军都山古人股骨形态特征考察

　　北京延庆军都山墓地，是冀北地区东周时期玉皇庙文化的一处代表性遗址。从墓地出土的考古资料及殉牲制度考察，其文化属畜牧和游牧文化，而非定居的农耕民族文化[1,2].古代北方游牧民族“逐水草迁徙”,流动性是其最基本适应策略之一。较高流动性的生活方式会对某些骨骼造成长期的、持久性的负荷而在体质上有所反映。尤其是股骨，不但是身体承重最主要的骨骼，也是与运动关系最密切的骨骼之一。运动行为模式的差异会影响股骨所受应力，导致骨干粗壮度及形态特征的适应性改变。

　　股骨干形态的测量，最初是通过横纵径的乘积来反映骨干粗壮程度，以横纵径比值所得指数来反映骨干断面的形状从而进行分析[3].随着对股骨功能状况研究的关注，可提供更精确定量信息的骨干截面几何形态生物力学参数得到了越来越广的应用。

　　对于古人类化石，骨干粗壮程度及截面几何形状被用于探讨人类演化中体型纤细化过程及下肢功能活跃度的变化[4~8].对于全新世古代人群，农业、采集狩猎、游牧等不同生存策略相关的下肢运动行为模式差异更受关注[9~15];与之相关的气候环境、地形对形态影响以及股骨形态的性别、侧别差异[16~19]等也是重要的研究内容。功能状况背景清晰的现代人股骨分析，也为了解古代人类运动行为模式提供了非常有益的参照[20~22].

　　中国北方古代游牧人群下肢功能状况及其所反映的人群流动性如何，目前尚未见到体质人类学角度的相关探讨。本文对军都山墓地出土的正常成人股骨中部断面几何形状进行生物力学参数的定量分析与比较，了解其功能状况，进而对其运动模式进行讨论，探讨军都山古人股骨形态特征在行为和适应上的含义。

　　1研究材料
　　
　　所分析的股骨材料来自北京延庆军都山的玉皇庙、葫芦沟和西梁垙三处墓地。三处墓地文化相同，时代和地理位置相近，因而作为一组材料，共包括来自70个体的110根股骨（表1）。为获得准确的分析结果，所选股骨排除了病理异常标本以及未成年和老年个体。性别和年龄依据潘其风[23]的鉴定结果。对比材料为河南新乡君子村清代墓地出土的股骨。君子村古人群时代较晚，其生活方式、经济状况都较为清晰，其股骨形态及力学特征反映的是完全集约农业定居生活方式、低活跃度的功能状况。二者同属东亚蒙古人种，均处华北地区，尚无证据表明二者之间有大的遗传差异，在这种状况下二者股骨形态差异受功能状况影响更为明显，可将二者进行对比。

　　君子村人骨的性别、年龄依吴汝康等人[24]的方法进行鉴定。

　　2研究方法
　　
　　2.1股骨干中部断面形态获取
　　
　　依Stock和Shaw的方法[25],首先使用口腔科印模材料取得股骨中部断面外轮廓形态，之后使用扫描仪对所得骨干中部外轮廓印模进行扫描（600dpi），获取计算生物力学参数所需骨干中部断面几何形状。股骨定位方法依据Ruff[26].

　　2.2断面几何形状的生物力学参数
　　
　　对所获得的股骨干中部断面外轮廓图像，通过ImageJ软件的MomentMacro插件[27]计算其生物力学参数.长骨在力学分析中常被简化为一个梁模型，通过骨干断面的几何形状可以对骨干强度和刚度进行评估。断面几何形状中，反映骨量的截面面积以及断面上骨的分布对于其力学特征影响最为重要。在压缩或拉伸的轴向应力下，如承受体重时，骨的强度或刚度与截面面积成正比，截面面积大小反映了骨骼抗压、抗拉能力。在生活状态下股骨干很少单纯承受轴向应力，常同时伴随肌肉收缩产生的弯曲和扭转应力。反映抗弯刚度的参数就是截面惯性矩（secondmomentsofarea），以I表示。它既与截面面积有关，也受到中性轴周围骨组织分布即断面形状的影响。

　　同样的截面面积，骨的分布离中心点越远、截面越偏离圆形，则在特定方向上的抗弯能力就越强。Ix和Iy分别表示骨干断面的前后向和内外向的抗弯刚度。反映截面抗扭转刚度的参数是极惯性矩（polarmomentsofarea），指示骨骼对扭转载荷承受力大小，以J表示。

