Växterna som skapade människan

Vår art Homo sapiens är den senaste av en lång rad upprättgående homininer, samlingsnamnet för oss och våra föregångare. Det är den upprätta gången som förenar homininerna. Men trots detta så vet inte forskarna varför den utvecklades, varför det skulle vara bättre att gå på två ben än fyra.

En teori är att den upprätta gången är en anpassning till ett liv på en öppen savann, en miljö som ersatte regnskogarna i samband med att klimatet blev torrare och kallare. Men innan man kan börja fundera över varför tvåbentheten skulle vara så fördelaktig i ett öppet landskap, så måste man först bevisa att en sådan miljö faktiskt existerade när de första människoarterna såg dagens ljus. Det är ingen lätt uppgift.

Den flora som finns i öppna gräslandskap ger sällan upphov till några nämnvärda mängder fossil. Men förmultnade växter kan efterlämna kemiska ledtrådar och forskarna blir allt bättre på att hitta och tyda dessa ledtrådar. Vind, regn och vattendrag ser till att frön, blad och grenar från landväxter hamnar i haven. Växtmaterialet sjunker så småningom till botten där det bryts ner och blir en del av sedimentet. Den här processen har pågått sedan de första landväxterna uppstod för 450 miljoner år sedan. Sedimentlagren bildar alltså ett slags tidsarkiv över kontinenternas landväxter.

Det är inget lättläst arkiv. Man måste använda specialkonstruerade fartyg med en rigg som liknar de som finns på oljeplattformar. En borrkrona som är fäst vid ett ihåligt rör sänks ner till botten, som kan befinna sig på flera kilometers djup. Röret förlängs med nya sektioner allt eftersom borrhålet blir djupare. Målet är att lyckas få upp en obruten borrkärna, det vill säga sammanpackat sediment som bildar en lång cylindrisk enhet.

Amerikanska forskare har analyserat ett antal borrkärnor som kommer från Röda havet och från Somalias och Kenyas kustvatten. Dessa havsområden ligger nära det östafrikanska gravsänkesystemet vars sedimentära berglager utgör fyndplatser för ett stort antal homininer. Forskarnas provtagning når 500 meter ner i havsbottnarnas sediment. Det motsvarar en resa som sträcker sig 24 miljoner år tillbaka i tiden. De sedimentlager som bildades för ungefär sju miljoner år sedan – då människosläktets historia började – finns 200–300 meter ner i havsbottnarna.

En del sedimentlager i borrkärnorna innehåller aska från vulkanutbrott. Forskarna kan se om askan kommer från vulkanutbrott som ägde rum i Östafrika under människosläktets utveckling.

– Det beror på att vulkanaska kan ha en kemisk sammansättning som är så pass unik att den fungerar som ett geologiskt fingeravtryck, säger Kevin Uno, forskare vid Columbia university i USA, som är huvudansvarig för undersökningarna.

Om aska från Östafrikas vulkaner dyker upp i sedimentproverna från havsbottnarna, så är det rimligt att växtresterna i samma sedimentlager härstammar från landväxter som fanns i samma områden som vulkanerna, menar forskarna.

Genom att analysera halterna av kolisotoper i sedimentlagren kan forskarna få en fingervisning om hur förhållandet mellan skog och öppet gräslandskap förändrades under människans utveckling. De kolisotoper som forskarna studerar kommer från kolföreningar som fanns i vaxlager som täcker bladytorna på landväxter. Kolisotopernas sammansättning speglar i sin tur vilken sorts fotosyntes växterna hade.

Många av de träd, buskar och örter som finns i Afrikas skogar har så kallad C3-fotosyntes, medan många gräsarter som trivs på torra savanner har en annan sorts fotosyntes, som kallas C4.

– C4-fotosyntesen tillåter växter att fixera koldioxid utan att behöva hålla sina bladporer öppna lika länge som C3-växter behöver, så de förlorar inte lika mycket vatten som C3-växterna. Det gör att C4-växterna gynnas i hett, torrt klimat med sommarregn, säger Caroline Strömberg, professor i paleobotanik vid University of Washington i USA.

Koldioxiden i atmosfären innehåller små mängder av den stabila isotopen kol-13. Tack vare sin speciella fotosyntes så fixerar C4-växterna mer av isotopen kol-13 än vad C3-växterna gör. Så ju högre halter av kol-13 i havsbottens sedimentlager, desto mer C4-växter fanns det på land under den tidsperiod som sedimentlagren härstammar från.

