New fossils from Jebel Irhoud, Morocco and the pan-African origin of Homo sapiens
Data reporting
Otoksen koon määrittämiseen ei käytetty tilastollisia menetelmiä. Kokeet eivät olleet satunnaistettuja, eivätkä tutkijat olleet sokkoutettuja allokaatiolle kokeiden ja tulosten arvioinnin aikana.
Tietokonetomografia
Alkuperäiset fossiiliset näytteet skannattiin BIR ARCTIS 225/300 -teollisella mikrotietokonetomografiakuvaajalla Max Planckin evoluutioantropologian instituutissa (Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology, MPI EVA) Leipzigissa, Saksassa. Muu kuin hammasmateriaali skannattiin isotrooppisella vokselikoolla, joka vaihteli 27,4-91,4 μm:n välillä (130 kV, 100-150 μA, 0,25-2,0 mm:n messinkisuodatin, 0,144°:n kiertoaskeleet, 2-3 kuvan keskiarvoistus, 360°:n kierto). Hammasmateriaali skannattiin isotrooppisella vokselikoolla 12,8-32,8 μm (130 kV, 100 μA, 0,25-0,5 mm:n messinkisuodatin, 0,144°:n kiertoaskeleet, 3 kuvan keskiarvoistus, 360°:n kierto). Mikrotietokonetomografiatilavuuden segmentointi tehtiin Avizo-ohjelmalla (Visualization Sciences Group). Vertaileva hammasnäyte skannattiin isotrooppisella vokselikoolla 11,6-39,1 μm MPI EVA:lla BIR ARCTIS 225/300 -mikrotietokonetomografiaskannerissa (130-180 kV, 100-150 μA, 0,25-2,0 mm messinkisuodatin, 0,096-0.144°:n kiertoaskeleet, 2-4 kuvan keskiarvoistus, 360°:n kierto) tai Skyscan 1172 -mikrotietokonetomografiaskannerilla (100 kV, 100 μA, 0,5 mm:n alumiini- ja 0,04 mm:n kuparisuodattimet, 0,10-1,24°:n kiertoaskeleet, 360°:n kierto, 2-4 kuvan keskiarvoistus). Mikrotietokonetomografiaviipaleet suodatettiin mediaanisuodattimella, jota seurasi pienimmän varianssin keskiarvosuodatin (kummankin ytimen koko oli kolme) taustakohinan vähentämiseksi ja reunojen säilyttämiseksi ja korostamiseksi31.
Virtuaalinen rekonstruktio
Avizo-ohjelmalla tehtiin yhdeksän rekonstruktiota Jebel Irhoud 10:n kasvoista niiden säilyneiden osien segmentoitujen pintojen perusteella, jotka koostuivat vasemmanpuoleisesta supraorbitaalisesta toruksesta, kahdesta vasemmanpuoleisesta yläleuan fragmentista ja lähes täydellisestä vasemmanpuoleisesta poskiontelolusta. Ensin käytettiin useita RMH:ita eri maantieteellisiltä alueilta (esimerkiksi Afrikasta, Pohjois-Amerikasta ja Australiasta) ja Irhoud 1:tä vertailukohtana kahden vasemman leukaluun kohdistamiseksi. Koska suuri osa Irhoud 10:n hammaskaaresta on säilynyt, mahdollisten ”anatomisesti oikeiden” linjausten kirjo suulakihalkiossa oli rajallinen (kuva 1b). Tämän yläleukojen linjauksen perusteella kukin myöhempi rekonstruktio erosi toisistaan muutamalla millimetrillä seuraavilla tavoilla: leventämällä suulakea, kasvojen korkeuden kasvattamisella, silmäkuopan korkeuden kasvattamisella tai poskionteloiden kääntämisellä anteriorisesti tai posteriorisesti parasagittaaliseen suuntaan. Lisäksi kohdistimme yhden rekonstruktion vastaamaan ”klassisen” neandertalilaisen (La Ferrassie 1) kasvojen mittasuhteita ja suuntausta. Näin tehtäessä poskionteloluuta kierrettiin parasagittaalisesti ja siirrettiin posteriorisesti (>5 mm). Vastaavasti otsaharjaa oikaistiin