　　文中所计算的各项参数及其功能适应性含义归纳如表2所示，其中TA,J,Ix/Iy是本研究所最为关注的项目。前两项可以反映骨骼的整体粗壮程度；后一项反映的是截面的形状，数值越大则截面形状越偏离圆形，呈现为前后径较大的不对称椭圆形。

　　需要说明，本文只使用骨干外轮廓来计算各项生物力学参数，而未考虑髓腔情况。除了截面外轮廓总面积TA之外，其他参数均非实际数值。但截面外轮廓对于骨的生物力学参数影响最为重要，尤其是依股骨干外轮廓计算所得数据虽非实际值，却与带髓腔的真实值之间存在非常高的相关性，绝大部分功能状况仅通过外轮廓形态就能够得以反映，也可以通过回归方程对实际值进行估算；对于截面惯性矩比值Ix/Iy甚至完全可以替代实际值进行群体间对比[25,28~30].以前者代替后者做人群间比较同样可以获得可靠结论，同时断面外轮廓几何形状在获取上也更为简便、经济。

　　2.3数据的标准化及统计分析

　　以完全定居生活状态下的君子村居民为参照，通过股骨干中部断面各项参数的对比来探讨军都山古代居民下肢功能状况。由于股骨形态同时受到功能状况和体重负载的影响，为使其功能状况得以更清晰的反映，在比较时需排除体型因素的影响，即对体型差异进行控制，因而需要对数据进行标准化。

　　骨干断面面积与长骨轴向拉、压负荷的承载能力有关，体重会对股骨产生轴向的负荷，因而需要将截面面积用体重进行标准化；截面惯性矩反映的是对弯曲、扭转载荷的负载能力，这类载荷大小除了受到体重影响外还受到力臂（与骨干长度成正比）的影响，因而需要用体重和股骨长进行标准化。这里采用Ruff方法[31]进行标准化，即标准化的截面面积=截面面积/体重；
　　

　　

　　数据的标准化需要体重数据。根据军都山人骨材料的保存状况，体重由股骨头径来估算。目前可利用的估算公式包括McHenry[32],Grine等人[33],Ruff等人[34,35]3种。Auerbach对这3种方法进行了评估，发现对于正常体型者三者的平均值最可靠，但对体型过大或过小者不适用于平均值法[36].McHenry的公式来自中、小体型的参考人群，对小体型者的体重推断适用[37];而Grine公式来自大、中体型的参考人群，适用于大、中体型者的体重推断。在本文中，当股骨头径<38mm时（对应体重为50kg以下）使用McHenry公式；股骨头径38~47mm时（对应体重约为50~70kg）使用McHenry,Ruff,Grine三公式的平均值；股骨头径>47mm（对应体重约为70kg以上）使用Ruff和Grine公式的平均值作为估算结果。

　　对军都山与君子村组各项标准化数据进行统计，观察各项数据在军都山与君子村组内性别差异和组间差异，并进行t检验。

　　3结果

　　3.1组内性别差异

　　在组内的性别差异上（表3和4），军都山和君子村的Ix/Iy值都表现为男性明显大于女性，且有统计上的显着差异。这说明在两组材料中男性骨干中部断面形态比女性更偏离圆形，前后向相对更厚，反映了男性更强的下肢功能活跃度。军都山该项目的性别差异尤为明显。

　　在排除体型因素后，军都山极惯性矩J男性大于女性；君子村TA和J从样本分布看虽也有男性大于女性的趋势，但未表现出统计检验上的显着差异，可能与样本中存在较多的明显偏离样本中心的歧离标本有关（图1（a）和（b）），经核对这些异常数据都出现于几个特定个体上。

　　3.2军都山与君子村组间差异

　　虽然在箱体图上军都山女性的TA有大于君子村的趋势，但统计检验表明TA和J在军都山与君子村同性别比较的统计检验中，均不存在显着的组间差异（表5）。

　　军都山男性的Ix/Iy明显高于君子村（图1（c）），存在显着性差异，表明军都山具有明显偏离圆形的股骨干中部断面，前后径较厚。Ix/Iy女性的组间差异则很小。君子村男性与军都山女性相差不明显，各项数值没有统计检验上的显着差异。Ix/Iy明显的性别差异以及男性较高的数值是军都山游牧人群表现出的最明显特征。军都山与君子村古代人类股骨干中部断面形态上的差异可以在图2中得到直观的反映。