De isotopanalyser som Kevin Uno med kollegor presenterar sträcker sig 24 miljoner år tillbaka i tiden. Analyserna visar att C3-växterna dominerade i Östafrika tills för tio miljoner år sedan. Därefter började en gradvis ökning av mängden C4-växter som fortsatte ända fram till modern tid.

Människosläktet är ungefär sju miljoner år gammalt. Det betyder att C4-växternas spridning började flera miljoner år innan våra första släktingar uppstod.

– Men det finns inga bevis för vidsträckta grässlätter förrän långt senare – de dök upp för två till tre miljoner år sedan. Men våra analyser visar att gräsmarkernas expansion har pågått under människosläktets hela utveckling,

Med det sagt så kan vi börja fundera på om det framväxande öppna gräslandskapet är orsaken till att vi började gå upprätt, säger Kevin Uno.

Darwin trodde att tvåbentheten uppstod som en följd av redskapshantering. Han föreställde sig att våra förfäder utvecklade stora hjärnor medan de fortfarande var trädlevande. Ökad intelligens skapade förutsättningarna för redskapshanteringen, men den krävde förstås att händerna frigjordes från trädklättringen. Därför lämnade våra förfäder träden och började leva på marken som tvåbenta varelser.

I dag vet vi att Darwin hade fel. Fossil visar att den upprätta gången utvecklades långt före redskapsanvändningen och att stora hjärnor är en egenskap som uppstod ganska sent i människosläktets historia.

En av de allra äldsta arterna på vårt släktträd kallas Sahelanthropus tchadensis. Dess kranium rymde en hjärna som var något mindre än schimpansens. Förbindelsen mellan kraniet och ryggraden, stora nackhålet, var placerad förhållandevis långt fram på kraniet. Det indikerar att ryggen hade en ganska lodrätt position – om S. tchadensis hade gått på alla fyra så skulle alltså ansiktet ha pekat mer nedåt än framåt. Naturligtvis så har även vi stora nackhålet långt fram på kraniet, men hos apor och andra fyrbenta varelser är nackhålet placerat längre bak på kraniet, eftersom ryggraden hålls i en mer vågrätt position.

En teori är att tvåbentheten uppkom som en anpassning till en miljö dominerad av högväxt gräs, där den upprätta hållningen skulle medföra att det blev lättare att se annalkande faror eller lämpliga byten. Det finns även forskare som menar att tvåbentheten utvecklades som ett skydd mot hettan i det öppna gräslandskapet, eftersom en lodrät kropp blir mindre solexponerad än en vågrätt kropp, när solen står högt på himlen.

Studier av schimpanser visar att det främsta skälet till att de ställer sig upp är för att nå frukt. En teori är att våra tidigaste släktingar, som hade en kroppsbyggnad som liknade schimpansens, specialiserade sig på detta beteende: De plockade frukt från lågvuxna träd och buskar som var utspridda i ett öppet gräslandskap. Detta krävde en förmåga att kunna vandra långa sträckor samt att kunna sträcka på sig för att nå mat, vilket ledde till en gradvis anpassning mot en upprätt kroppshållning.

Dessa exempel utgör endast en bråkdel av alla teorier om orsakerna till att vi blev tvåbenta. Merparten av teorierna går att sammanföra utan större konflikter – det är alltså troligt att flera olika faktorer kan ha bidragit.

Kolisotoperna från havsbottnarnas sediment ger en ganska grov bild av de växter som existerade i Östafrika under människosläktets utveckling. Det är till exempel svårt att veta om C4-växterna var gräsarter eller andra sorters växter.

– Eftersom C4-gräs dominerar i dessa områden i dag är det naturligt att tänka sig att det var C4-gräs som expanderade då också, säger Caroline Strömberg.

Caroline Strömberg är expert på en sorts växtlämningar som kallas fytoliter. Det är små kiselkristaller som finns i växtcellerna och som blir kvar i marken efter det att växten brutits ner. Fytoliterna skiljer sig åt mellan växtsläktena och kan därför ge en mer detaljerad bild av svunna växtsamhällen än vad kolisotoper kan ge.

– Isotoperna visar andelen C4-växter men inte om dessa växter var gräsarter. Fytoliterna kan visa andelarna C3- respektive C4-gräsarter samt andelen träd och buskar.

Amerikanska forskare har använt analyser av fytoliter till att undersöka hur Awashdalen i Etiopien såg ut för drygt fyra miljoner år sedan, då vår förfader Ardipithecus ramidus levde där. Enligt forskarnas beräkningar så var Awashdalen till stor del bevuxen med skog under Ardipithecus ramidus levnad. Men resultatet har ifrågasatts och omtolkats av andra forskare, berättar Caroline Strömberg. Det nya budet är att Awashdalen var ett gräsdominerat landskap med ungefär 25 procent skog.

