En internationell forskargrupp ledd av forskare från USA och Spanien, och inklusive en geolog vid University of Michigan, har upptäckt en nästan komplett kranium av en tidig mänsklig förfader, uppskattningsvis för cirka 1,5 miljoner år sedan, och en partiell kranium daterad till cirka 1,26 miljoner år sedan, från studieområdet Gona i Etiopiens Afar State.

Både kranier, tilldelas Homo erectus, associerades med enkla Oldowan-typ (Mode 1) och mer komplexa Acheulian (Mode 2) stenverktygssammansättningar. Detta tyder på att H. erectus hade en grad av kulturell/beteendemässig plasticitet som ännu inte har förståtts fullt ut.

Teamet leddes av Sileshi Semaw från Centro Nacional de Investigación sobre la Evolución Humana (CENIEH) i Spanien och Michael Rogers från Southern Connecticut State University. UM-geologen Naomi Levin samordnade det geologiska arbetet för att fastställa fossilernas ålder och deras miljösammanhang.

Teamets resultat publicerades den 4 mars i tidskriften Vetenskapens framsteg .

Gona ligger i Etiopiens afartriangel, intill de välkända studieområdena Middle Awash och Hadar, där de berömda skeletten "Ardi" och "Lucy" hittades, respektive.

Den nästan kompletta kraniet upptäcktes vid Dana Aoule North (DAN5), och den partiella kraniet vid Busidima North (BSN12), platser som ligger 5,7 kilometer från varandra. Forskargruppen har undersökt Gona-fyndigheterna sedan 1999, och BSN12 partiell kranium upptäcktes av N. Toth vid Indiana University under den första säsongen. DAN5 kraniet hittades ett år senare av den sene Ibrahim Habib, en lokal Afar-kollega, på ett kamelspår.

BSN12 partiell kranium är robust och stort, medan DAN5 kranium är mindre och mer gracil, vilket tyder på att H. erectus förmodligen var en könsdimorf art. Anmärkningsvärt, DAN5 kraniet har den minsta endokraniella volymen dokumenterad för H. erectus i Afrika, cirka 590 kubikcentimeter, föreställer förmodligen en kvinna.

Den minsta Homo erectus kranium i Afrika, och de olika stenverktygen som finns i Gona, visa att mänskliga förfäder var mer varierande, både fysiskt och beteendemässigt, än tidigare känt, enligt forskarna.

Denna fysiska mångfald speglas av stenverktygsteknologierna som uppvisas av artefakterna som finns i samband med båda kranier. Istället för att bara hitta de förväntade stora handaxarna eller hackorna, signaturverktyg av H. erectus, Gona-teamet hittade både välgjorda handaxar och massor av mindre komplicerade Oldowan-verktyg och kärnor.

Verktygsmakarna på båda platserna bodde i närheten av gamla floder, i miljöer med flodskogar som gränsar till öppna livsmiljöer. Det låga δ13C isotopvärdet från DAN5 kraniet överensstämmer med en diet som domineras av C3-växter (träd och buskar, och/eller djur som åt mat från träd eller buskar) eller, alternativt, brett spektrum allätare.

UM:s Levin anslöt sig till forskargruppen som masterstudent 2001 och blev till slut den ledande geologen. Hon samordnade arbetet med att datera fossilerna och bestämma deras miljökontext, arbetar med ett tvärvetenskapligt team från flera institutioner.

Fossilernas åldrar och de tillhörande artefakterna begränsades med en mängd olika tekniker:standardfältkartläggning och stratigrafi, samt analyser av sedimentens magnetiska egenskaper, vulkanaskans kemi, och fördelningen av argon isotoper i vulkanisk aska.

"Att begränsa åldern på dessa platser visade sig vara särskilt utmanande, kräver flera experter som använder en rad tekniker under flera års fältarbete, sa Levin, en docent vid U-M institutionen för geo- och miljövetenskap och på programmet i miljön.