　　4讨论和结论

　　4.1股骨形态的功能性适应

　　研究表明骨骼的粗壮度、形状和结构可对其所处力学环境发生适应性改变[38,39],这是从形态推断骨骼功能状况的理论基础。但生活状态下的骨骼力学负荷要比简单的力学梁模型复杂得多[40,41],应力与骨结构及形态之间的关系会随骨骼部位和力学环境而变化[42].除功能状况外，骨骼形态也会受到遗传、发育、营养状况等多种其他因素的限制。

　　虽然如此，股骨仍然是复原古人下肢功能状况的最佳研究对象。尤其对于股骨干中部，结构简单，不同个体在该部位的力学环境相似。大腿前群肌肉（主要是股四头肌）和后群肌肉（腘绳肌）收缩时会对股骨干中部产生较强弯曲和扭转应力，这些肌肉收缩所产生的运动方式也主要是与奔跑、行走、跳跃、攀爬相关的下肢前后向运动。股骨功能从力学角度上主要表现为承重和体现个体流动性的前后向的运动功能。运动模式的差异最终会在股骨形态上有所体现。虽然有研究表明，与性别及环境相关的体型差异会对股骨干形态产生一定影响，但这种主要是影响到骨干近端横径上，对骨干中部影响相对较小[16,43,44].股骨干中部相对简明的力学结构和运动特点有利于对其功能状况进行力学分析与解释。股骨干中部断面性质虽然受到多种因素影响，但与活体状况下骨的刚度和强度高度相关[31],能以最直接的方式反映出人类的下肢运动模式及流动性。
 

　　
　　4.2军都山古游牧人群的流动性
　　
　　与定居、低流动性的君子村相比，军都山股骨干中部断面最突出的特点表现在Ix/Iy上：男性较高的Ix/Iy值和较大的组内性别差异。

　　陆地上流动性较高的人群，如经常性的长距离迁移、奔跑，股骨前后向运动的幅度和强度增大导致骨干中部前后向负荷增加。长期作用的结果是使骨骼通过改建导致骨干前后向变厚，中部断面从近圆形向前后向增厚的椭圆形转变，体现在数值上就是Ix/Iy增大。很多学者因而将股骨干中部Ix/Iy比值作为反映个体或群体流动性水平的参数，应用于古人类下肢功能状况的考察中[8,16,17,31,45].

　　军都山男性具有较高的Ix/Iy值，说明军都山男性下肢功能活跃、流动性较高。虽然1.20的数值低于典型的旧石器时代晚期采集狩猎者（可高达1.46~1.48[7]）但却明显高于定居生活的君子村。相对而言，军都山女性Ix/Iy的0.86数值与定居生活的君子村以及现代社会人群更相近，表明军都山女性下肢功能活动度较弱，流动性不强。

　　军都山与君子村的Ix/Iy都存在显着的性别差异，但军都山人性别差异尤为强烈，指示军都山人存在显着的、可体现于下肢运动模式上的性别社会分工。军都山墓葬的随葬品及殉牲存在明显的性别差异[1,2].

　　近一半的男性墓葬随葬有兵器，如镞、青铜短剑等，而女性极少有陪葬兵器者。军都山多用肢解的马、牛、羊、狗的头骨和肱骨殉牲，男性陪葬马具或殉葬马的比例明显高于女性，而马在狩猎、放牧、战争中均可以发挥重要作用；牛、羊等其他各种殉牲的数量男性也相对更多。根据考古遗存及社会发展状况，结合较高的Ix/Iy值可以推定，军都山男性从事的是与长距离运动有关的活动，如放牧、狩猎、战争及相关行为。女性随葬品中占比较高的多是某些种类的装饰品、铜针，墓地内出土数量竹制品、革制品虽数量不多但只发现在女性墓葬内，加上较低的Ix/Iy值说明军都山女性相对更为定居，在居址附近活动，如处理动物皮毛、奶制品、家务，当然也可能会放牧流动性较弱的牛。这种社会分工情况可以在现代人群中找到例证[46].军都山墓地皮革类遗物及残存纺织品的发现，表明当时人们很可能已经开始进行皮革和毛制品的深加工。这些更为耗时的活动也主要由女性来进行[15],进一步降低了女性的流动性。仅从股骨形态判断，军都山女性的流动性可能与定居农业人群相差不显。此外，军都山男、女性在极惯性矩J上的差异也应与劳动分工有关。而君子村古人中的明显偏离样本分布中心的异常标本数量较军都山明显更多，则同样可能是社会分工所致。清代社会已发展到很复杂的水平，社会分工更为细致，君子村某些个体所从事职业很可能具有明显高于或低于当时人均水平的下肢运动度。

　　与性别的社会分工有关，高流动性人群中Ix/Iy的性别差异也往往较大，以采集狩猎者最高[8,16,31,47~49].