postero-superiorisesti useita millimetrejä, ja leukaluita siirrettiin useita millimetrejä inferiorisesti kasvojen korkeuden lisäämiseksi. Jokaista rekonstruktiota varten kukin luu peilattiin Irhoud 1:n keskisagittaalitasossa, minkä jälkeen oikea ja vasen puoli yhdistettiin yhdeksi pintamalliksi. Irhoud 11:n alaleuan rekonstruktio tehtiin peilaamalla alaleuan vasen puoli, joka oli parhaiten säilynyt ja vähiten vääristynyt, oikealle puolelle, lukuun ottamatta kondyylia, joka oli säilynyt vain oikealla puolella ja peilattu vasemmalle puolelle. Alaleuan vasenta puolta edusti kolme pääkappaletta. Ennen peilausta pääfragmenttien väliset halkeamat täyttävä sedimentti käytännössä poistettiin, fragmentit sovitettiin uudelleen ja vasemman kitalakihampaan katkennut kruunu asetettiin takaisin juurelleen. Huomaa, että kondyylien sijainti rekonstruktiossa on vain suuntaa-antava.
Kasvojen, endokastin ja kalloholvin muotoanalyysi
Geometristen morfometristen menetelmien (GMM) avulla analysoitiin Irhoudin fossiilien morfologian eri näkökohtia vertailevassa kontekstissa. Tätä varten digitoimme 3D-maamerkkejä ja liukupuolimerkkejä32,33,34 analysoidaksemme erikseen kasvojen, kallonpohjan profiilin ja ulkoholvin muotoa. Kasvojen (kuva 3a) anatomisten kiintopisteiden 3D-koordinaatit sekä käyrät ja pintapuoliset semilandmarkit (n = 791) digitoitiin Landmark Editor -ohjelmalla35 joko tietokonetomografiakuvista (BIR ACTIS 225/300 ja Toshiba Aquilion) tai pintapuolisista skannauksista (Minolta Vivid 910 ja Breuckmann optoTOP-HE), jotka otettiin äskettäisistä modernin ihmisen ja fossiilisten ihmisten kalloista (n = 267) aiemmin julkaistujen menetelmien36 mukaisesti. Aina kun se oli mahdollista, mittaukset tehtiin alkuperäisen fossiilin skannauksista; joidenkin fossiilisten yksilöiden maamerkit mitattiin tutkimuslaatuisten valukappaleiden skannauksista. Avizoa käytettiin pintatiedostojen poimimiseen tietokonetomografiaskannauksista; pintaskannereista saadut tiedot esikäsiteltiin Geomagic Studion (Geomagic Inc.) ja OptoCatin (Breuckmann) avulla.
Endokastissa (Kuva. 3b, maamerkit ja puolimaamerkit (n = 31) aivokotelon sisäisen midsagittaaliprofiilin varrella digitoitiin alkuperäisten näytteiden (n = 86) tietokonetomografiakuvauksista Avizo-ohjelmassa (Visualization Sciences Group) noudattaen mittausprotokollaa, joka on kuvattu ref. 37, ja muunnettiin 2D-dataksi projisoimalla ne pienimmän neliösumman tasolle Mathematica-ohjelmassa (Wolfram Research).
Ulkoisen holvin (Extended Data Fig. 4, 97 anatomisen maamerkin ja käyrän puolimerkkien koordinaattimittaukset (pitkin ulkoista midisagittaaliprofiilia glabellasta inioniin, koronaalista ja lambdoidista ompeleesta sekä supraorbitaalisen toruksen yläreunaa pitkin) otettiin Microscribe 3DX (Immersion Corp.) – kannettavalla digitointilaitteella tuoreista ja fossiilisista aivokoteloista (n = 296) noudattaen mittausprotokollaa, joka on kuvattu ref. 38. Pisteet ompeleiden varrella otettiin myöhemmin automaattisesti uudelleen näytteeksi Mathematica-ohjelmassa, jotta varmistettiin, että jokaisessa näytteessä on sama puolimerkkien määrä.