"Detta är ett bra exempel på vetenskapligt detektivarbete och hur vetenskap går till, utifrån en gemenskap av forskare och deras samlade kunskap om geologin i östra Afrika, sa Levin, som leder ett isotopgeokemi-labb som genomför studier av forntida miljöer med hjälp av kol- och syreisotoper.

Tillsammans med University of Arizona geolog Jay Quade, Levin samordnade också den miljömässiga återuppbyggnaden av Gona-platserna.

Vid Gona studieområde i Etiopiens Afar State, H. erectus använde lokalt tillgängliga kullerstenar för att tillverka sina verktyg, som nås från närliggande flodbäddar. Fossil fauna var riklig på BSN12-platsen, men skärmärken eller hammarstensslagna ben kunde inte identifieras.

På DAN5-webbplatsen, ett elefanttåben hittades med skärmärken från stenverktyg, och ett litet benben av antilop hade ett slagverk, antyder att H. erectus slaktade både stora och små däggdjur, även om det inte är klart om de jagade eller rensade sitt byte.

Det finns en vanlig uppfattning att tidig Homo (t.ex. Homo habilis) uppfann de första enkla (oldowanska) stenverktygen, men när H. erectus uppträdde för cirka 1,8 till 1,7 miljoner år sedan, en ny stenverktygsteknik som kallas Acheulian, med målmedvetet formade stora skärverktyg som handaxar, uppstod i Afrika.

Timingen, orsakerna till och arten av denna betydande övergång till Acheulian för cirka 1,7 miljoner år sedan är inte helt klarlagd, fastän, och är en fråga som diskuteras av arkeologer.

Författarna till Science Advances-tidningen sa att deras undersökningar vid DAN5 och BSN12 tydligt har visat att Oldowan-teknologin bestod mycket längre efter uppfinningen av Acheulian, indikerar en viss beteendeflexibilitet och kulturell komplexitet som utövas av H. erectus, en egenskap som inte helt förstås eller uppskattas inom paleoantropologi.

"Även om de flesta forskare inom området anser att Acheulian har ersatt den tidigare Oldowan (Mode 1) med 1,7 Ma, vår forskning har visat att Mode 1-teknik faktiskt förblev allestädes närvarande under hela paleolitikum, " sa Semaw.

"Den enkla uppfattningen att en enda homininart är ansvarig för en enda stenverktygsteknik stöds inte, Rogers sa. "Människans evolutionära berättelse är mer komplicerad."

DAN5- och BSN12-platserna i Gona är bland de tidigaste exemplen på H. erectus associerad med både Oldowan och Acheulian stensamlingar.

"Under de nästan 130 åren sedan dess första upptäckt i Java, H. erectus har återvunnits från många platser i Eurasien och Afrika. De nya lämningarna från Gona-studieområdet uppvisar en grad av biologisk mångfald i Afrika som inte hade setts tidigare, särskilt den lilla storleken på DAN5 kranium, " sa studiens medförfattare Scott Simpson från Case Western Reserve University.

"Den partiella kraniet BSN12 ger också bevis som kopplar samman de afrikanska och östasiatiska fossilerna, visar hur framgångsrik Homo erectus var."

I Afrika, vissa hävdar att flera homininarter kan ha varit ansvariga för de två distinkta samtida stenteknologierna, Oldowan och Acheulian. Tvärtom, bevisen från Gona tyder på en långvarig och samtidig användning av både Oldowan och Acheulian teknologier av en enda långlivad art, H. erectus, vars variabla uttryck förtjänar fortsatt forskning, enligt forskarna.

"En utmaning i framtiden kommer att vara att bättre förstå attributen för stenverktyg som sannolikt kommer att föras vidare genom kulturell tradition jämfört med andra som är mer benägna att återuppfinnas av olika hominingrupper, " sa Rogers.

Science Advances-artikeln har titeln "Samtidig förekomst av Acheulian och Oldowan artefakter med Homo erectus kranialfossiler från Gona, Fjärran, Etiopien."