Det har varit ett extraordinärt år av undersökningar och upptäckter vid Earth Institute. Under december månad, när 2017 går mot sitt slut, vi kommer att dela berättelser som lyfter fram några av våra forskares enastående arbete.

Berättelsen om mänsklig evolution är rotad i östra Afrika, där homininer, förfäders arter som är direkt relaterade till människor, dök först upp. En avlägsen ökenregion runt nordvästra Kenyas Turkanasjö är källan till många viktiga tidiga mänskliga fossiler och artefakter. Denna region är där Lamont-Doherty Earth Observatory paleoekolog och geokemist Kevin Uno har samlat in fossiler och sediment, söka efter bevis om klimatet, vegetation, djur, och vatten tillgängligt för våra förfäder för miljoner år sedan. Bland Unos mål är att förstå klimatets roll i människans evolution.

"Folk är nyfikna på hur vi som människor kom hit. Jag försöker förstå vilken roll klimatförändringarna spelade i utvecklingen av vår art, " sa Uno. Hans tidiga upptäckter ger oss ny information om människans tillkomst och väcker fascinerande nya frågor.

I en studie som släpptes i juni 2016, Uno och ett team från Lamont, inklusive geokemisten Pratigya Polissar och paleoklimatologen Peter deMenocal, gav ett 24-miljonerårigt rekord av vegetationstrender i östra Afrika. Uppteckningen ger tyngd åt tanken att människor utvecklade nyckelegenskaper - flexibla dieter, stora hjärnor, komplexa sociala strukturer, och förmågan att gå och springa på två ben – samtidigt som man anpassar sig till spridningen av öppna gräsmarker. Fynden tyder starkt på att för mellan 24 miljoner och 10 miljoner år sedan, långt innan några direkta mänskliga förfäder dök upp, det var få gräs och skogsmarker som förmodligen dominerades. Sedan, med en uppenbar förändring i klimatet, gräs började dyka upp. Studien visar att trenden fortsatte genom all känd mänsklig evolution, vilket ledde till en dominans av gräs för några miljoner år sedan.

"Hela utvecklingen av vår härstamning har inneburit att vi bor och arbetar i eller nära gräsmarker, sa Uno.

Det här året, Uno deltog i fältexpeditioner till Turkanabassängområdet på både östra och västra sidan av Turkanasjön. Han och hans team försökte lära sig mer om hur klimatet har varierat under de senaste fem miljoner åren.

"Jag ville gå till de fossila homininplatserna och se om vi kunde använda organiska geokemiverktyg, vilket är något vi verkligen aldrig hade gjort förut. Vi vill lära oss nya saker om klimatet, vegetation, och miljökontext för våra förfäder, " sa Uno. Upptäckten av 3,3 miljoner år gamla stenverktyg – de äldsta i världen – ledde Uno till att söka efter ledtrådar om miljökontexten för tidiga människor när de skapade och arbetade med dessa verktyg.

För att rekonstruera gamla livsmiljöer, Uno och hans kollegor hämtar information från två källor:lövvaxer från växter som levde för miljoner år sedan och som nu finns bevarade i fossila jordar, och gamla däggdjurständer, som de från elefanter och flodhästar. Kemisk och isotopanalys av dessa material i laboratorier på Lamont gör det möjligt för forskare att urskilja växterna, djur, och vattenkällor som fanns tillgängliga i ekosystemet för dessa djur att äta och dricka.

"Tänder är unika eftersom de bildas allt från ett år till tio år hos stora djur, och det är som en liten datalogger eller tidskapsel från miljoner år sedan, " sa Uno. Hans tidiga analys indikerar att förändrade nederbördsmönster, från en till två regnperioder per år, kan ha haft en betydande inverkan på växtlighet och djur.

"En stor fråga till mig är, hur länge har de två regnperioderna funnits?" Unos preliminära data pekar på en enda årlig regnperiod för cirka 3,5 miljoner år sedan.

"Jag försöker förstå utvecklingen av det moderna systemet med två regnperioder per år. När det är riktigt varmt, som det är i östra Afrika, vatten har betydelse. Du lägger till regn och saker blir gröna och djuren är glada, medan långa torrperioder är mycket utmanande för dem. Hur klarade homininer förändringar i tillgången på sina matkällor? Det är en av frågorna jag arbetar med genom att analysera tänder."

Genom att spåra biomarkörerna på gamla växtvaxer, Uno får ett bredare perspektiv på regionens vegetationshistoria.

"Om du tittar på isotoper i tänder, de har filtrerats genom djurets kostval. Men med biomarkörerna för växtvax, du tittar på verkliga rester av gamla växter, och de registrerar hela landskapet. De bevaras i miljontals år eftersom dessa vaxartade beläggningar på bladen består av mättade kolväten, som är väldigt svåra att bryta ner."

Klimatet är en nyckelfaktor som avgör vilka typer av vegetation som kan växa i ett ekosystem. Genom att återskapa växtnäringen och livsmiljön som är tillgänglig vid en given tidpunkt, det är möjligt att lära sig om förändringar som inträffade under viktiga övergångar i människans evolution. Av särskilt intresse för Uno är en tidsperiod som kallas pliocen-epoken, vilket var sista gången jorden upplevde atmosfäriska CO2-nivåer så höga som de är idag. Då låg CO2-nivåerna på cirka 400 delar per miljon (ppm), och det är ungefär där de är just nu.

Pliocen inträffade för mellan 5,3 och 2,6 miljoner år sedan, en tidsperiod då många däggdjur och fåglar utvecklades till ungefär moderna former och när tidiga homininer först dök upp. Uno förklarar att av alla fossiler från Turkanabassängen som tros vara från Pliocen, mindre än en procent kommer från homininer. Forskare tror att fyndet tyder på att få homininer bebodde jorden jämfört med andra djur. De har också upptäckt en mängd olika homininarter.

"Under de senaste fem åren har vi funnit att det fanns en mycket större mångfald av homininer i Pliocen, fem till sex arter fler än man först trodde, sa Uno. Det har varit omöjligt att avgöra vilka som är våra direkta förfäder. Det har varit som att leta efter en nål i en höstack.

Hur noggrann Unos forskning än är, djupt viktiga frågor driver hans arbete.

"Jag tycker att det är fascinerande att våra homininförfäder var så låga i överflöd, kanske bara tiotals eller hundratusentals, men nu är vi 7,5 miljarder. Det är svårt att föreställa sig detta, men under lång tid, homininer var inte den dominerande arten på jorden som vi är idag, sa Uno.

Att utforska miljökontexten för pliocentiden kommer att hjälpa till att berätta historien om vilka dessa homininer var, varför det fanns olika arter, och möjligen hur och varför en form ledde till utvecklingen av moderna människor.

"Idag är vi på väg in i en varmare värld, en med svårare väder och en mängd andra utmaningar som våra samhällen kommer att möta. Det är viktigt att pausa och titta tillbaka från där vi kom." Uno noterar, "Kännetecknet för moderna människor är att vi är så anpassningsbara. Det är en underbar sak med vår art."

Den här historien är återpublicerad med tillstånd av Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.