗試透過更詳細的調查來鞏固氣候與這些進化事件之間的聯絡。儘管如此，對於古老的問題“我是如何來到這裡的？”的答案似乎不再遙不可及。