En esta cueva se ha documentado la ocupación de poblaciones neandertales. Estos explotaron los recursos del valle desde 70.000 años hasta hace 25.000 años, convirtiéndose así en uno de los últimos refugios de montaña donde se documenta su presencia de forma más reciente, antes de su desaparición.
La presencia de industrias musterienses, relacionadas en Europa con el hombre de neandertal, en niveles arqueológicos datados en 24.000 años, ya había convertido a la cueva cántabra en un referente mundial en el estudio de los "destinos" de los neandertales. A la luz de los datos parece más correcto hablar de “destinos” para referirse a la extinción neandertal, ya que las causas parecen ser múltiples, y mientras algunas poblaciones neandertales se extinguieron, otras se hibridaron con los sapiens. Las hipótesis científicas con las que se trabajaba hasta el momento indicaban que los últimos reductos de neandertales habrían sobrevivido en el sur de la Península Ibérica, en cuevas de Gibraltar y Málaga, concretamente en la cueva de Zafarraya con fechas que rondan los 30.000 años.
Recientemente, L´Esquilleu saltó a los medios de comunicación tras la publicación de un estudio científico que daba cuenta de los resultados obtenidos en el estudio de los sedimentos del registro arqueológico, a los cuales habían aplicado modernos métodos de investigación geoarqueológica. Mediante el análisis de los fitolitos (fosilizaciones del fósforo presente en todos los seres vivos) se comprobó el hallazgo de los primeros lechos fabricados con fibras vegetales por los neandertales en la Península Ibérica, quienes envolvían el colchón de hierbas en pieles de los animales que cazaban. Esos primitivos lechos se colocaban alrededor de los hogares y servían tanto para dormir como para sentarse al calor del fuego.
El hallazgo por primera vez de importantes restos óseos fósiles neandertales en la cueva cántabra, los cuales aportarán abundante información acerca de las últimas poblaciones neandertales, tanto en la cornisa cantábrica como en el resto del mundo. Los restos fósiles se localizaron en los niveles XI y XII, ambos datados mediante C14 en una fecha de entre 36.000 y 39.000 años a partir de muestras de carbón vegetal.
La inminente publicación de datos referentes a estos fósiles puede ser importante para el desarrollo de los conocimientos que actualmente se tiene de la extinción de los neandertales en la Península Ibérica. El panorama es complejo; ya que en un mismo periodo cronológico cohabitan yacimientos musterienses como L´Esquilleu (Paleolítico medio) con dataciones en fechas muy recientes, pero que presentan el problema de que por el momento los niveles más recientes no están asociados a ningún resto humano, por lo que algunos autores cuestionan que esa industria musteriense (tradicionalmente asociada a neandertal en Europa) sea obra de neandertales, con otros yacimientos pertenecientes al complejo cultural Chatelperroniense, asociado a neandertales, que suponen la evolución de tecnologías del Paleolítico medio a las del Paleolítico superior.
En este caso los investigadores mantienen tesis divididas entre los que ven en los cambios una evolución endógena de las poblaciones neandertales y los que atribuyen dichos cambios a la aculturación neandertal por parte de grupos de sapiens. Por otra parte, existe un tercer grupo con industrias líticas y de hueso muy avanzadas, propias del Paleolítico superior y claramente asociadas a sapiens. La continuidad en el registro arqueológico de L´Esquilleu junto a la presencia de restos fósiles en el mismo apoya la tesis de que todas las industrias musterienses en Europa están asociadas a neandertales.
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