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考古人员对这些化石整理后发现，一个比北京猿人进化程度更高的新人种曾在这里生活过，距今只有18000年的人类寄居地——山顶洞就这样被发现了。周口店的考古又一次震惊了世界。
为了进一步了解山顶洞人与北京人的关系，1933…1934年，考古队集中力量对山顶洞进行了开掘。山顶洞文化的底层直接堆积在“北京人”遗址的文化层上。今天的山顶洞洞口并不是当年山顶洞人出入的地方，而是挖掘山洞时为方便运土而人工炸出来的洞口。
山顶洞的洞口高4米，南北宽8米，共由四部分组成：洞口、上室、下室和下窨。上室在洞穴的东半部，南北宽约8米，东西长约14米。在上室文化层中发现有婴儿头骨碎片、骨针、装饰品和少量石器。在地面的中间发现一堆灰烬，底部的石钟乳层面和洞壁的一部分被烧炙，说明上室是山顶洞人的“居住室”。
通过洞穴中的灰烬遗迹，专家们得出结论，山顶洞人已经可以人工取火。从保存火种到人工取火，人类控制自然的能力得到了很大的提升。恩格斯认为，摩擦生火第一次使人支配了一种自然力，从而最终把人同动物界分开。山顶洞人取火技术的发明和使用，将人类带入了一个新的时代，为人类文明的进步奠定了坚实的基础。
洞东面的壁墙向西延伸，洞穴慢慢变窄，同时向下凹陷，形成一个深约8米的大坑，这就是被称为“下室”的地方。在这里发现老年男性、中年女性和青年女性头骨各一具，在老年头骨的左侧发现穿孔的介壳，穿孔的狐狸犬齿，在骨盆和股骨周围找到赤铁矿粉和赤铁矿石。这些发现表明下室是一处公共墓地，也是至今所知国内这个时代唯一的墓葬遗存。
考古工作者发现，山顶洞人遗骨排列基本整齐，周围撒有赤铁矿粉末，但这些遗骨发现有轻微破坏。但破坏程度并不是很严重，因为遗骨基本保持原来的连结状态。
下窨在下室深处，是一条南北长3米、东西宽约1米的裂隙。发现了许多完整的动物骨架。
人们在山顶洞中还发掘出了大批异常完整的哺乳动物遗骸，其中数量较多的是各种年龄的虎的化石。学者们推测，人类占据这个洞穴的时间不长，而老虎才可能是这个洞穴长期的主人。
通过发掘，共获得完整的头骨3个，头骨碎片、下颌骨、体骨和一些零星的牙齿。经过对这些化石的综合研究，确认这些化石分别属于8个男女老少不同的个体。由头骨缝的愈合程度和牙齿的生长情况看，其中5个是成年人，包括男女壮年和超过60岁的老人。
从头骨和其他骨化石看，山顶洞人跟现代人在体质上已没有大的区别。山顶洞人及其文化的发现，不仅使人类发展史上的“新人阶段”在中国有了代表者，而且对于对比研究代表直立人阶段的北京猿人，也具有直接的、不容忽视的重要意义。
目前，对山顶洞遗址的发掘工作基本结束。
山顶洞人生活复原图
山顶洞人所处的自然环境和现在当地的情景相似。山上有茂密的森林，山下有广阔的草原。虎、洞熊、狼、似鬃猎豹、果子狸和牛、羊等生存于其间。
山顶洞人的体质已很进步，脑量已达1300…1500毫升，这些特征和现代人一致。山顶洞人的身高也有了很大的发展，男性身高一达到1。74米，女性为1。59米。山顶洞人仍具有一些原始性质，他们头骨粗壮，较长，属长头型；额部倾斜，眉弓发达，眼眶低矮，梨状孔宽阔；下颌骨颏孔位置较低，且较靠后，颏部突度较小，按人类进化过程属于晚期智人阶段，为蒙古人种祖先。