Kruunun ääriviivojen analyysi
Irhoud 10:n ja Irhoud 21:n vasemmanpuoleisen M1:n kruunun ääriviivojen analyysi (Laajennettu aineisto, kuva 3a) noudatti aiemmin kuvattuja protokollia39,40. Irhoud 10:n osalta tietokonetomografiakuvat segmentoitiin virtuaalisesti Avizo-ohjelmassa puoliautomaattisella kynnysarvoon perustuvalla lähestymistavalla hampaan digitaalisen 3D-mallin rekonstruoimiseksi, joka tuotiin sitten Rapidform XOR2 -ohjelmaan (INUS Technology, Inc.) kruunun kaulan tason laskemiseksi. Hammas linjattiin siten, että kohdunkaulan taso oli yhdensuuntainen kartesiolaisen koordinaatiston x-y-tason kanssa, ja hammas käännettiin z-akselin ympäri siten, että kielisivu oli yhdensuuntainen x-akselin kanssa. Kruunun ääriviivat vastaavat suunnatun kruunun siluettia okklusaalisessa näkymässä ja heijastettuna kohdunkaulan tasoon. Irhoud 21:n osalta kruunusta otettiin okklusaalikuva Nikon D700 -digitaalikameralla ja 60 mm:n Micro-Nikkor-objektiivilla. Hammas suunnattiin siten, että kohdunkaulan raja oli kohtisuorassa kameran linssin optiseen akseliin nähden. Kuva tuotiin Rhino 4.0 Beta CAD-ympäristöön (Robert McNeel & Associates) ja kohdistettiin kartesiokoordinaatiston x-y-tasoon. Kruunun ääriviivat digitoitiin manuaalisesti spline-toiminnolla, minkä jälkeen kruunu suunnattiin siten, että kielisivu oli yhdensuuntainen x-akselin kanssa. Molemmat kruunun ääriviivat41 keskitettiin ensin asettamalla päällekkäin niiden pinta-alojen keskipisteet M1-näytteen mukaisesti (ks. ref. 40, mutta yhdistettynä 10 muuhun myöhäisempään varhais- ja keskipleistoseeniseen Homo M1 -näytteeseen (eli Arago-31, AT-406, ATD6-11, ATD6-69, ATD6-103, Bilzingsleben-76-530, Petralona, Steinheim, Rabat, Thomas 3). Tämän jälkeen ääriviivat esitettiin 24:llä pseudolankamerkillä, jotka saatiin tasavälein keskipisteestä lähtevillä säteittäisillä vektoreilla (ensimmäinen säde suuntautuu bukkaalisesti ja on yhdensuuntainen kartesiokoordinaatiston y-akselin kanssa), ja ne skaalattiin keskipisteen yksikkökokoon39,41. Neandertalin näytteeseen kuuluvat Arcy-sur-Cure 39, Cova Negra, Krapina (KDP 1, KDP 3, KDP 22, D101, D171, Max C, Max D), La Ferrassie 8, La Quina H18, Le Fate XIII, Le Moustier 1, Monsempron 1953-1, Obi Rakhmat, Petit Puymoyen, Roc de Marsal, Saint-Césaire 1. EMH-näytteitä ovat Dar es-Soltan II-NN ja II-H6 (DSII-NN ja DSII-H6), Qafzeh 10 ja 15 (Qa 10 ja Qa 15), Skhul 1 (Skh 1), Contrebandiers H7 (CT H7). Yläpaleoliittiset modernin ihmisen näytteet ovat Abri Pataud, Fontéchevade, Gough’s Cave (Magdalenian), Grotta del Fossellone, Kostenki 15, Lagar Velho, Laugerie-Basse, La Madeleine, Les Rois 19, Les Rois unnumbered, Mladeč (1 ja 2), Peskő Barlang, St Germain (2, B6, B7), Sunghir (2, 3), Veyrier 1. RMH-näytteet koostuvat yksilöistä, joilla on erilainen maantieteellinen alkuperä (n = 80).
