Frühe anthropoide Oberschenkelknochen zeigen divergente Anpassungswege in der Evolution der katarrhalischen Hinterbeine
Der neue Oberschenkelknochen von Aegyptopithecus
DPC 24466 (Abb. 1c) wurde 2009 im Steinbruch M, in der oberen Abfolge der Jebel Qatrani Formation (Abb. 1b), gefunden. Dieses Niveau wird auf der Grundlage der bevorzugten magnetostratigraphischen Korrelation von Seiffert28 auf 29,5-30,2 Ma geschätzt, könnte aber noch jünger sein, wenn Gingerich29 und Underwood et al.30 mit ihrer Einordnung der gesamten Jebel Qatrani Formation in das Oligozän richtig liegen. A. zeuxis ist daher mindestens ~4,5-5,0 Ma älter als die ältesten bekannten fossilen Hominoiden und Cercopithecoiden, die von einer 25,2 Ma großen Fundstelle in der Nsungwe-Formation in Tansania1 stammen. Die Zuordnung von DPC 24466 zu A. zeuxis beruht auf der Tatsache, dass im Steinbruch M (oder im nahe gelegenen Steinbruch I) nach mehr als fünf Jahrzehnten intensiver Feldarbeit an der Fundstelle31 , in denen Tausende von Wirbeltierfossilien identifiziert wurden, keine anderen Primatentaxa in derselben Größenordnung gefunden wurden. Simons31 hielt es für wahrscheinlich, dass das erste Exemplar von A. zeuxis, das 1907 von George Olsen gesammelt (und fälschlicherweise als „Fleischfresser“ identifiziert) wurde, im Steinbruch M oder in dessen unmittelbarer Nähe gefunden wurde, was darauf hindeutet, dass der Steinbruch möglicherweise schon seit 112 Jahren bekannt ist. Wie mehrere andere Fundorte in der oberen Abfolge der Jebel-Qatrani-Formation ist Steinbruch M eine grobkörnige Flusslandschaft, die in der Vergangenheit vom Wind geerntet“ wurde, indem der Serir (Wüstenbelag) jedes Jahr weggefegt wurde, wodurch der unverfestigte Sand und Kies weggeblasen und Fossilien freigelegt wurden, die in den darunter liegenden Sedimenten eingebettet sind.
DPC 24466 ist ein rechter Oberschenkelknochen, der im Wesentlichen vollständig ist, mit Ausnahme des distalen Teils, der am Schaft in der Nähe der Epikondylen abgebrochen ist. Die erhaltene Länge des Exemplars beträgt 112,1 mm, und ausgehend von der distalen mediolateralen Ausdehnung des Schafts (proximal der Epikondylen) scheint er recht kurz gewesen zu sein. Der superoinferiore Durchmesser des leicht erodierten Femurkopfes beträgt 13,2 mm, und seine Fovea capitis liegt posteroinferior zur Mitte der Gelenkfläche. Die oberen und hinteren Abschnitte des Hüftkopfes schließen mit dem Schenkelhals ab. Die Gelenkfläche des Kopfes scheint sich nach oben und vor allem nach hinten auf den Oberschenkelhals zu erstrecken (obwohl die erodierte Oberfläche eine eindeutige Beurteilung seiner vollen Ausdehnung verhindert), was auf eine Betonung der gebeugten Hüftstellung hindeutet, wie sie beim vierfüßigen Springen und Laufen eingenommen wird18,32,33. Der Tuberkel auf der hinteren Seite des Oberschenkelhalses, der manchmal als paratrochantärer Kamm34 bezeichnet wird und typischerweise bei Hominoiden des frühen und mittleren Miozäns sowie bei einigen lebenden und ausgestorbenen Anthropoiden34,35,36 zu finden ist, ist nicht vorhanden. Der Schenkelhals ist <15° antevertiert und der Winkel zwischen Schenkelhals und Schaft beträgt 125° (im „generalisierten Bereich“, d. h. unterhalb der Hängeprimaten, in Übereinstimmung mit früheren Schätzungen; siehe ergänzende Tabelle 4). Der Trochanter major befindet sich etwa auf der gleichen Höhe wie der Kopf oder etwas darunter. Der Trochanter minor ist gut entwickelt und ragt in einem Winkel von etwa 40° nach posteromedial aus dem Schaft heraus, was durchaus im Bereich der Anthropoiden liegt34. Wie bereits erwähnt27, weist der Oberschenkelknochen von Aegyptopithecus einen ausgeprägten dritten Trochanter auf, ein plesiomorphes Merkmal, das bei Kronenstrepsirrhinen, Adapiformen, Omomyiformen, Stammanthropoiden, Stammplatyrrhinen, Stammkatarrhinen und einigen Hominoiden des Miozäns vorkommt34,36,37.