狩猎是山顶洞人主要的食物来源，他们猎取最多的是兔、赤鹿、斑鹿、野猪、羚羊、獾、狐狸等动物。令人惊奇的是，在山顶洞中竟然发现了鸵鸟和其他鸟类的化石，这说明山顶洞人有可能连天上飞的鸟都可以捉到，并把它们变成自己的“盘中餐”。
山顶洞人已能捕捞水生动物，把生产活动范围扩大至水域，这标志着人类认识和利用自然界的能力的提高。遗址中发现的鲩鱼、鲤科的大胸椎和尾椎化石说明了这一点。
远在一万八千多年前的山顶洞人，己经有了美的观念，己经会制作和佩带装饰品了。山顶洞人项链的原料是一些色彩各异的石珠、砾石、兽牙、鱼骨和海蜕壳等，他们把这些漂亮的小玩意儿磨光、钻孔，然后用绳子穿起来，一条项链就这样做成了。山顶洞人还在绳子上和装饰品的小孔中染了色。染料就是山顶洞附近的红色石块，就是现在的赤铁矿。他们用石器把这种红色的石块刮磨成粉末，然后涂抹在需要染色的物品上。山顶洞人制成的项链，虽不能与现在的各种项链相媲美，却也是十分漂亮的了。红色的绳子，串连着洁白的石珠、兽牙和淡绿色的砾石。他们把这种项链佩带在胸前，有时也会带在手腕上。
山顶洞人还长期佩带兽牙，山顶洞小伙子赤裸着背脊，身上挂满了各式各样穿在一起的兽牙。这种兽牙项链很能表现出他的强悍，挂的兽牙越多越表明他的矫捷健壮，也更能说明他狩猎技术的高超，很能得到异性的青睐。他们佩带的穿孔兽牙以猩、狐等小型食肉动物的犬齿最多，也有鹿类的大齿。
山顶洞人也已经进入了原始的宗教信仰时期，他们将死者埋葬在下室就说明了这一点。山顶洞人的发现，为人类历史研究添上了极为重要的一笔，具有极其重大的意义。
山顶洞遗址出土文物
在山顶洞发掘出的化石中，更为引人注目的是代表了山顶洞人文明水平的各类文化遗物，如装饰品。
山顶洞出土的装饰品中，有穿孔小石珠、穿孔小砾石、穿孔海蚶壳、穿孔鲩鱼眼上骨、穿孔兽牙和有刻沟的骨管等。遗址出土的穿孔小石珠一共有7颗，分布在一个女性头骨周围的土层中，是这位女性的头饰或项饰。石珠用白色石灰石制成，大小基本相同，表层都有涂过赤铁矿红色的痕迹。
在山顶洞文化遗物中，石珠可以说是最能代表山顶洞人高超技术的一种饰物。穿孔石珠用白色石灰岩薄片制成，轮廓近似四方或多边形，底面磨平。虽然山顶洞人已经对工具的利用较北京猿人发达，但出土的大量石器说明，他们主要的劳动工具仍是石器。穿孔小石珠就是利用石器钻磨而成。他们先用尖状器在小石块上钻制，钻到一定程度，再从钻孔的背面进行打磨，直到磨穿为止。
另外还有一件钻孔的砾石，制作十分精美。它是一块蛋圆形的砾石，两面扁平，非常像现代女性挂在脖子下的鸡心形项链坠，可见山顶洞人在制作这件装饰品时，在原材料选择上肯定是下了一番功夫的。这件古朴的饰品在刚被发掘出来时就引起了人们的极大兴趣，几乎到了“人见人爱”的境地。小石珠和钻孔小砾石是代表山顶洞人石器工艺最高技术水平的制品。因为对石头进行磨制和钻孔不是一件简单的事情，从世界范围来看，对石头磨制和钻孔是几千年前的新石器时代才流行起来的工艺，而它在3万年前的山顶洞遗址已经出现了。
山顶洞的出土物中还有很多穿孔穿孔兽牙，有120多颗。其中又以獾牙最多，有60颗。其次是狐牙、鹿牙、黄鼠狼牙，最少的是老虎和野猫，各l颗。此外，还有2颗犬齿弄不清是哪种食肉类的。这些穿孔兽牙除了1颗虎的门齿和3颗鹿的门齿外，其余全是犬齿。
