周口店远古人类化石的发现使深深卷入“中亚热”的步达生感到异常兴奋。他决定将周口店的发掘与研究作为一个“有联系的追加项目”纳入他与安特生合作的中亚考察计划中。因此，还没有等到周口店新发现的消息正式公布，他就开始了这个设想的操作活动。他在１０月５日起草了一份报告给当时任北京协和医学院行政委员会负责人的胡恒德，建议洛克菲勒基金会提供资金来资助周口店的进一步系统发掘并筹建一个体质人类学研究结构；然后他又找到中国地质调查所所长翁文灏具体协商合作方案。 几经斟酌，他们终于在１９２７年２月上旬草拟了名为《中国地质调查所与北京协和医学院关于合作研究华北第三纪及第四纪堆积物的协议书》，在洛克菲勒基金会财政上的支持下，于１９２７年的春天正式开始了对周口店的系统发掘工作。
周口店合作项目以中国地质学的奠基人之一丁文江先生为名誉主持人，具体事物由步达生和翁文灏协商实施。派到周口店做实际工作的人员为：李捷，中国地质调查所的地质学家，任周口店野外工作事务主任；步林，瑞典古生物学家，任周口店野外工作顾问；刘德霖，美国著名古生物学家葛兰阶的技工，担任周口店野外发掘的技术助理兼室内的化石修理工作；谢仁甫，步达生的办事员，派到周口店作刘德霖的助手。 第一年的发掘工作就旗开得胜，获得了５００箱化石，而且，步林在１０月１６日发现了一颗保存完好的人牙化石，其出土位置离当年师丹斯基发现第一颗人牙的地点很近。 步达生详细地描述研究了这颗新发现的人牙化石，认为它是一颗成年人的第一左下臼齿，性质与师丹斯基发现的那颗臼齿一样。因此，他建议以这些人牙化石为依据建立一个人科的新属新种，即“中国猿人北京种”或称为“北京中国猿人”。
１９２７年底步达生回到了加拿大，周口店１９２８年的工作就由翁文灏和协和医学院的福顿主持。这一年，周口店还来了两位在日后成为中国科学界巨匠的人物，他们就是杨钟健和裴文中。 杨钟健，１９２３年毕业于北京大学地质系，获理学学士学位；１９２７年赴德国留学，在慕尼黑大学地质系古生物专业学习古脊椎动物学，１９２７年获哲学博士学位。他在１９２８年接替李捷成为地质调查所在周口店的正式代理人。 裴文中，刚刚从北京大学地质系毕业，年仅２４岁。他随杨钟健一起到周口店，开始时主要负责人工和帐目的管理工作，同时也参与发掘，成为步林的得力助手。 这一年的收获比第一年还好，挖掘出化石材料５７５箱，而且，还发现了一件北京人少女的右下颌骨和一件保存了３颗完整臼齿的成年人的右下颌骨。 到了年底，周口店的工作面临了新的形势。洛克菲勒基金会资助的专款就要在来年的３月份到期了，但是，两年来的发掘使人们认识到北京人遗址含化石堆积物的量远远超过最初的估计，根本不可能在短期内将其发掘完。并且，这个遗址不仅内容丰富，而且展示出的问题十分复杂，如果研究者只是把眼光局限于此而不扩大到周围地区，那么要比较箱完全地弄清北京人遗址所反映出的地质学、古生物学等问题是很困难的。 因此，步达生和丁文江、翁文灏等人从１９２８年冬季就开始磋商，考虑以一项内容更加广泛的合作计划来继续周口店的研究，并且建立“新生代研究室”作为执行新计划的组织结构。 经过反复磋商，翁文灏和步达生与１９２９年２月８日拟订了《中国地质调查所新生代研究室组织章程》。从此，中国第一个从事新生代地质学、古生物学特别是古人类学研究的专门机构，当今雄踞亚洲之首的我国唯一的古脊椎动物学与古人类学研究权威单位中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的前身--中国地质调查所新生代研究室正式建立起来了。这个机构的建立，开拓了中国新生代研究的新局面，导致了我们下面马上将要讲到的震惊世界的第一个完整的北京人头盖骨的发现，从而为中国的古脊椎动物学与古人类学研究事业奠定了基础。 就在这一年，步林辞去周口店的职务参加了西北考察团，杨钟健也与德日进一起奔赴山西和陕西各地调查新生代地质，因此，周口店的发掘工作就由中国地质调查所所长翁文灏和新生代研究室名誉主任步达生决定交给了裴文中负责。 春季的工作在发掘到第８－９层时结束，在８－９层中又发现了几颗北京人的牙齿化石。随着秋季工作的进行，堆积物的体积显得逐渐狭窄了，可发掘的部分已经逐渐缩小。但是，当可发掘的地方窄到不能再窄、仅能容下不多的几个人进行发掘时，却又是“柳暗花明”，裂隙在这里又向南倾斜地延伸了一段。 裴文中和一位工人一起，腰里系着绳子、由外面洞顶的人拉住、小心翼翼地悬吊下去仔细观察了这段延伸的裂隙，发现里面埋藏有大量的化石。当时已经到了１１月底，天气非常寒冷，本来已经到了应该收工的时候了。但是见到这么多的化石，裴文中决定把工作再延长几天。 当时的人恐怕谁也不会想到，这段小小的裂隙延伸和裴文中的这个临时决定具有多么重大的意义。几天后的惊世发现向人民又一次昭示，坚持到最后时刻的最艰苦的努力是多么的重要。 １２月２日下午４点多钟，太阳已经落山了，可是裴文中带领着几个技工仍然冒着凛冽的寒风在紧张地发掘着。随着洞穴越挖越深，发掘时的照明早已是靠汽灯来解决了；而此时，发掘面的空间太狭小，汽灯都施展不开，发掘的人只好一只手发掘，另一只手拿着蜡烛来照亮。 突然，裴文中大声叫了起来：“这是什么？是人头！”“人头”两个字刚一出口，所有发掘的人都围拢过来伸头向下观看。盼望已久的东西终于露面了，大家别提是多么地激动了。 这块头骨化石一半埋在硬土里一半埋在松土中。裴文中把化石周围的土挖空后，用撬棍轻轻地把它撬了下来。头骨的一部分由于震动破裂开来，裴文中后悔得不得了；不过，他也因此看到了头骨的厚度和脑面的结构。破裂处后来经过粘接仍很完整，并未使后来的研究受到任何影响。
头骨挖出来的时候很潮湿，一碰就破。裴文中就和两位技工一起夜以继日地生起炭火盆来烘烤它，烤干后用水糊上几层厚厚的绵纸，再糊上石膏麻袋片，然后在把它烤干。等到外面的石膏变得干燥坚硬以后，裹在里面的化石就不会轻易损坏了。这样的保护化石的石膏壳我们把它叫做“皮牢克”（俄语的音译，意思就是“石膏壳”）。 最后，裴文中把包藏有第一个北京人头盖骨的皮牢克用自己的两床旧棉被包起来，外面再用褥子毯子象普通的行李一样地捆好，于１２月６日乘长途车亲自送进北京城内的中国地质调查所新生代研究室。 第一个完整的北京人头盖骨的发现象一声春雷震撼了学术界。它进一步证实了北京人确实是一种古老的人类物种，是现代人类的祖先，而且是当时所知道的最早的人类祖先。
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