Early anthropoid femora reveal divergent adaptive trajectories in catarrhine hind-limb evolution

The new Aegyptopithecus femur

DPC 24466 (Fig. 1c) 2009-ben találták az M kőfejtőben, a Jebel Qatrani Formáció felső szekvenciájában (1b. ábra). Ez a szint a Seiffert28 által preferált magnetosztratigráfiai korreláció alapján 29,5-30,2 Ma-ra tehető, de még fiatalabb lehet, ha Gingerich29 és Underwood et al.30 igaza van abban, hogy a Jebel Qatrani Formáció egészét az oligocénbe sorolja. Az A. zeuxis tehát legalább ~4,5-5,0 Ma idősebb, mint a legrégebbi ismert fosszilis hominoidák és cercopithecoidák, amelyek a tanzániai Nsungwe Formációból1 egy 25,2 Ma korú lelőhelyről kerültek elő. A DPC 24466 A. zeuxisnak való tulajdonítása azon a tényen alapul, hogy az M-kőfejtőben (vagy a közeli I. kőfejtőben) több mint öt évtizedes intenzív terepmunka után31 , amely során több ezer gerinces fosszíliát azonosítottak, nem azonosítottak más, ugyanebbe a mérettartományba tartozó főemlős taxont. Simons31 valószínűnek tartotta, hogy az A. zeuxis első példányát, amelyet George Olsen gyűjtött 1907-ben (és tévesen “ragadozóként” azonosított), az M kőfejtőben vagy annak közvetlen közelében találták, ami azt jelzi, hogy a kőfejtő potenciálisan 112 éve ismert. A Jebel Qatrani Formáció felső szekvenciájának számos más lelőhelyéhez hasonlóan az M kőfejtő is egy durvaszemcsés fluviális lelőhely, amelyet a történelem során a szél minden évben a sivatagi burkolat (serir) lesöprésével “szüretelt”, így a megszilárdulatlan homok és kavics elfújódott, és az alatta lévő üledékekbe ágyazott fosszíliák kerültek elő.

ADPC 24466 egy jobb combcsont, amely lényegében teljes, kivéve a disztális részt, amely az epikondíliákhoz közeli szárnál letört. A példány megőrzött hossza 112,1 mm, és a szár distalis mediolaterális kiterjedése alapján (proximálisan az epikondíliákhoz) úgy tűnik, hogy meglehetősen rövid lehetett. Az enyhén erodált combcsontfej szuperoinferior átmérője 13,2 mm, és a fovea capitis az ízületi felszín közepétől posteroinferior helyezkedik el. A combcsontfej felső és hátsó részei folytonosak a combnyakkal. Úgy tűnik, hogy a fej ízületi felülete felső és különösen hátsó irányban rányúlik a combnyakra (bár az erodált felület nem teszi lehetővé a teljes kiterjedés egyértelmű értékelését), ami arra utal, hogy a hangsúly a hajlított csípőtartáson van, mint amilyet a négylábúak ugrása és futása során alkalmaznak18,32,33 . A combnyak hátsó részén lévő dudor, amelyet néha paratrochanteric crestnek34 neveznek, és amely jellemzően a korai és középső miocén hominoidáknál és néhány élő és kihalt antropoidánál34,35,36 látható, nincs jelen. A nyak antevertált <15°, a combcsont nyak-tengely szöge pedig 125° (az “általános tartományban”, azaz a felfüggesztő főemlősök alatt, összhangban a korábbi becslésekkel; lásd a 4. kiegészítő táblázatot). A nagy trochanter nagyjából a fej magasságában vagy kissé alatta helyezkedik el. A kisebb trochanter jól fejlett, és körülbelül 40°-kal nyúlik ki a szárból posteromediálisan, ami jóval az antropoid tartományon belül van34. Amint azt korábban megjegyeztük27 , az Aegyptopithecus combcsontja kifejezett harmadik trochantert mutat, ami plesiomorf jellegzetesség, amely a koronás strepsirrhinák, adapiformák, omomyiformák, törzsantropoidák, törzsplatyrrhinák, törzskatarrhinák és néhány miocén hominoidák34,36,37 esetében jelen van.