Der größte Teil des Oberschenkelknochenschafts ist gut erhalten und in allen Ansichten relativ gerade. Der Femur ist in der Nähe des geschätzten Mittelschaftes leicht platymer (ergänzende Abb. 2) und wird nach distal hin platymer. Es ist möglich, dass ein gewisses Maß an postmortaler Deformation zu dem extrem platymeren Aussehen des distalen Endes beiträgt. Im hinteren, proximalen Teil des Schafts ist ein Kiel erhalten, der höchstwahrscheinlich dem Ansatz der Adduktorenmuskulatur entspricht38. Distal der Schaftmitte verzweigt sich der Kiel in Grate, die zur medialen und lateralen Seite des distalen Schafts verlaufen. Eine vollständige Beschreibung von DPC 24466 findet sich in der ergänzenden Anmerkung 1.
Die Körpermasse des Aegyptopithecus-Individuums, zu dem der Oberschenkelknochen von DPC 24466 gehörte, wurde anhand verschiedener Regressionen (hominoide Stichprobe, cercopithecoide Stichprobe, gepoolte Stichprobe) auf der Grundlage des superoinferioren Durchmessers des Oberschenkelkopfs und des anteroposterioren Durchmessers des Oberschenkelschafts geschätzt. Die Regressionen sind in Ruff39 beschrieben, und die vollständigen Schätzungen (einschließlich 95 %-Konfidenzintervalle) sind in der ergänzenden Tabelle 5 aufgeführt. Bei Verwendung der drei verschiedenen Regressionen waren die anhand des Femurkopfes ermittelten Bereiche (3,1-5 kg) geringer als die anhand des Femurschafts (6,8-8,5 kg). Die Schätzungen der Körpermasse anhand dieser beiden Proxies stellen wahrscheinlich die Extremwerte dar, da die niedrigere Schätzung von einer leicht abgeschliffenen Oberfläche des Femurkopfes und die höhere Schätzung von einem sehr plattigen Schaft (insbesondere distal) abgeleitet wurde. In Anbetracht der oben dargelegten Beweise wird eine Schätzung, die zwischen den beiden Extremen liegt, als die vernünftigste angesehen. In diesem Fall stimmt die geschätzte Körpermasse dieses Exemplars mit den meisten veröffentlichten Schätzungen für dieses Taxon überein, wonach Aegyptopithecus zwischen 6 und 7 kg wiegt27,40,41.
