В то время я измерял и сравнивал ископаемые и современные черепа по методу, который сегодня называется классической морфометрией, хотя нужно заметить, что он применялся еще до Дарвина и в 1971 году, когда я приступил к исследованиям, уже считался классическим. На человеческом черепе имеется множество различных ясных и значимых реперных точек – это места соединения костей, мускульные отпечатки, отверстие наружного ушного прохода, максимальное расстояние между носовыми отверстиями и т. д. Эти реперные точки используются при промерах черепа: скажем, с помощью подходящего инструмента можно измерить расстояние между носовыми отверстиями, получив максимальную ширину носа, или общую длину черепной коробки от вершины носовых костей до самой дальней точки в середине затылочной кости. Все черепа можно затем сравнить по каждому из этих измерений (признаков) и по каждому признаку получить размах изменчивости. Можно использовать при таком сравнении сами признаки, а можно их вычисленные соотношения, или индексы. Широко используется, например, черепной указатель (или цефальный индекс, cephalic index, CI) – соотношение длины и ширины черепа. Черепной указатель служит базовым критерием удлиненности или, наоборот, расширенности черепа, и в прошедшие два столетия в расистской науке его иногда использовали как меру “примитивности”: расы с удлиненными черепами считались наиболее отсталыми.
Моя диссертация была построена на подобных индексах и соотношениях, но также в ней применялся передовой для того времени многофакторный анализ, при котором большое число измерений (признаков) анализируется совместно, а не по отдельности. Экземпляры сравниваются в гипотетическом многомерном пространстве осей по так называемой статистической дистанции – это нечто вроде индекса, только рассчитанного не по двум признакам, а сразу по многим. Но я понимал, что даже с учетом этой “многомерной” оценки мои измерения не описывают форму черепа во всей ее полноте, особенно когда речь идет об изогнутых и выпуклых поверхностях, очень скудно размеченных измерительными реперами. Особенно явно этот недостаток проявлялся при измерении больших и маленьких черепов из одной и той же популяции. У них по мере увеличения размера (то есть по мере роста человека) менялись относительные пропорции разных частей (так называемая аллометрия), и у меня плохо получалось описать эти изменения с помощью методик 1970-х годов.
Но сегодня в нашем научном арсенале имеется геометрическая морфометрия, позволяющая и наглядно продемонстрировать, и обсчитать трехмерные формы таких сложных объектов, как череп. Для этого нужно отсканировать весь объект целиком на трехмерном сканере и затем на цифровой модели объекта – черепа или челюсти – через равные расстояния расставить виртуальные реперные метки. Такие метки включают сеть первичных реперных точек, на которые накладываются вторичные реперные точки; все они привязаны к традиционной системе промеров. В результате на мониторе появляется сетка точек, отражающая целостную форму того или иного объекта (например, кроманьонского черепа), и похожая сетка отражает другой объект (пусть это будет неандертальский череп), и их можно сравнивать с помощью наложения сеток или по отдельным линиям – линия за линией.
Примерно вот как это работает: программы геометрической морфометрии масштабируют изображения до одного размера, затем измеряют количество искажений, необходимое для полного совмещения всех точек, и заодно определяют, в каких местах требуются наименьшие искажения, а в каких наибольшие. Таким образом антропологам (в данном случае Катерине Харвати) удалось определенно доказать, что разница между неандертальскими и современными черепами одного и того же размера сопоставима с разницей между черепами любых двух видов ныне живущих приматов. Этим же способом были составлены последовательности возрастных изменений черепов – как череп меняется от детского до взрослого. А еще удалось “нарисовать портреты” предположительных промежуточных форм – кого мы поставим на эволюционном пути, скажем, между Homo erectus и современным человеком? – и потом сравнить получившиеся морфометрические типы с реальными ископаемыми Homo heidelbergensis. Особенно полезной оказалась геометрическая морфометрия, когда ее стали применять совместно с компьютерной томографией.
Всем известно имя Вильгельма Рентгена – немецкого физика, открывшего в 1895 году новый вид лучей, которые он назвал “икс-лучами”. Этим названием он постарался передать их тогда еще загадочную природу и за свое случайное открытие удостоился Нобелевской премии. А когда, экспериментируя с новооткрытыми лучами, он сфотографировал руку своей жены и на снимке отчетливо увидел каждую косточку, то сразу понял, что новая технология пригодится для медицинских нужд.
Вскоре рентгеновское излучение стало использоваться и для изучения ископаемых: например, с помощью рентгена изучали остатки неандертальцев из Крапины в Хорватии, а также гейдельбергскую челюсть, найденную в Германии. В течение XX века палеоантропологи активно использовали рентгенографию, однако выяснилось, что на обычных рентгеновских снимках изображения различных структур часто накладываются и заслоняют друг друга; кроме того, не всегда можно правильно оценить их размер из-за теней, искажающих пропорции.
