人类直立行走起源于树栖双臂臂行猜想与相关古人体演化力学论证

摘要

直立行走使得人体和人类社会开始走向了独特的演化之路，它既是人类起源的标志，又是人类演化的生物学基础。
　　但人类究竟是如何演化出直立行走行为的呢？人们从多个角度为此提出了各式各样的假说和理论，其中较为系统且有一定合理性的理论竟然多达30多种，遗憾的是，大多数认真思考过这个问题的人们特别是人类学学者们都觉得这些假说缺乏强有力的说服力，人类直立行走的演化依然是一难解之谜。
　　本文从运动力学的角度结合古人类化石特征对古人类树栖运动方式作出了一个合理猜测-----双臂摆荡是树栖时期人类祖先经常性采用的运动模式，并运用力学基本原理对人体由此导致的适应性演变进行了较为详细的力学分析，较为充分的论证了古人类这种树栖运动方式是直立行走行为的合适过渡，古人类双臂摆荡行为是后来直立行走演化的直接原因。
　　正是由于古人类为适应双臂摆运动方式导致的身体结构优化，使得其上肢长度短于下肢，而且躯干短于上肢，这种体型使得人类无法像非洲大猿一样用指背行走，也不能像猩猩和猴类一样用拳或掌行走。另一方面，双臂摆动要求古人类髋关节和膝关节完全打开伸直，腰椎也必须形成特殊的 S形曲线，这些都为直立行走打下了基础。通过对半直立人体模型进行数值模拟应力分析，我们发现半直立其实是一种很不稳定的力学结构，其大量的肌群处于紧张用力对抗自身重力的状态。由此，所有认为古人类经历了长时间的半直立状态最后终于站起来的假设我们认为都是不可靠的。故人类并不是在稀树草原上努力克服重力站起来的，而是树枝上摆动时受重力和离心力共同拉伸作用而直立的。
　　本文从力学的角度，结合古人类化石详细介绍了人体各个部位骨骼的演化与双臂摆动运动之间的关系，并对现代人体长度比例做了详细测量以验证本文的理论预测。
　　此外，通过建立力学模型对以下一些有趣的问题做出了合适的分析和解答：
　　(1)与亲缘关系最近的黑猩猩相比较，人类的身体为何如此修长？
　　(2)为什么唯有人体的上肢短于下肢，躯干短于上肢？而其他猿类的上肢都要长于下肢。
　　(3)人类的大拇指为什么这么长，而手掌却较短？在确认古人类经常性制作和拿握工具之前他们就已经进化出了长而弯曲的大拇指，一些著名古人类的拇指化石甚至显示其长度明显超过现代人。
　　(4)为何唯有人类的颈部如此细长？
　　(5)为何人类的肩膀宽阔，胸背扁平？
　　(6)为何人类的肩胛骨平行于背面而不是像其他猿类一样与背面斜交？
　　(7)为何人类的腰腹如此细长灵活？一些古人类腰椎化石显示其可能具有6节腰椎，(古化石 STS14，Lucy等)甚至胸椎和骶椎也具有腰椎的功能，而黑猩猩只有两节可自由活动的腰椎。
　　(8)为何人类的脊椎要有如此多前后方向的弯曲？
　　(9)化石显示古人类的髋部比现代人还要宽阔的多，可是当初人类的大脑较小，如果不是生育要求所致又不利于行走，是什么原因致使其进化出如此宽阔的髋部？
　　(10)古人类足迹化石显示，人类的足弓至少已有三百二十万年历史，比人类狩猎历史还要久远得多，那我们的足弓是如何形成的？
　　(11)人类足部与四趾并行的拇趾是怎样形成的？
　　(12)什么优势使得奔跑速度缓慢的人类能够在两百多万年至一两万年前这段时期拥有一个较为成功的狩猎演化历程？
　　(13)古人类能否直接对抗重力由半直立慢慢演变为直立？
　　综合本文人体动力学结论以及对众多化石资料的详细分析，我认为人类直立行走行为是树上在重力的帮助下而非在地面上与重力对抗中演化而来的。

目录

封面

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英文摘要

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1 绪 论

1.1 生物演化与力学

1.2 人类起源理论简介

1.3 著名古人类化石介绍

1.4 分子生物学与人类起源理论

1.5 本文研究目的，内容，意义

2 人猿臂行简易摆频率极值分析

2.1 引言

2.2 人猿臂行摆动方式演化与耦合共振

2.3 大角度摆动频率极值分析

2.4本章总结

3 人猿臂行复摆模型摆频极值分析

3.1 前言

3.2 古人体模型(参考南方古猿)及其小角度摆动解析解

3.3 古人(南方古猿露西为参考)大角度摆动数值解

3.4 人体脊椎S曲线形成与步行姿势

3.5 长臂猿单臂摆动简易杆模型

3.6现代人身体结构测量

3.7本章总结

4 人类直立行走起源力学分析与化石证据

4.1 引言

4.2 双臂摆荡力学分析与古人类化石证据

4.3 灵长类上下肢比例与行走方式

4.4 人类狩猎能力与双臂飞摆的关系

4.5 数值模拟----人类能够由半直立姿势对抗重力作用慢慢直立起来吗？

4.6 对恩格斯著作《劳动在从猿到人转变过程中的作用》简单评论

4.7古人类骨骼化石力学性能预测与人类起源理论验证

4.8 总结与讨论

5 总结和展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 著名古人类化石简介

B．人类进化树

C. 作者攻读博士学位期间的研究成果