A combcsont szárának nagy része jól megmaradt, és minden nézetben viszonylag egyenes. A combcsont enyhén platymerikus a becsült középső tengely közelében (2. kiegészítő ábra), és distalisan platymerikusabbá válik. Lehetséges, hogy a halál utáni bizonyos fokú deformáció is hozzájárul a disztális vég szélsőségesen platymer megjelenéséhez. A szár hátsó proximális részén megmaradt egy gerinc, amely valószínűleg az adductor izomzat beágyazódásának felel meg38. A középső tengelytől distalisan a kiel bifurkálódik gerincekre, amelyek a disztális szár mediális és laterális oldalára futnak. A DPC 24466 teljes leírása az 1. kiegészítő megjegyzésben található.

Az Aegyptopithecus egyed testtömegét, amelyhez a DPC 24466 combcsont tartozott, különböző regressziók (hominoid minta, cercopithecoid minta, összevont minta) segítségével becsültük meg a combfej szuperoinferior átmérője és a combcsont anteroposterior átmérője alapján. A regressziókat a Ruff39 ismerteti, a teljes becsléskészletet (beleértve a 95%-os konfidenciaintervallumokat is) pedig az 5. kiegészítő táblázat tartalmazza. A három különböző regresszió alkalmazásával a combfej (3,1-5 kg) alapján kapott tartományok kisebbek voltak, mint a combnyél (6,8-8,5 kg) alapján kapott tartományok. A testtömegre vonatkozó becslések e két közvetítő eszközzel valószínűleg a szélsőséges becsléseket jelentik, mivel az alacsonyabb becslés a combfej enyhén kopott felületéből származik, a nagyobb becslés pedig a (különösen disztálisan) erősen platymerizált szárból származik. A fent bemutatott bizonyítékok alapján a két szélsőérték közötti becslés tekinthető a legésszerűbbnek. Ha ez lenne a helyzet, akkor az erre a példányra becsült testtömeg-tartomány összhangban van az erre a taxonra vonatkozó legtöbb publikált becsléssel, amelyek az Aegyptopithecust 6 és 7 kg közé helyezik27,40,41.

Femorális alakváltozások az emberszabásúaknál

Az élő és a fosszilis minta 3D alaki rokonságát 14 3D-s felületi tájékozódási ponton keresztül értékeltük, amelyek a csont ezen részének általános alakját rögzítik (1. kiegészítő ábra, 1. kiegészítő táblázat). Ezeket a tájékozódási pontokat élő és fosszilis emberszabásúak nagy mintáján is összegyűjtöttük (2. és 3. kiegészítő táblázat). Konkrétabban, az antropoidok combcsont alakváltozásait összefoglaló morfoszférát a kihalt fajok és a fosszilis egyedek Procrustes-koordinátáin végzett főkomponens-elemzés (PCA) első két tengelyének felhasználásával építettük fel, majd az egyes kihalt egyedeket post hoc ábrázoltuk a morfoszférába (2. ábra, 3. kiegészítő ábra; lásd a “Geometriai morfometria” című részt a “Módszerek” részben). Ez a megközelítés (“csoportközi PCA” vagy bgPCA) maximalizálja az a priori azonosított csoportok közötti variációt, miközben figyelembe veszi a fajon belüli variációt42. Amikor a két első komponenst együtt vizsgáljuk, a platyrrhines (vagy újvilági majmok (NWM)), a cercopithecoidák és a hominoidák elkülönülnek egymástól. A hominoidák-cercopithecoidák (bgPC1) és a platyrrhines-catarrhines (bgPC2) combcsontjait megkülönböztető következtetett alakváltozásokat vizuálisan a 4. kiegészítő ábra mutatja be (további részleteket lásd az “Evolúciós modellezés” című részben). Az Aegyptopithecus (DPC 24466), a kora miocén NWM Homunculus (MACN-A 5758) és a középső miocén törzs OWM Victoriapithecus (KNM-MB 35518) kívül esik a modern taxonok variációján, míg a fosszilis majmok Epipliopithecus és a fosszilis homininok (azaz az emberi klán) a modern hominoidák tartományába esnek. Hasonló morfoszférát építettünk fel, amelyben az egyes fosszíliák nem járultak hozzá a sajátelemzéshez, hanem inkább utólag ábrázoltuk őket (5. kiegészítő ábra). Ez a megközelítés lehetővé tette számunkra, hogy a fosszilis taxonok alaki rokonságát kontextusba helyezzük, ha csak az élő emberszabásúak által meghatározott morfoszférát vesszük figyelembe. Ez az elemzés még jobb elkülönítést eredményezett a főbb élő kládok között, miközben a fosszilis példányok közelebb tűnnek egymáshoz.