– En skillnad jämfört med i dag är att det fanns avsevärt många fler palmer på den tiden. Så Awashdalen var alltså en savann med C4-växter och en del träd, varav många var palmer, säger Caroline Strömberg.

Även utdöda växtätare kan ge en fingervisning om hur vegetationen såg ut för miljontals år sedan, enligt principen ”du är vad du äter”. Eller snarare ”du var vad du åt”.

Det kol som ingår i djurkroppars vävnad kommer ursprungligen från födan. Vissa sorters mat, som fisk, kött och växter, efterlämnar en specifik sammansättning av kolisotoper i djurens vävnad. Därför kan isotopanalyser av vävnad ge en bild av djurets matvanor.

När det gäller växtätare så kan isotoperna avslöja fördelningen mellan C3- respektive C4-växter i dieten. Det innebär att kolisotoper från fossila växtätare kan ge en fingervisning om hur växtsamhället såg ut när djuret levde – de kan avslöja om skogarnas C3-växter eller de öppna landskapens C4-växter dominerade. De bäst bevarade kolisotoperna hittar man i de fossila djurens tandemalj.

– Det beror på att tandemaljen är så hård att den inte fossileras, säger Lars Werdelin, som är professor i paleozoologi vid Naturhistoriska riksmuseet i Stockholm.

Lars Werdelin berättar att tandemaljen formas tidigt under däggdjurens uppväxt, medan de fortfarande diar.

– Det innebär att kolisotoperna i emaljen egentligen speglar vad mamman åt, men när man talar om djur som levde för miljoner år sedan så spelar en generation hit eller dit mindre roll.

Kevin Uno och hans kollegor har jämfört sina analyser av kolisotoper från havsbottnarna med tillgänglig data om kolisotoper i tandemalj hos utdöda växtätande däggdjur. Forskarna ser ett tydligt samband: För tio miljoner år sedan ökar andelen isotoper som signalerar en diet baserad på C4-växter i de växtätande däggdjurens emalj. Kolisotoperna från tänderna berättar alltså samma historia som kolisotoperna från havsbottnarnas sediment: Det blev mer gräs och mindre skog – och växtätarna anpassades till nya förhållanden. Även vissa homininer började äta allt mer C4-växter.

En av de första homininerna som åt mycket C4-växter heter Australopithecus bahrelghazali – och dyker upp i Centralafrika för 3,6 miljoner år sedan. En annan växtätare är Paranthropus boisei som levde för 2,3–1,2 miljoner år sedan. Arten hade kraftiga käkar med stora platta tänder – det första exemplaret som hittades brukar kallas nötknäckarmannen, eftersom man antog att han levde på hårda nötter och frön. Men isotopanalyser av nötknäckarmannens tandemalj avslöjar att smeknamnet borde ändras till gräsätarmannen.

Enligt beräkningar utförda av forskare från USA och Kenya så hade Paranthropus boisei en kost som till 77 procent bestod av C4-växter. Det betyder att denna förfader hade samma matvanor som hästar och andra samtida hovdjur. Forskarna tror att Paranthropus boisei åt gräs och möjligtvis halvgräs och att de kraftiga käkarna var till för att mala växter, snarare än för att tugga hårda frön och nötter. Totalt har tre arter av Paranthropus beskrivits och samtliga har ovanligt kraftiga käkar, vilket skulle kunna tolkas som att de alla var specialiserade gräsätare. Men en studie av arten Paranthropus robustus funnen i Sydafrika indikerar att denna förfader snarare var en generalist med ganska varierande kost. Släktet Paranthropus levde sida vid sida med vårt eget släkte Homo under drygt en miljon år.

De flesta forskare verkar vara överens om att det framväxande gräslandskapet blev en utmaning för homininerna. C4-växterna var svårtuggade och näringsfattiga. Det öppna landskapet var fyllt av faror och värmen mitt på dagen var skoningslös. Paranthropus – som hade levt sida vid sida med vårt släkte Homo i drygt en miljon år – dog ut, medan Homo klarade sig genom sin goda anpassningsförmåga.

– Våra släktingar Homo klarade utmaningarna genom att förändra kosten. De började äta mer C4-växter och med tiden allt mer kött. De klarade detta genom att utveckla redskap och sociala förmågor som att samarbeta för att samla mat, jaga och ta andra djurs byten, säger Kevin Uno.