　　若以（男性-女性）/女性×100来计算性别差异，参照北美洲人群情况[17],会发现军都山人该项目的性别差异已经达到甚至超过了某些采集狩猎人群的水平，更是明显地高于农业定居人群，这也从另一角度证明军都山游牧人群具有较高的流动性，起码在男性是如此。

　　但与采集狩猎者不同，军都山性别差异较大并非因男性数值较高，而是因女性数值的明显减小所致。

　　4.3文化因素对军都山股骨粗壮度的影响
　　
　　Ix/Iy通过骨干断面形状的不对称性反映下肢功能活跃度或流动性，而J和TA则体现了骨骼对扭转应力和垂向应力的整体负载能力，这两项参数与断面形状无关，是反映骨骼整体粗壮程度的指标。在这两项目上，军都山人与君子村相差并不明显，仅军都山女性TA有大于君子村的趋势，说明股骨干的粗壮程度二者是近似的，至少在男性如此。近年来越来越多的研究表明影响股骨粗壮程度的因素复杂，除运动、行为模式之外，环境、气候、体型、发育等[18,45,50~52]都可以对其产生作用，有时甚至超过运动功能状况的影响[45,48].Ruff[17]对北美洲样本的研究发现，TA和J所反映的股骨粗壮很大程度地受到了地形的影响，生活于山地人群的股骨粗壮程度高于平原地区；虽然下肢的Ix/Iy与TA,J并非是不相关的，但地形对后两者的影响更为显着。产生这种情况的原因是，在地形起伏的山地上运动时无疑会对股骨造成更大的整体机械负荷。若如此，则生活在山前坡地的军都山人，应该比生活在平原地区的君子村人有更大股骨粗壮度。

　　但实际观察到的情况并不如此。

　　造成这种现象的原因可能与文化因素，即军都山居民对马的使用有关。军都山墓地殉牲种类、出土青铜器及写实的动物纹装饰艺术都反映出军都山古人群是以畜牧和游牧经济为主要生计模式[1,2],马匹对于游牧人群来说具有非常重要的意义。首先游牧经济离不开水、草，马的使用增加了游牧人群的流动能力，提高了其利用草原资源的能力；其次游牧人群并非自给自足的经济，纺织品、农作物、金属工具等产品可能需要通过贸易或战争来获得，马和马车作为交通和战争工具在此中起到重要作用[53,54].军都山墓地出土较多的武器，说明了狩猎或战争对其生活的重要影响，文献史料也记载了春秋战国时期中国北方戎狄非常活跃，具有很强的侵略性。在军都山墓地，马只殉葬在高等级墓葬中[1],显示了其在军都山社会中的重要性。虽然目前尚缺乏更全面的军都山人使用马匹的定量数据，但马在所殉葬的大型家畜中所占比超过1/3,数量不低。可以确定马匹一定在军都山游牧人群的生活中发挥着重要价值。马匹在一定程度上替代了原先由人类下肢进行的运动功能，人类的部分流动性由马来完成。马的使用一定程度上降低了军都山人在起伏山地及坡地上运动时股骨所受应力。这可能是造成军都山人TA,J与君子村相差不很大的重要因素，并且也可能与军都山女性较低的Ix/Iy值存在一定关联。但马的使用无法解释男性Ix/Iy的情况。即便在有使用马匹的情况下军都山男性仍有较高的Ix/Iy值，这从另一侧面更进一步证明了军都山男性的较高流动性。

　　4.4结论

　　对于军都山古代游牧人群的流动性及行为模式，常是通过考古遗存等间接证据来进行推断的定性分析。股骨生物力学定量分析为了解军都山人运动行为模式提供了直接线索。比较分析发现，反映流动性的Ix/Iy在军都山古人类的男性中具有较高的数值，表明其具有较高流动性；而女性数值较低，流动性相对较弱，因而存在非常明显的男、女性运动模式上的差异，应与社会分工有关。军都山古人群股骨粗壮度存在一定的性别差异，但与同性别农业定居、低流动性的君子村居民相比相差不大，马匹使用等文化因素对军都山人股骨粗壮程度应有所影响。股骨功能状况的比较提供了军都山古游牧人群行为适应方面的直接证据，可用来重建其运动行为模式。