Hanar av den utdöda mänskliga arten Paranthropus robustus ansågs vara betydligt större än honor - ungefär som storleksskillnaderna som ses hos moderna primater som gorillor, orangutanger och babianer. Men en ny fossil upptäckt i Sydafrika tyder istället på att P. robustus utvecklades snabbt under en turbulent period av lokala klimatförändringar för cirka 2 miljoner år sedan, resulterar i anatomiska förändringar som tidigare tillskrevs sex.

Ett internationellt forskarlag inklusive antropologer vid Washington University i St Louis rapporterade sin upptäckt från det fossilrika Drimolens grottsystem nordväst om Johannesburg i tidskriften Naturekologi och evolution den 9 nov.

"Det här är den typen av fenomen som kan vara svåra att dokumentera i fossilregistret, särskilt med hänsyn till tidig mänsklig evolution, sa David Strait, professor i biologisk antropologi i konst och vetenskap vid Washington University.

Det anmärkningsvärt välbevarade fossilet som beskrivs i tidningen upptäcktes av en student, Samantha bra, som deltog i Drimolen Cave Field School som leds av Strait.

Forskare visste redan att uppkomsten av P. robustus i Sydafrika ungefär sammanföll med försvinnandet av Australopithecus, en något mer primitiv tidig människa, och framväxten i regionen av tidiga representanter för Homo, släktet som moderna människor tillhör. Denna övergång skedde mycket snabbt, kanske inom bara några tiotusentals år.

"Arbetshypotesen har varit att klimatförändringar skapade stress i populationer av Australopithecus som så småningom ledde till deras bortgång, men att miljöförhållandena var mer gynnsamma för Homo och Paranthropus, som kan ha spridit sig i regionen från någon annanstans, "Sade Strait. "Vi ser nu att miljöförhållandena förmodligen också var stressande för Paranthropus, och att de behövde anpassa sig för att överleva."

Det nya exemplaret som upptäcktes vid Drimolen, identifierad som DNH 155, är helt klart en hane men skiljer sig på viktiga sätt från andra P. robustus som tidigare upptäckts på den närliggande platsen Swartkrans - där de flesta fossilerna av denna art har hittats.

Evolution inom en art kan vara svår att se i fossilregistret. Förändringar kan vara subtila, och fossilregistret är notoriskt ofullständigt.

Vanligtvis, fossilregistret avslöjar mönster i större skala, som när arter eller grupper av arter antingen förekommer i fossilregistret eller dör ut. Så denna Drimolens upptäckt ger ett sällan skådat fönster in i tidig mänsklig evolution.

Det nya exemplaret är större än en välstuderad medlem av arten som tidigare upptäckts vid Drimolen - en individ känd som DNH 7, och antas vara hona — men är mätbart mindre än antagna hanar från Swartkrans.

"Det ser nu ut som om skillnaden mellan de två platserna inte bara kan förklaras som skillnader mellan män och kvinnor, utan snarare som skillnader på befolkningsnivå mellan platserna, sa Jesse Martin, en doktorand vid La Trobe University och den första författaren till studien. "Vårt senaste arbete har visat att Drimolen föregår Swartkrans med cirka 200, 000 år, så vi tror att P. robustus har utvecklats över tiden, med Drimolen som representerar en tidig befolkning och Swartkrans som representerar en senare, mer anatomiskt härledd befolkning."

"Man kan använda fossilregistret för att hjälpa till att rekonstruera de evolutionära förhållandena mellan arter, och det mönstret kan ge alla möjliga insikter i de processer som formade utvecklingen av särskilda grupper, " sa Martin. "Men i fallet med P. robustus, vi kan se diskreta prover av arten från samma geografiska region men lite olika tider som uppvisar subtila anatomiska skillnader, och det är förenligt med förändringar inom en art."