Az antropoidok proximális combcsontjának alakelemzése. Az ábra a csoportok közötti kovariancia-mátrixon végzett elemzés (bgPCA) első két főkomponensét mutatja. A csoportok a ma élő fajokat és a fosszilis centroidokat jelölik, az egyes példányok és fosszíliák ábrázolása post hoc történik. A DPC 24466 vékonylemez-spline (TPS) torzított változatait, amelyek az egyes tengelyek mentén a variáció szélső értékeit ábrázolják, a 4. kiegészítő ábra mutatja. A színkódok a következők: Újvilági majmok, világosbarna; óvilági majmok, zöld; emberszabású majmok és emberek, narancssárga; hylobatidák, lila; fosszilis homininok, rózsaszín; egyéb fosszilis főemlősök, szürke; az Aegyptopithecus DPC 24466 combcsontja fekete. Az ábrázolt fosszíliák rendszertani besorolása a következő: DPC 24466, Aegyptopithecus zeuxis; MACN-A 5758, Homunculus patagonicus; KNM-MB 35518, Victoriapithecus macinnesi; NHMW1970/1397/0023, Epipliopithecus vindobonensis; MUZ-M80, Morotopithecus bishopi; KNM-MW 13142A, Ekembo nyanzae; BMNH-M 16331, Equatorius africanus; IPS41724, cf. Dryopithecus fontani; IPS18800, Hispanopithecus laietanus; AL333-3 és AL288-1, Australopithecus afarensis; SK 82 és SK 97, vö. Paranthropus robustus; KNM-ER 1481, vö. Homo erectus. A Pongo és a Symphalangus sziluettjei egyedi készítésűek. A Papio sziluettjét a www.phylopic.org oldalról töltöttük le, és szerzői jog nélküli, szabad felhasználásra engedélyezett. A Cebus apella sziluettjét szintén a www.phylopic.org oldalról töltöttük le (Sarah Werning érdeme, és CC BY 3.0 licenc alapján használható). A szerzők módosították az eredeti színeket. A forrásadatokat a Source Data file

Evolúciós modellezés

Az antropoid combcsontok evolúciójának adaptív mintáit egy több regiszteres Ornstein-Uhlenbeck (OU) stabilizáló szelekciós modell43 segítségével vizsgálták. Ez az evolúciós modell azt vizsgálja, hogy a különböző kládok hogyan mennek át különböző fenotípusok (“optimális fenotípusos értékek” vagy “adaptív csúcsok”) felé történő eltolódásokon a különböző evolúciós “rezsimek” azonosításával (a részleteket lásd az “Evolúciós modellezés” című fejezetben a “Módszerek” részben). Ezt a “felszíni” módszert44 először a lehetséges rezsimváltások “naiv” azonosítására alkalmaztuk egy sor stabilizáló szelekciós modell illesztésével és egy lépésenkénti algoritmus alkalmazásával a fenotípusos eltolódások helyének meghatározására a filogenetikai fán (azaz a rezsimek előzetes azonosítása nélkül).

Konkrétan, egy olyan OU-modellből kiindulva, amelyben minden faj egyetlen adaptív optimumhoz vonzódik a morfoszférában, a “felület” a finite-samples Akaike információs kritériumon (AICc)45,46 alapuló, lépésenkénti modellválasztási eljárást használ az egyre összetettebb, több rezsimből álló modellek illesztésére. Minden egyes lépésben egy új rezsimváltás kerül hozzáadásra a filogenia azon ágához, amely az összes vizsgált változót tekintve a leginkább javítja a modell illeszkedését, és a váltások addig kerülnek hozzáadásra, amíg további javulás nem érhető el. A valódi konvergencia ellenőrzéséhez ez a módszer ezután azt értékeli, hogy az AICc pontszám tovább javul-e azáltal, hogy a különböző fajok közös adaptív rezsimek felé mozdulhatnak el, ahelyett, hogy mindegyiknek saját csúcsot kellene elfoglalnia. Általánosságban elmondható, hogy az OU-modellezés hasznos a potenciális adaptív rezsimek és rezsimváltások azonosítására, bár statisztikailag nagyon összetett, ezért az eredményeket óvatosan kell értelmezni47.