Femorale Formvariation bei Anthropoiden
Die 3D-Formverwandtschaft der lebenden und fossilen Probe wurde anhand von 14 3D-Oberflächenmerkmalen bewertet, die die Gesamtform dieses Knochenteils erfassen (ergänzende Abb. 1, ergänzende Tabelle 1). Diese Orientierungspunkte wurden auch an einer großen Anzahl von lebenden und fossilen Anthropoiden gesammelt (Ergänzende Tabellen 2 bzw. 3). Konkret wurde ein Morphenraum, der die Variation der Oberschenkelform von Anthropoiden zusammenfasst, anhand der ersten beiden Achsen einer Hauptkomponentenanalyse (PCA) konstruiert, die mit den Procrustes-Koordinaten der Mittelwerte der ausgestorbenen Arten und der fossilen Individuen durchgeführt wurde, und die einzelnen ausgestorbenen Exemplare wurden dann post hoc in den Morphenraum eingezeichnet (Abb. 2, ergänzende Abb. 3; siehe „Geometrische Morphometrie“ im Abschnitt „Methoden“). Dieser Ansatz (‚between-group PCA‘ oder bgPCA) maximiert die Variation zwischen den a priori identifizierten Gruppen und berücksichtigt gleichzeitig die intraspezifische Variation42. Wenn die beiden ersten Komponenten zusammen untersucht werden, werden Platyrrhinen (oder Neuweltaffen (NWM)), Cercopithecoide und Hominoide voneinander getrennt. Die abgeleiteten Formveränderungen, die die Oberschenkelknochen von Hominoiden-Cercopithecoiden (bgPC1) und Platyrrhinen-Catarrhinen (bgPC2) voneinander unterscheiden, sind in der ergänzenden Abb. 4 visuell dargestellt (siehe weitere Details im Abschnitt „Evolutionäre Modellierung“ unten). Aegyptopithecus (DPC 24466), der frühmiozäne NWM Homunculus (MACN-A 5758) und der mittelmiozäne Stamm OWM Victoriapithecus (KNM-MB 35518) liegen außerhalb der Variationsbreite moderner Taxa, während der fossile Menschenaffe Epipliopithecus und die fossilen Homininen (d. h. die menschliche Klade) in den Bereich der modernen Hominoiden fallen. Ein ähnlicher Morphospace wurde konstruiert, bei dem einzelne Fossilien nicht zur Eigenanalyse beitrugen, sondern a posteriori aufgetragen wurden (ergänzende Abb. 5). Dieser Ansatz ermöglichte es uns, die Formverwandtschaft der fossilen Taxa zu kontextualisieren, wenn man nur den von den lebenden Anthropoiden definierten Morphraum betrachtet. Diese Analyse führte zu einer noch besseren Trennung zwischen den wichtigsten lebenden Kladen, während fossile Exemplare näher beieinander zu liegen scheinen.
Evolutionsmodellierung
Anpassungsmuster der Evolution der Oberschenkelknochen von Menschenaffen wurden mit Hilfe eines stabilisierenden Ornstein-Uhlenbeck (OU)-Modells mit mehreren Regimen untersucht43. Dieses Evolutionsmodell untersucht, wie verschiedene Kladen Verschiebungen hin zu verschiedenen Phänotypen („optimale phänotypische Werte“ oder „adaptive Spitzen“) erfahren, indem die verschiedenen evolutionären „Regime“ identifiziert werden (siehe „Evolutionsmodellierung“ im Abschnitt „Methoden“ für weitere Einzelheiten). Diese „Oberflächen“-Methode44 wurde zunächst angewandt, um „naiv“ mögliche Regimeverschiebungen zu identifizieren, indem eine Reihe von stabilisierenden Selektionsmodellen angepasst und ein schrittweiser Algorithmus verwendet wurde, um phänotypische Verschiebungen in einem phylogenetischen Baum zu lokalisieren (d. h. ohne vorherige Identifizierung von Regimen).