Molaarien ja premolaarien EDJ-muotoanalyysi
Alempien kakkosmolaarien ja kakkospremolaarien emali- ja dentiinikudokset (laajennetut tiedot, kuva 3b) segmentoitiin käyttämällä 3D-vokseliarvohistogrammia ja sen harmaasävyarvojen jakaumaa42,43. Segmentoinnin jälkeen EDJ rekonstruoitiin kolmiopohjaisena pintamallina Avizon avulla (käyttäen rajoittamatonta tasoitusta). Pienet EDJ:n viat korjattiin digitaalisesti Geomagic Studion ”fill holes” -moduulilla. Tämän jälkeen käytimme Avizoa 3D-maamerkkien ja käyränmuotoisten puolimerkkien digitoimiseen näille EDJ:n pinnoille42,43. Molareissa anatomiset maamerkit sijoitettiin protokonidin, metakonidin, entokonidin ja hypokonidin dentiinisarven kärkeen. Premolaareissa anatomiset maamerkit sijoitettiin protokonidien ja metakonidien dentiinisarviin. Lisäksi asetimme maamerkkien sarjan hammassarvet yhdistävän marginaalisen harjanteen varrelle, joka alkoi protokonidin yläreunasta ja kulki kielisuunnassa; tämän harjanteen käyrän varrella olevat pisteet otettiin myöhemmin uudelleen näytteeksi, jotta jokaisesta näytteestä saatiin Mathematica-ohjelmalla sama pistemäärä. Vastaavasti digitoimme ja resamplasimme sementin ja kiilteen yhtymäkohtaa pitkin kulkevan käyrän suljetuksi käyräksi, joka alkaa ja päättyy protokonidisarven alapuolelta ja kohdunkaulan mesiobukkaalisesta kulmasta. Molempien harjakäyrien varrella olevia uudelleen näytteistettyjä pisteitä käsiteltiin sen jälkeen liukukäyrän puolimerkkeinä ja analysoitiin GMM:n avulla yhdessä neljän anatomisen maamerkin kanssa. H. erectus -näytteisiin kuuluvat KNM-ER 992 toinen alempi molaari ja toinen alempi premolaari (M2 ja P4), S1b (M2 ja P4), S5, S6a. Mukaan otettiin myös H. habilis44 -näyte KNM-ER-1802 ominaisuuksien polariteetin määrittämiseksi. Keskipleistoseenin arkaaisiin näytteisiin kuuluvat Mauer (M2 ja P4), Balanica BH-1 (Bal) ja KNM-BK 67. Neandertalin näytteisiin kuuluvat Abri Suard S36, Combe Grenal (29, IV, VIII), El Sidron (303, 540, 755, 763a), Krapina (53, 54, 55, 57, 59, D1, D6, D9, D35, D50, D80, D86, D105, D107), La Quina H9, Le Moustier 1 (M2 ja P4), Le Regourdou 1 (M2 ja P4), Scladina I-4A (M2 ja P4), Vindija 11-39. EMH-näytteisiin kuuluvat Dar es-Soltan II H4 (DS II-H4), El Harhoura (El H; M2 ja P4), Irhoud 11 (Ir 11; M2 ja P4), Irhoud 3 (Ir 3; M2 ja P4), Qafzeh 9 (M2 ja P4), Qafzeh 10, Qafzeh 11 (M2 ja P4), Qafzeh 15, Contrebandiers 1 (CT; M2 ja P4). RMH-näytteet koostuvat yksilöistä, joilla on erilainen maantieteellinen alkuperä (M2-näyte, n = 8; P4-näyte, n = 8).