Amikor ezt a módszert alkalmaztuk a proximális combcsontforma-változás fő összetevőire – beleértve a sajátelemzésben szereplő kihalt és fosszilis fajokat (3. kiegészítő ábra), valamint a centroidméretet (CS; természetes logaritmus használatával) -, tíz különböző, az antropoid combcsontok fejlődése során ható evolúciós rezsimre derült fény. Az egyes rezsimeket a filogenetikai fa szélei mentén különböző színekkel jelöltük (3a. ábra), és ugyanazon morfoszféra két ábrázolása (altér) mutatja a levezetett adaptív optimumokat (3b., c. ábra). Az egyes evolúciós rezsimek képviselőit a 3d. ábra ábrázolja, a 3b, c. ábrán látható egyes PC-tengelyekhez kapcsolódó következtetett alakváltozásokat pedig a 4. kiegészítő ábra mutatja be. Megjegyzendő, hogy az egyedi adatok (2. ábra) és a faji átlagok/adaptív optimumok (3b. ábra) ugyanabban a morfoszférában vannak ábrázolva (sajátelemzésük pontosan megegyezik). Az Aegyptopithecus, a Victoriapithecus és a Homunculus együttesen egy olyan antropoid plesiomorf rendszert (piros) foglalnak el, amely különbözik bármely más elemzett élő vagy fosszilis fajtól. A tanulmányban szereplő élő platyrrhinák a következtetések szerint négy különböző rezsimben fejlődtek ki, amelyek közül a legplesiomorfabbat a Callicebus és az Aotus képviseli a platyrrhina-fa különböző részein. A Pithecia-Chiropotes, az Ateline és a Cebus-Saimiri kládok saját evolúciós rezsimeket képviselnek. A macskafélék esetében az összes cercopithecina és a Nasalis egy közös rezsimben osztozik, míg a Colobus-Piliocolobus saját rezsimre tért át. A két rezsim közötti különbségek a PC3 mentén és különösen a combcsontok méretében mutatkozó enyhe eltérésekhez kapcsolódnak (3c. ábra). A hominoidákon belül három különböző rezsim létezik: Az összes fosszilis majom és hylobatida, az élő emberszabású majmok (konvergens rezsim), illetve a homininok.

Adaptív rezsimek az antropoidok proximális combcsontformájának evolúciójában. a Idővel kalibrált kronometriai fa, amely az antropoid proximális combcsont alakjának evolúciója során bekövetkezett adaptív csúcstolódások becsült filogenetikai történetét ábrázolja (minden szín egy-egy evolúciós rezsimet jelöl). b, c Morphospaces, amelyek a becsült adaptív optimumokat (nagy körök) és az egyes evolúciós rezsimek alatt fejlődő fajokat (kis körök) mutatják az a. A konvergens optimumot piros körvonallal jelöljük. Az egyes tengelyekhez kapcsolódó alakváltozások hasonlóak a 2. ábrán ábrázoltakhoz (bár fordított PC2-vel). A 4. kiegészítő ábra a catarrhine combcsontok differenciálódásának evolúciós történetét mutatja be az első három PC tengely mentén. d Az egyes evolúciós rezsimek kiválasztott combcsontjainak morfológiai összehasonlítása (hasonló mediolaterális méretre méretezve). Az a-ban szereplő főemlősök sziluettjei az egyes rendszerek kiválasztott főemlőseit szemléltetik. Az ábrák a www.phylopic.org oldalról lettek letöltve, és szerzői jog nélküli, szabad felhasználásra engedélyezettek a Public Domainben. Kivételt képeznek a következő fajok sziluettjei: Cebus apella (kredit: Sarah Werning, felhasználható CC BY 3.0 licenc alapján), Ekembo nyanze (kredit: Nobu Tamura, módosította T. Michael Keesey, CC BY-SA 3.0 licenc alapján), Aegyptopithecus zeuxis (kredit: Mateus Zica, módosította T. Michael Keesey, CC BY-SA 3.0 licenc alapján). A Pongo sziluettje egyedi készítésű. A forrásadatok a Source Data file