Ausgehend von einem OU-Modell, bei dem alle Arten von einem einzigen adaptiven Optimum in der Morphosphäre angezogen werden, verwendet „surface“ ein schrittweises Modellauswahlverfahren auf der Grundlage des Akaike-Informationskriteriums (AICc)45,46 für die Anpassung zunehmend komplexer Multi-Regime-Modelle. Bei jedem Schritt wird ein neuer Regime-Shift zu dem Zweig der Phylogenie hinzugefügt, der die Modellanpassung über alle untersuchten Variablen hinweg am meisten verbessert, und die Shifts werden so lange hinzugefügt, bis keine weitere Verbesserung mehr erreicht wird. Um die tatsächliche Konvergenz zu überprüfen, bewertet diese Methode dann, ob sich der AICc-Wert weiter verbessert, wenn man den verschiedenen Arten erlaubt, sich in Richtung gemeinsamer adaptiver Regime zu verschieben, anstatt zu verlangen, dass jede Art ihren eigenen Spitzenwert einnimmt. Im Allgemeinen ist die OU-Modellierung nützlich, um potenzielle adaptive Regime und Regimeverschiebungen zu identifizieren, obwohl sie statistisch sehr komplex ist und die Ergebnisse daher vorsichtig interpretiert werden sollten47.
Als diese Methode auf die Hauptkomponenten der Variation der proximalen Oberschenkelform angewandt wurde – einschließlich lebender und fossiler Arten in der Eigenanalyse (ergänzende Abb. 3) sowie der Schwerpunktgröße (CS; unter Verwendung des natürlichen Logarithmus) – wurden zehn verschiedene evolutionäre Regime entdeckt, die während der Evolution der anthropoiden Oberschenkel wirken. Jedes dieser Regime ist mit verschiedenen Farben entlang der Kanten eines phylogenetischen Baums (Abb. 3a) und zwei Darstellungen (Unterräume) desselben Morphraums gekennzeichnet, die die abgeleiteten adaptiven Optima zeigen (Abb. 3b, c). Repräsentanten jedes evolutionären Regimes sind in Abb. 3d dargestellt, und die abgeleiteten Formveränderungen, die mit jeder PC-Achse in Abb. 3b, c verbunden sind, werden in der ergänzenden Abb. 4 präsentiert. Man beachte, dass die individuellen Daten (Abb. 2) und die Mittelwerte/Adaptionsoptima der Arten (Abb. 3b) im selben Morphraum dargestellt sind (ihre Eigenanalyse ist genau dieselbe). Aegyptopithecus, Victoriapithecus und Homunculus befinden sich zusammen in einem anthropoiden plesiomorphen Regime (rot), das sich von allen anderen analysierten lebenden oder fossilen Arten unterscheidet. Die in der Studie untersuchten lebenden Platyrrhinen haben sich unter vier verschiedenen Regimen entwickelt, von denen das plesiomorphste durch Callicebus und Aotus in verschiedenen Teilen des Platyrrhinenbaums vertreten wird. Die Pithecia-Chiropotes-, Ateline- und Cebus-Saimiri-Kladen stellen jeweils ihre eigenen Evolutionsstufen dar. Bei den Catarrhinen teilen sich alle Cercopithecinen und Nasalis ein gemeinsames Regime, während Colobus-Piliocolobus in ein eigenes Regime übergehen. Die Unterschiede zwischen den beiden Regimen hängen mit leichten Unterschieden entlang der PC3 und insbesondere mit der Größe der Oberschenkel zusammen (Abb. 3c). Innerhalb der Hominoiden gibt es drei verschiedene Regime: Alle fossilen Affen und Hylobatiden, lebende Menschenaffen (konvergentes Regime) und Homininen.
Ausgehend von einer Aegyptopithecus-ähnlichen Morphologie haben sich Hominoide und Cercopithecoide in entgegengesetzte Richtungen entlang der Hauptachse der phänotypischen Variation (d.h. PC1 in Abb. 3b) entwickelt: Während die ersteren proximal breitere Oberschenkelknochen mit längeren anatomischen Hälsen und größeren, weiter proximal gelegenen Köpfen (relativ zum Trochanter major) entwickelten, wurden die proximalen Oberschenkelknochen der letzteren schmaler, mit kürzeren Hälsen und relativ kleineren Köpfen, die unterhalb eines vergrößerten dritten Trochanters lagen (ergänzende Abb. 4). Die „Oberflächen“-Analyse ermittelte ein einziges konvergentes Regime im Baum für lebende Menschenaffen, was bedeutet, dass sie sich unabhängig voneinander von einem plesiomorphen hominoiden Regime zu einem gemeinsamen konvergenten Optimum entwickelt haben.