为什么当时人们偏爱犬齿呢？考古学家贾兰坡研究后认为，犬齿比其他牙齿的齿根长、齿腔大，容易穿孔，另外犬齿在齿列中数目最少，同时犬齿形状美观、尖锐有力，比其他牙齿更能显示猎人的英雄气概。
山顶洞遗址还出土了一支磨光鹿角。有人猜测它们是当时巫师使用的魔杖，也有人认为这是投矛器，用它做依托，猎人们投掷尖端装有石矛头的标枪时可以成倍地提高有效射程。山顶洞的鹿角表面光滑，可能因为在地层里长期被化学侵蚀的缘故，看不出原来是否有图案。
大约在5万午前的旧石器时代，人类就会制作和使用针了。这种针是用细骨制作的。山顶洞人遗址出土的一枚骨针，制作水平十分高，针长82毫米，直径3毫米，比火柴棒咯粗，针身略弯，表面光滑，尖端很锋利，针孔很清楚，是用尖利的器物挖出来的。遗憾的是，出土时针孔己损坏。据推测，山顶洞人用这种骨针来缝制简单的皮衣。据专家分析，山顶洞人使用的线，极可能是鹿的韧带。从一种称为狞鹿的身上取下来的韧带，可长达半米以上，又细又白，犹如生丝，用这种韧带做线是很理想的。
山顶洞出土的动物化石内容很丰富，脊椎动物化石共54种，绝灭动物只有洞熊、最后斑鬣狗和鸵鸟3种。哺乳类动物一共发现49种，包括最后鬣狗、野驴、狍、斑鹿、马鹿、羚羊、貉等中国北方常见动物，还有一批适应草原环境的啮齿类，如鼢鼠、仓鼠等。这些出土的动物化石对于判断山顶洞人的时代、生态环境和生活情形有重要意义，遗址中有很多花面狸、猎豹和象等喜暖种类，说明山顶洞人生活的时期这一带气候比较温和。
遗址中还发现用鲩鱼眼上骨钻孔做成的垂饰和一些鱼的脊椎。根据鱼类学家研究，那件眼上骨和几件脊椎骨属于大鲩鱼和大鲤鱼。鲩鱼生前的体长达80厘米，鲤鱼也多半为大中型。大鱼生存需要比较深和宽的水域，说明山顶洞时期这些带不但气候比现在温暖、湿润得多，而且草木茂盛，河湖充盈，一派生机。
山顶洞之迷
山顶洞遗址的发现给考古学家们带来许多惊喜，同时也留下许多有待解开的谜团。
1。举横越万里的异族通婚
德国人类学家魏敦瑞于1939年发表关于山顶洞人化石的研究报告。对于3个头骨，他认为它们的结构特征差别很显著：老年男性头骨在测量数据上很接近欧洲的克罗马农人，但形态上又可以确定为原始的蒙古人种；两具女性头骨中那具中年的可能属于今天生活在北极地区的爱斯基摩人，而青年的那具则与南太平洋岛屿上的密克罗尼西亚人相像，后两者也是蒙古人种，但分别属于不同的支系。魏敦瑞解释这种不同种族组成一个家庭的现象是当时盛行不同人群的掠夺婚姻造成的。不过，在几万年前的交通条件下，这些相距遥远的人们是怎样走到一起来的呢？
于是这位美国人类学家发挥了他超常的美国式想象力，他说，山顶洞中发现的人类化石代表了一个家庭，一位老人娶了一老一少两位妻子。
对于这样一个可能是跨越洲际的婚恋事件，学者们没能做出令人信服的合理的解释。
我国的考古学家裴文中在1952年提出，山顶洞人时代人种尚未分化和定型，它们之间的差别只是个体之间的差别。后来，它们中一些人留在本地，逐渐形成了今天的蒙古人种，一些向北迁移并且最后定居在北极地区，成了今天的爱斯基摩人。另外还有一部分向东南迁徙到太平洋岛屿上，成了今天适应海洋生活的密克罗尼西亚人。
人类学家吴新智也在1960年发表论文指出，魏敦瑞的一些测量数据不够精确，造成3个头骨之间的一些