Вскоре после открытия Рентгена итальянский радиолог Алессандро Валлебона предложил новый способ рентгеновской съемки с точным послойным фокусом, который получил название томографии (от греческих корней τομή – “сечение” и γράφω – “пишу”). В медицине этот метод нашел множество применений, а в начале 1970-х британец Годфри Хаунсфилд и американец Аллан Кормак независимо друг от друга разработали метод компьютерной томографии, за что оба в 1979 году были удостоены Нобелевской премии. КТ-сканер посылает к объекту сканирования сразу несколько лучей под разными углами, при этом измеряется сравнительное ослабление излучения при прохождении через объект, а затем на основе этих данных строится двумерное изображение слоя или трехмерное изображение целого объекта. То есть фактически на компьютерных КТ-изображениях показывается плотность ткани или материала, через который проходит рентгеновский луч. Так, проходя через воздушную пазуху, луч не ослабляется, давая сильный сигнал, а если он идет сквозь зуб или окаменевшую кость, сигнал получается слабее. Более того, поскольку КТ имеет возможность хорошей фокусировки, на изображениях видны различные детали объектов, не заметные на традиционных рентгеновских снимках. Методом КТ можно изучать даже микроструктуру костей и зубов.
По мере совершенствования технологии компьютерной томографии и соответствующего программного обеспечения расширяется круг ее использования в работах по эволюции человека. К примеру, уже в 1980-е годы в первых исследованиях с применением КТ удалось показать анатомию внутреннего уха у яванских питекантропов Homo erectus, до того не известную. Увы, качество изображений было весьма посредственным, и трудно было на их основе понять закономерности эволюции органа. Но прошло еще десять лет, и палеоантрополог Фред Спур взялся за изучение внутреннего уха у неандертальцев; нашлось несколько неандертальских черепов, у которых с помощью КТ удалось разглядеть тончайшие детали косточек внутреннего уха. И тогда впервые было продемонстрировано, что эти косточки по форме совсем не похожи на свои аналоги у людей современного типа.
Анатомически наше ухо делится на три части – наружное, среднее и внутреннее ухо. Наружное ухо собирает и передает звуковые волны через отверстие барабанной кости в среднее ухо, где в микроконструкции сцепленных косточек звуковые волны преобразуются в механическую вибрацию. Эти слуховые косточки среднего уха – молоточек, наковальня и стремечко – иногда сохраняются в окаменелых черепах, их находят где-то рядом со слуховым каналом. В отдельных случаях их можно увидеть и изучить даже без помощи КТ. Из этих редких находок мы знаем, что, к примеру, у испанских ранних неандертальцев из Атапуэрки косточки среднего уха сформированы так же, как у нас, вполне по-современному. То есть передача звукового сигнала шла по сходному пути: звук с помощью косточек среднего уха преобразуется в вибрацию, которая через жидкость и мембраны улитки передается во внутреннее ухо, где превращается в нервные импульсы, которые в конечном итоге отправляются в мозг. Именно так мы слышим звук.
Однако наше ухо не только слышит, у него есть и другие задачи. Во внутреннем ухе находится перепончатый лабиринт, помогающий контролировать равновесие и движения головы. Он состоит из двух частей: первая – это две камеры, заполненные жидкостью и выстланные тонкими волосками. Волоски могут улавливать смещения кристалликов кальцита, что неизбежно происходит при движениях головы и тела; таким образом, мы можем контролировать позицию головы. Другая часть представляет собой систему из трех петель, расположенных под углом 90 градусов одна к другой. Эти петли – полукружные каналы – тоже выстланы ресничками, реагирующими на колебания жидкости, то есть движения и повороты головы воспринимаются за счет движения жидкости в полукружных каналах. Именно полукружные каналы оказались особенно интересными при сравнении неандертальцев со всеми другими видами людей. Мы знаем, что размер и форма полукружных каналов закладываются еще до рождения и на всю жизнь остаются в таком законченном и неизменном виде. Поэтому любые различия в строении полукружных каналов – это генетически обусловленные, наследуемые признаки, а не результат влияния внешней среды.
Сегодня с помощью КТ исследованы уже около двадцати неандертальских черепов, и в результате обнаружилось, что у каждого из них полукружные каналы внутреннего уха немного отличаются от наших и по форме, и по ориентации. Это выглядит особенно интригующе в свете того, что у Homo erectus – предполагаемых предков как неандертальцев, так и ранних людей современного типа – полукружные каналы как раз очень похожи на наши. Иными словами, неандертальцы выбиваются из ряда. Но еще любопытнее, что у возможных европейских предков неандертальцев, представленных ископаемыми из Штайнхайма и Райлингена в Германии, наблюдается некоторое приближение к неандертальской конструкции. Значит, эта конструкция могла сформироваться именно у европейских жителей. Но почему?