"Det är väldigt viktigt att kunna dokumentera evolutionära förändringar inom en linje, " sa Angeline Leece från La Trobe University, den andra första författaren till studien. "Det tillåter oss att ställa mycket fokuserade frågor om evolutionära processer. Till exempel, vi vet nu att tandstorleken förändras över tiden i arten, vilket väcker frågan om varför. Det finns skäl att tro att miljöförändringar placerade dessa populationer under koststress, och det pekar på framtida forskning som kommer att låta oss testa denna möjlighet."

Medledare för Drimolen-projektet, La Trobe Universitys Andy Herries sa, "Som alla andra varelser på jorden, våra förfäder anpassade sig och utvecklades i enlighet med landskapet och miljön runt dem. För första gången i Sydafrika, vi har dateringsupplösningen och morfologiska bevis som gör att vi kan se sådana förändringar i en uråldrig homininlinje genom ett kort tidsfönster."

Bevisen på snabba men betydande klimatförändringar under denna period i Sydafrika kommer från en mängd olika källor. Kritiskt, fossiler indikerar att vissa däggdjur associerade med skogs- eller buskmarksmiljöer dog ut eller blev mindre vanliga – medan andra arter associerade med torrare, mer öppna miljöer dök upp lokalt för första gången.

"P. robustus är anmärkningsvärd genom att den har ett antal egenskaper i sin kranium, käkar och tänder som indikerar att den var anpassad för att äta en diet bestående av antingen mycket hård eller mycket hård mat, "Sade Strait. "Vi tror att dessa anpassningar gjorde det möjligt för den att överleva på livsmedel som var mekaniskt svåra att äta eftersom miljön förändrades till att vara svalare och torrare, leder till förändringar i lokal vegetation.

"Men exemplaren från Drimolen uppvisar skelettdrag som tyder på att deras tuggmuskler var placerade på ett sådant sätt att de gjorde dem mindre kapabla att bita och tugga med lika mycket kraft som den senare P. robustus populationen från Swartkrans, " sade han. "Under loppet av 200, 000 år, ett torrt klimat ledde sannolikt till naturligt urval som gynnar utvecklingen av en mer effektiv och kraftfull utfodringsapparat hos arten."

Leece sa att det var anmärkningsvärt att P. robustus dök upp ungefär samtidigt som vår direkta förfader Homo erectus, som dokumenterats av ett spädbarn H. erectus cranium som teamet upptäckte på samma Drimolen-plats 2015.

"Dessa två väldigt olika arter, H. erectus med sina relativt stora hjärnor och små tänder, och P. robustus med sina relativt stora tänder och små hjärnor, representerar divergerande evolutionära experiment, " sa Leece. "Medan vi var den härstamning som vann till slut, fossilerna tyder på att P. robustus var mycket vanligare än H. erectus i landskapet för två miljoner år sedan."

Mer allmänt, forskarna tror att denna upptäckt tjänar som en varnande berättelse för att känna igen arter i fossilregistret.

Ett stort antal fossila mänskliga arter har upptäckts under det senaste kvartsseklet, och många av dessa nya artbeteckningar är baserade på ett litet antal fossil från endast en eller några få platser i små geografiska områden och smala tidsintervall.

"Vi tror att paleoantropologi måste vara lite mer kritisk när det gäller att tolka variation i anatomi som bevis för närvaron av flera arter, " sa Strait. "Beroende på åldern på fossila prover, skillnader i benanatomi kan representera förändringar inom linjer snarare än bevis på flera arter."

Projektets meddirektör Stephanie Baker vid University of Johannesburg tillade, "Drimolen håller snabbt på att bli en hotspot för tidiga upptäckter av hominin, vilket är ett bevis på det nuvarande lagets engagemang för holistisk utgrävning och analys efter fält. DNH 155 kraniet är ett av de bäst bevarade P. robustus-exemplaren som är kända för vetenskapen. Detta är ett exempel på vad försiktig, finskalig forskning kan berätta om våra avlägsna förfäder."