Hampaan juuren muodon analyysi
Analyysi on esitetty laajennetuissa tiedoissa Kuva 3. Etuhampaiden hammaskudokset (kiille, dentiini ja pulpa) segmentoitiin ensin puoliautomaattisesti aluekasvatustyökalun avulla ja mahdollisuuksien mukaan vedenjakajaperiaatetta45 käyttäen; tätä segmentointia muokattiin manuaalisesti halkeamien korjaamiseksi. Tämän jälkeen kukin hammas jaettiin virtuaalisesti kruunuun ja juureen leikkaamalla 3D-mallit kohdunkaulan tasossa, joka määriteltiin sementin ja kiilteen yhtymäkohdan labiaalisen ja linguaalisen puolen suurimman kaarevuuden pisteisiin asetettujen kiintopisteiden välisenä pienimmän neliösovituksen tasona. Protokollaa, joka on kuvattu ref. 46, analysoimme hampaan juuren muodon: Avizo-ohjelmalla digitoitiin kiintopiste juuren kärjessä ja tallennettiin 3D-kiintopistekoordinaattien sarja sementin ja kiilteen yhtymäkohtaa pitkin. Tämän jälkeen tämä käyrä näytteistettiin Mathematicaa käyttäen uudelleen 50:een yhtä kaukana olevaan käyrän puolipistemerkkiin. Juuren pinnan muoto, jota rajaavat kaulan semilandmarkit ja apikaalinen kiintopiste, kvantifioitiin käyttämällä 499 pinnan semilandmarkkia46: 499 kiintopisteen verkko digitoitiin manuaalisesti mallinäytteeseen, sen jälkeen se loimennettiin kullekin näytteelle ohuella spline-interpolaatiolla ja liitettiin segmentoituun juuren pintaan projisoimalla se lähimpään pinnan kärkeen. Nämä kiintopisteet ja puolikiintopisteet analysoitiin sitten GMM:n avulla. H. erectusta edustaa KNM-WT 15000 (WT 15000). Neandertalin näytteisiin kuuluvat Krapina (Krp53, Krp 54, Krp 55, Krp 58, Krp 59), Saint-Césaire 1 (SC), Abri Bourgeois-Delaunay 1 (BD1), Kebara 2 ja 28 (Keb 2, KMH 28). EMH-näytteisiin kuuluvat Contrebandiers 1 (Tem), Qafzeh 8 ja 9 (Qa 8, Qa 9) ja Tabun C2 (Tab C2). Yläpaleoliittiset ja mesoliittiset modernit näytteet sisältävät yksilöitä Oberkasselista (Ob), Nahal-Orenista (NO 8, NO 14), Hayonimista (Ha 8, Ha 19, Ha 20), Kebarasta (Keb A5) ja Combe-Capellesta (CC). RMH-näytteisiin kuuluu yksilöitä, joilla on erilainen maantieteellinen alkuperä (n = 47).
Statistinen analyysi
3D-maamerkkiaineisto ja puolimaamerkkiaineisto analysoitiin käyttämällä Mathematica-ohjelman GMM-funktioita34,47. Käyrät ja pinnat kvantifioitiin käyttämällä liukuvia semilandmarkkeja kunkin näytteen ja näytteen keskimääräisen muodon välisen ohutlevyisen spline-taivutusenergian32 minimoinnin perusteella33,34. Puuttuvat kiintopisteet tai semilandmarkit arvioitiin käyttämällä ohutlevyistä spline-interpolointia näytteen keskimääräisen muodon perusteella liukuprosessin aikana48. Liukumisen jälkeen kaikki kiintopisteet ja semilandmarkit muunnettiin muotomuuttujiksi käyttäen yleistettyä pienimmän neliösumman Procrustesin päällekkäisyyttä49; nämä tiedot analysoitiin sitten PCA:lla ja ryhmien välisellä PCA:lla50. M1-kruunun ääriviivojen analyysia varten ääriviivojen muotomuuttujat projisoitiin muotoavaruuteen, joka saatiin vertailevan M1-näytteen PCA:sta. Tiedot käsiteltiin ja analysoitiin R51-kielellä kirjoitettujen ohjelmistorutiinien avulla.