A hominoidák és a cercopithecoidák az Aegyptopithecus-szerű morfológiából kiindulva a fenotípusos variáció főtengelye mentén (azaz a 3b. ábrán a PC1 mentén) ellentétes irányban fejlődtek: Míg az előbbiek proximálisan szélesebb combcsontokat fejlesztettek ki, hosszabb anatómiai nyakkal és nagyobb, proximálisabban elhelyezkedő fejjel (a nagyobb trochanterhez képest), addig az utóbbiak proximális combcsontjai keskenyebbek lettek, rövidebb nyakkal és viszonylag kisebb fejjel, amely a megnagyobbodott harmadik trochanter alatt helyezkedik el (4. kiegészítő ábra). A “felszíni” elemzés egyetlen konvergens rendszert mutatott ki a fán az élő emberszabású majmok esetében, ami azt jelenti, hogy a plesiomorf hominoid rendszerből egymástól függetlenül egy közös konvergens optimum felé mozdultak el.

Az eredmény ellenőrzésére két érzékenységi elemzést végeztünk. Először is, az emberszabású majmok esetében észlelt homoplasztikus evolúció mintázatának tesztelésére az elemzést három alternatív filogenetikai fával megismételtük, amelyekben a filogenetikailag vitatott európai fosszilis emberszabású majmok a törzshominidákat (“fa1”), a törzsponginákat (“fa2”), illetve az afrikai törzsi majmokat (“fa3”) képviselik. Az eredmények minden esetben azonosak voltak (6. kiegészítő ábra; lásd még a “Filogenetikai faépítés” című részt a “Módszerek” részben, valamint a cikk 1-3. kiegészítő adataként elérhető Nexus-fákat). Másodszor, ennek a meglehetősen összetett evolúciós modellnek (azaz a 10 különböző evolúciós rendszert tartalmazó “felszíni” kimenetnek) a statisztikai illeszkedését két egyszerűbb modellel hasonlítottuk össze: Mindkettő sokkal kisebb támogatottságot mutatott (ΔAICc > 120; 7. kiegészítő ábra).

Az OU-modellekben és különösen a “felület” által becsült evolúciós paraméterek egyike a “filogenetikai felezési idő” (t1/2), amely az adaptáció sebességének becslését adja43. A t1/2 becslések az egyes változókra a következők voltak: t1/2 PC1 = 0,561, t1/2 PC2 = 1,041, t1/2 PC3 = 0,308, és t1/2 lnCS = 2,339. Az egyes változókra vonatkozó t1/2 becslések a következők voltak: t1/2 PC1 = 0,561, t1/2 PC2 = 1,041, t1/2 PC3 = 0,308, és t1/2 lnCS = 2,339. Ez például azt jelenti, hogy a mintában szereplő átlagos antropoidoknak ~0,5 millió év kell ahhoz, hogy a PC1 mentén félúton egy új optimum felé fejlődjenek, a PC2 mentén ~1 millió év, a PC3 mentén ~0,3 millió év, az lnCS-t tekintve pedig ~2,3 millió év. Ezek az eredmények többek között arra utalhatnak, hogy a hominoidákat és a cercopithecoidákat megkülönböztető femorális morfológiai adaptációk (amelyeket a PC1 rögzít) kétszer olyan gyorsan következtek be, mint a catarrhine-platyrrhine differenciálódás, amelyet a PC2 rögzít (lásd a 2. és 3. ábrát és a 4. kiegészítő ábrát). Az emberszabású majmok és az emberek közötti változások (ahogyan azt a PC3 megragadja) sokkal később és még gyorsabban következtek be, és a combcsontok méretének változásai (ahogyan azt az lnCS közelíti) voltak a leglassabbak.