Um dieses Ergebnis zu überprüfen, wurden zwei Sensitivitätsanalysen durchgeführt. Erstens wurde die Analyse mit drei alternativen phylogenetischen Bäumen wiederholt, in denen die phylogenetisch umstrittenen europäischen fossilen Menschenaffen Stammhominiden („Baum1“), Stammponginen („Baum2“) bzw. Stammafrikanische Menschenaffen („Baum3“) darstellten, um das für die Menschenaffen festgestellte Muster der homoplastischen Evolution zu testen. In allen Fällen waren die Ergebnisse identisch (siehe ergänzende Abb. 6; siehe auch „Phylogenetische Baumbildung“ im Abschnitt „Methoden“ und Nexus-Bäume, die als ergänzende Daten 1-3 dieses Artikels verfügbar sind). Zweitens wurde die statistische Anpassung dieses recht komplexen Evolutionsmodells (d. h. die „Oberflächen“-Ausgabe mit 10 verschiedenen Evolutionsregimen) mit zwei einfacheren Modellen verglichen: Brownsche Bewegung und ein OU-Modell mit nur einem Regime, die beide eine wesentlich geringere Unterstützung zeigten (ΔAICc > 120; ergänzende Abb. 7).
Einer der in OU-Modellen und insbesondere von „surface“ geschätzten evolutionären Parameter ist die „phylogenetische Halbwertszeit“ (t1/2), die eine Schätzung der Anpassungsrate liefert43. Die t1/2-Schätzungen für jede Variable waren: t1/2 PC1 = 0,561, t1/2 PC2 = 1,041, t1/2 PC3 = 0,308, und t1/2 lnCS = 2,339. Das bedeutet zum Beispiel, dass der durchschnittliche Anthropoide in der Stichprobe ~0,5 Millionen Jahre braucht, um sich auf halbem Weg zu einem neuen Optimum entlang PC1 zu entwickeln, ~1 Million Jahre entlang PC2, ~0,3 Millionen Jahre entlang PC3 und ~2,3 Millionen Jahre in Bezug auf lnCS. Diese Ergebnisse könnten unter anderem darauf hindeuten, dass die morphologischen Anpassungen der Oberschenkel, die Hominoide und Cercopithecoide unterscheiden (erfasst durch PC1), doppelt so schnell erfolgten wie die katarrhin-platyrrhine Differenzierung, die durch PC2 erfasst wird (siehe Abb. 2 und 3 und ergänzende Abb. 4). Veränderungen zwischen Menschenaffen und Menschen (wie durch PC3 erfasst) traten in jüngerer Zeit und sogar noch schneller auf, und Veränderungen der Femurgröße (wie durch lnCS angenähert) waren am langsamsten.