I det här scenariot har människan en ganska passiv roll i utvecklingen. Det är klimatet som styr, det förändrar vegetationen och människan måste anpassa sig till de nya förutsättningarna. Lars Werdelin, däremot, anser att människan har haft en mer aktiv roll.

– Det är ett samspel mellan klimatförändringar och biologiska processer, säger han.

Lars Werdelin är expert på Afrikas utdöda rovdjur. Tillsammans med kollegan Margaret Lewis har han kartlagt förändringarna i Östafrikas rovdjursfauna flera miljoner tillbaka i tiden. Forskarnas analyser visar att när Homo erectus dyker upp för ungefär 1,9 miljoner år sedan så börjar det gå utför med de stora rovdjuren: Antalet arter sjunker från ett tjugotal till de sex arter som finns i dag, som är: lejon, leopard, gepard, vildhund samt två sorters hyenor.

– Homo erectus jagade antagligen inte rovdjuren utan konkurrerade ut dem genom att ta deras byten, säger Lars Werdelin.

De små rovdjursarterna klarade sig. Detta är en av orsakerna till att man kan utesluta att utdöendena orsakades av klimatförändringar, för om så var fallet så borde ju även de små arterna ha försvunnit.

Om antalet stora rovdjursarter minskar så kan man förvänta sig att växtätarnas bestånd ökar. På sikt kan det också bli fler arter av växtätare. Detta påverkar naturligtvis växtligheten.

– Föreställ dig den svenska naturen med eller utan vargar. Utan vargarna får vi mer älgar och ett ökat betestryck på skogen. Det leder till mer öppna marker och mindre skog. Med vargarna så får vi mer skog och mindre öppen mark, säger Lars Werdelin.

Lars Werdelin med kollegor har undersökt hur klimatet förändrades i Östafrika under människosläktets utveckling. Klimatberäkningarna är baserade på en analys av tänder med en metod som har utvecklats av forskare vid Helsingfors universitet. I detta fall rör det sig inte om kolisotoper, utan om tändernas form och funktion.

Hos växtätare är tandkronornas höjd anpassad till nötningen från maten.

– Skogslevande djur som äter blad och mjuka växter har låga tandkronor medan djur som betar gräs och annan nötande växtlighet har höga tandkronor, säger Lars Werdelin.

Genom att beräkna en genomsnittlig höjd på tandkronorna, som gäller för alla arter av stora växtätare i ett område, så kan man fastställa förhållandet mellan skog och öppen gräsmark i samma område. Tänderna kan även berätta om klimatet. Det kräver ett antal matematiska modeller, den genomsnittliga höjden på tandkronorna hos växtätarna samt ytterligare ett tandmått, nämligen antalet tvärgående ryggar på växtätarnas kindtänder. Den här sortens analyser kan ge information om både nederbörd och temperatur i området som tänderna härstammar ifrån.

– Metoden kan verka underlig men den fungerar alldeles utmärkt, det har man kunnat visa genom att testa den på det klimat och de djursamhällen som finns i dag.

Lars Werdelin med kollegor har gjort klimatanalyser med hjälp av tänderna hos fossil efter drygt 2 000 djurarter som levde i Turkanaområdet i norra Kenya för 7–1 miljoner år sedan. Turkanaområdet är rikt på fossil efter flera släkten av homininer, som Australopithecus, Paranthropus och Homo.

Forskarnas beräkningar visar att klimatet i Turkanaområdet förblev förvånansvärt konstant under de sex miljoner år som forskarna har undersökt. Det blev visserligen torrare, men inte kallare. Detta stämmer inte med de klimatförändringar som krävs för att ett C4-dominerat gräslandskap ska växa fram – det borde ha blivit torrare och kallare. Trots detta har stora förändringar ägt rum under perioden.

– Det skedde en stor omdaning av både faunan och växtligheten för ungefär två miljoner år sedan. Men enligt våra beräkningar skedde inga klimatförändringar då – både nederbörd och temperaturen förblev konstanta. Det innebär att det finns utrymme för biologiska förklaringar.

De uteblivna klimatförändringarna kan ses som ett indirekt bevis för att våra förfäder – med Homo erectus i täten – orsakade en kaskadeffekt i ekosystemens näringskedjor: De stora rovdjuren minskade i antal och då ökade antalet stora gräsätare, vilket bidrog till att mängden skog minskade, så att grässavannerna kunde breda ut sig.

Vi kommer kanske aldrig att få veta den exakta orsaken till att vi blev tvåbenta varelser. Men det är helt klart att en del av svaret står att finna i tänderna på utdöda djur och förfäder.