Ezzel a megközelítéssel kapcsolatos lehetséges figyelmeztetés, hogy a “felület” feltételezi, hogy a bemeneti változók függetlenek egymástól, hogy kiszámítsa a végső AICc-pontszámok összegzését a legjobb átfogó modell kiválasztásához. Adams és Collyer48 kimutatta, hogy a tulajdonságdimenziók közötti függetlenség feltételezése (amikor azok nem függetlenek) a modell hibás specifikációjához vezethet ezzel a módszerrel (lásd még hivatkozások 49,50). Ennek a kulcsfontosságú potenciális problémának a kezelésére, amely nagyobb valószínűséggel fordul elő filogenetikai PCA alkalmazásával, mint ebben az esetben51 , azt vizsgáltuk, hogy az evolúciós elemzésekben szereplő főkomponensekre (PC 1-3) adott egyének pontszámai korrelálnak-e egymással filogenetikai általánosított legkisebb négyzetek segítségével. Az eredmények azt mutatják, hogy bár a PC1 pontszámok korrelálnak a PC2 és PC3 pontszámokkal (de a PC2 pontszámok nem korrelálnak a PC3 pontszámokkal), a kapcsolat a megjósolható kovariációnak csak nagyon kis részét magyarázza (r2 PC1-2 = 0,009, r2 PC1-3 = 0,002). Ennek fényében biztosak vagyunk abban, hogy a többváltozós multi-OU modellezésünk robusztus, különösen azért, mert ez a módszer sokkal jobban teljesít, ha legalább 2-4 változót használunk44. Ezen eredmények kiegészítéseként az egyes eredeti változókra vonatkozó egyéni modellillesztéseket is közöljük és megvitatjuk a 8. kiegészítő ábrán.

Méret és filogenetikai szignatúrák

A combcsont általános alakja és mérete közötti kapcsolatot az összes Procrustes-koordináta és CS-jük filogenetikai többváltozós regressziójával52 vizsgáltuk. Ez a kapcsolat statisztikailag nem bizonyult szignifikánsnak (permutációs teszt; 1000 forduló). Negatív eredményeket kaptunk az első három variációs tengely külön-külön történő vizsgálatakor is. Ezért megállapítható, hogy a vizsgált taxonok közötti combcsont alakbeli különbségek nem magyarázhatók pusztán a combcsont méretbeli különbségeivel.

Az antropoid proximális combcsont filogenetikai jelét vizsgáltuk mind a méret (mind a CS, mind a log-transzformált CS, természetes logaritmusokkal), mind az alak (az első három PC és az összes Procrustes-koordináta) tekintetében a Blomberg-féle K-statisztika53 nagydimenziós adatokra adaptált, általánosított változatával54. Ezzel a módszerrel a K értékei 0 → ∞ között mozognak, Brown-mozgás esetén 1,0 várható értékkel. A K < 1,0 értékek a vártnál kisebb filogenetikai jellel rendelkező adatokat, a K > 1,0 értékek pedig a vártnál nagyobb filogenetikai jellel rendelkező adatokat írnak le. Az lnCS vagy a CS használatával a megfigyelt filogenetikai jel nagyobb a vártnál a proximális combcsontméret esetében (K = 2,410, illetve K = 2,066). Ha az evolúciós modellezés során vizsgált három első PC-tengelyt egyszerre vizsgáljuk, a proximális combcsont alakváltozása a Brown-várakozáshoz közeli evolúciót mutat (K = 0,972), míg a vártnál kisebbet a teljes alakban (azaz az összes Procrustes-koordinátában vagy az összes PC-ben; K = 0,506). Végül, amikor a “felszíni” elemzésben használt változóknak ugyanazt a tömbjét vizsgáljuk egyszerre (azaz az első három PC tengelyt és az lnCS-t), K = 2,245. A K értékek minden esetben szignifikánsak voltak (P ≤ 0,001). A K-t statisztikailag permutációval (1000 kör) értékeltük, ahol a filogenia csúcsain lévő adatokat a fához viszonyítva véletlenszerűvé tettük, és minden egyes körben véletlenszerű K-értékeket kaptunk, majd összehasonlítottuk a tényleges fával talált K-val. Ezeket a konkrét eredményeket az 1. fával kaptuk, de egyenértékű eredményeket találtunk a 2. és 3. fával is (lásd a 6. kiegészítő ábrát).