Ein möglicher Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die „Oberfläche“ davon ausgeht, dass die Eingabevariablen unabhängig voneinander sind, um die Zusammenfassung der endgültigen AICc-Scores zu berechnen und das beste Gesamtmodell auszuwählen. Adams und Collyer48 haben gezeigt, dass die Annahme der Unabhängigkeit zwischen den Merkmalsdimensionen (wenn sie nicht unabhängig sind) bei dieser Methode zu einer Fehlspezifikation des Modells führen kann (siehe auch Abschnitte 49 und 50). Um dieses wichtige potenzielle Problem anzugehen, das bei der Verwendung einer phylogenetischen PCA wahrscheinlicher ist als in diesem Fall51 , haben wir getestet, ob die Werte der Individuen für die Hauptkomponenten, die in die Evolutionsanalysen einbezogen wurden (PC 1-3), mit Hilfe phylogenetischer verallgemeinerter kleinster Quadrate miteinander korreliert sind. Die Ergebnisse zeigen, dass die PC1-Werte zwar mit den PC2- und PC3-Werten korreliert sind (aber nicht die PC2-Werte mit den PC3-Werten), dass diese Beziehung aber nur einen sehr kleinen Teil der vorhersehbaren Kovariation erklärt (r2 PC1-2 = 0,009, r2 PC1-3 = 0,002). In Anbetracht dessen sind wir zuversichtlich, dass unsere multivariate Multi-OU-Modellierung robust ist, zumal diese Methode bei Verwendung von mindestens 2 bis 4 Variablen wesentlich besser abschneidet44. Zur Vervollständigung dieser Ergebnisse werden die einzelnen Modellanpassungen für jede Originalvariable in der ergänzenden Abb. 8 dargestellt und diskutiert.
Größe und phylogenetische Signaturen
Die Beziehung zwischen der Gesamtform der Oberschenkelknochen und der Größe wurde mit Hilfe einer phylogenetischen multivariaten Regression52 aller Procrustes-Koordinaten und ihrer CS untersucht. Diese Beziehung erwies sich als statistisch nicht signifikant (Permutationstest; 1000 Runden). Negative Ergebnisse ergaben sich auch, wenn die ersten drei Variationsachsen einzeln untersucht wurden. Daher kann der Schluss gezogen werden, dass die Unterschiede in der Femurform zwischen den untersuchten Taxa nicht allein durch Unterschiede in der Femurgröße erklärt werden können.
Das phylogenetische Signal im proximalen Oberschenkelknochen der Anthropoiden wurde sowohl in Bezug auf die Größe (sowohl CS als auch log-transformierte CS unter Verwendung natürlicher Logarithmen) als auch auf die Form (die ersten drei PC und alle Procrustes-Koordinaten) unter Verwendung einer verallgemeinerten Version der K-Statistik von Blomberg53 , die für hochdimensionale Daten angepasst wurde, untersucht54. Mit dieser Methode reichen die Werte von K von 0 → ∞, mit einem erwarteten Wert von 1,0 bei Brownscher Bewegung. Werte von K < 1,0 beschreiben Daten mit weniger phylogenetischem Signal als erwartet, und Werte von K > 1,0 beschreiben Daten mit größerem phylogenetischem Signal als erwartet. Bei Verwendung von lnCS oder CS ist das beobachtete phylogenetische Signal bei der proximalen Femurgröße größer als erwartet (K = 2,410 bzw. K = 2,066). Wenn die drei ersten PC-Achsen, die im Rahmen der evolutionären Modellierung untersucht wurden, auf einmal untersucht werden, stellt sich heraus, dass sich die Variation der proximalen Femurform nahe der Brownschen Erwartung entwickelt hat (K = 0,972), während sie in ihrer Gesamtform (d. h. alle Procrustes-Koordinaten oder alle PCs; K = 0,506) geringer ist als erwartet. Wenn schließlich dieselbe Reihe von Variablen, die bei der „Oberflächen“-Analyse verwendet wurden, auf einmal untersucht wird (d. h. die ersten drei PC-Achsen und der lnCS), beträgt K = 2,245. In allen Fällen waren die K-Werte signifikant (P ≤ 0,001). K wurde mittels Permutation (1000 Runden) statistisch ausgewertet, wobei die Daten an den Spitzen der Phylogenie relativ zum Baum randomisiert wurden und für jede Runde zufällige K-Werte ermittelt wurden, die dann mit den K-Werten verglichen wurden, die mit dem tatsächlichen Baum gefunden wurden. Diese spezifischen Ergebnisse wurden mit Baum 1 erzielt, aber es wurden auch gleichwertige Ergebnisse mit den Bäumen 2 und 3 gefunden (siehe ergänzende Abb. 6).
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