Mandibulaariset metriset tiedot
Hampaiden metriset ja ei-metriset tiedot
Kruunun metriset ja ei-metriset tiedot (laajennetut tiedot, kuva 3, ja laajennetut tiedot, taulukot 3, 4 ja 5) kerättiin valukappaleista tai originaaleista muutamaa kirjallisuudesta otettua poikkeusta lukuun ottamatta. Viimeksi mainittuja ovat mm: Mumba XII (viite 99), Eyasi100, Kapthurin101, Olduvai102, Sima de los Huesos103 ja joitakin Sangiran metrisiä tietoja104. Juurten metriikkatiedot otettiin 3D-malleista, jotka luotiin mikrotietokonetomografia-aineistosta105. Kruunun mitat otettiin Mitituyo-digitaalimittareilla. Ei-metriset piirreilmaisut pisteytettiin käyttäen soveltuvin osin Arizonan osavaltionyliopiston hammaslääketieteellisen antropologian järjestelmää106 (alahampaiden osalta: Ylemmän hampaiston osalta: lapiointi, tuberculum dentale, hampaan distaalinen lisäharja, hampaan distaalinen lisäharja, hampaan distaalinen lisäharja, hampaan distaalinen lisäharja, hampaan distaalinen lisäharja, hampaan distaalinen lisäharja, hampaan distaalinen lisäharja, hampaan distaalinen lisäharja, hampaan distaalinen lisäharja, hampaan distaalinen lisäharja, hampaan distaalinen lisäharja, hampaan distaalinen lisäharja, hampaan distaalinen lisäharja. 107 kaikkien muiden osalta. RMH-näytteeseen kuuluu yksilöitä Etelä-, Länsi- ja Itä-Afrikasta, Länsi- ja Keski-Euroopasta, Koillis-Aasiasta, Länsi-Aasiasta, Intiasta, Australiasta, Uudesta-Guineasta ja Andamaanien saarilta. Juurimittareiden osalta (laajennetut tiedot, kuva 3) näytteen koostumus löytyy ref.:n taulukosta 1. 105. Laajennettujen tietojen taulukoissa 3-5 H. erectus sisältää yksilöitä Zhoukoudianista, Sangiranista, Länsi-Turkanasta, Itä-Rudolfista, Olduvaista ja Dmanisista. Keskipleistoseenin afrikkalaiset arkaaiset (MPAf) sisältävät yksilöitä Thomas Quarriesista, Salésta, Rabatista, Hoedijiespuntista, Cave of Hearthsista, Olduvaista, Kapthurinista, Eyasista, Broken Hillistä ja Sidi Abderrahmanesta. Keskipleistoseenin eurooppalaiset arkaaiset (MPE) sisältävät yksilöitä Mauerista, Aragosta, Sima de los Huesosista, Fontana Ranucciosta. Neandertalilaisnäytteisiin kuuluvat yksilöt Amudista, Arcy sur Curesta, Chateauneufista, Combe Grenalista, Cova Negrasta, Ehringdorfista, Feldhoferista, Grotta Guattarista, Grotta Taddeosta, Hortuksesta, Kalamakiasta, Krapinasta, Kebarasta, Kullasta, La Quinasta, La Fatesta, La Ferrassiesta ja Le Moustierista, Marillac, Melpignano, Mongaudier, Monsempron, Monte Fenera, Malarnaud, Montmaurin, Obi-Rakhmat, Ochoz, Pech-de-l’Azé, Pech-de-l’Azé, Petit Puymoyen, Pontnewydd, Rozhok, Regourdou, Roc-de-Marsal, Saccopastore, Saint-Césaire, Spy, Subalyuk, Taubach, Tabun ja Vindija. EMH-näytteisiin kuuluvat yksilöt Die Keldersistä, Equus Cave -luolasta, Klasies River Mouthista, Sea Harvestista, Mumbasta, Haua Fteahista, Dar es-Soltanista, Contrebandiersista, El Harhourasta, Qafzehista ja Skhulista.
Leave a Reply