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

De nieuwe Aegyptopithecus femur

DPC 24466 (Fig. 1c) werd in 2009 gevonden in Quarry M, in de bovenste sequentie van de Jebel Qatrani Formatie (Fig. 1b). Dit niveau wordt geacht 29,5-30,2 Ma te zijn op basis van de geprefereerde magnetostratigrafische correlatie van Seiffert28 maar zou nog jonger kunnen zijn als Gingerich29 en Underwood et al.30 correct zijn door de gehele Jebel Qatrani Formatie binnen het Oligoceen te plaatsen. A. zeuxis is daarom tenminste ~4,5-5,0 Ma ouder dan de oudst bekende fossiele hominoïden en cercopithecoïden, die zijn teruggevonden op een vindplaats van 25,2 Ma in de Nsungwe Formatie van Tanzania1. De toeschrijving van DPC 24466 aan A. zeuxis is gebaseerd op het feit dat er geen andere primaattaxa in dezelfde grootteklasse zijn geïdentificeerd in Quarry M (of de nabijgelegen Quarry I) na meer dan vijf decennia intensief veldwerk op de vindplaats31 , gedurende welke duizenden gewervelde fossielen zijn geïdentificeerd. Simons31 achtte het waarschijnlijk dat het eerste specimen van A. zeuxis, verzameld door George Olsen in 1907 (en verkeerd geïdentificeerd als een ‘carnivoor’), werd gevonden in of zeer dicht bij groeve M, wat erop wijst dat de groeve mogelijk al 112 jaar bekend is. Net als verschillende andere vindplaatsen in de bovenste sequentie van de Jebel Qatrani Formatie, is groeve M een grofkorrelige fluviatiele vindplaats die historisch gezien ‘door de wind werd geoogst’ door elk jaar de serir (woestijnverharding) weg te vegen, waardoor het ongeconsolideerde zand en grind konden wegwaaien en fossielen aan het licht konden brengen die in de onderliggende sedimenten waren ingebed.

DPC 24466 is een rechter femur dat in essentie compleet is met uitzondering van het distale deel, dat is afgebroken bij de schacht proximaal van de epicondylen. De bewaarde lengte van het specimen is 112,1 mm, en gebaseerd op de distale mediolaterale expansie van de schacht (proximaal van de epicondylen), lijkt het vrij kort te zijn geweest. De superinferieure diameter van de licht geërodeerde femurkop is 13,2 mm, en de fovea capitis ligt posteroinferieur aan het centrum van het articulaire oppervlak. De superieure en posterieure delen van de femurkop zijn doorlopend met de femurhals. Het gewrichtsoppervlak van de kop lijkt zich superieur en vooral posterieur uit te strekken tot de femurhals (hoewel het geërodeerde oppervlak een duidelijke beoordeling van de volledige extensie onmogelijk maakt), wat wijst op een nadruk op gebogen heuphoudingen, zoals die tijdens het springen en rennen met viervoeters worden gebruikt18,32,33. De knobbel op het achterste deel van de femurhals, soms de paratrochanteric kam genoemd34, die typisch wordt gezien bij vroege en midden Mioceen hominoïden en sommige levende en uitgestorven antropoïden34,35,36, is niet aanwezig. De nek is anteverted <15° en de femurhals-ashoek is 125° (in het ‘generalized range’, d.w.z. onder suspensieprimaten, consistent met eerdere schattingen; zie supplementaire tabel 4). De grote trochanter bevindt zich op ongeveer hetzelfde niveau als de kop of iets daaronder. De trochanter onder is goed ontwikkeld en steekt posteromediaal in een hoek van ongeveer 40° uit de schacht, ruim binnen het bereik van de mensapen34. Zoals eerder opgemerkt27 vertoont het Aegyptopithecus-dijbeen een duidelijke derde trochanter, een plesiomorf karakter dat voorkomt bij kroonstrepsirrhines, adapiformen, omomyiformen, stamantropoïden, stamplatyrrhines, stamcatarrhines, en sommige Mioceen-hominoïden34,36,37.

Het grootste deel van de femurschacht is goed bewaard gebleven, en is relatief recht in alle aanzichten. Het femur is licht platymerisch nabij de geschatte middenschacht (supplementaire Fig. 2) en wordt meer platymerisch distaal. Het is mogelijk dat een zekere mate van postmortale vervorming bijdraagt aan het extreem platymerische uiterlijk van het distale uiteinde. In het posterieure proximale deel van de schacht is een kiel bewaard gebleven die hoogstwaarschijnlijk overeenkomt met de insertie van de adductor musculatuur38. Distaal van de middenschacht splitst de kiel zich in ribbels die naar de mediale en laterale zijden van de distale schacht lopen. Een volledige beschrijving van DPC 24466 is beschikbaar in aanvullende noot 1.

De lichaamsmassa van het Aegyptopithecus individu waartoe het DPC 24466 femur behoorde werd geschat met behulp van verschillende regressies (hominoïde monster, cercopithecoïde monster, gepoolde monster) op basis van femurkop superoinferior diameter en femurschacht anteroposterior diameter. De regressies worden beschreven in Ruff39, en de volledige reeks schattingen (inclusief 95%-betrouwbaarheidsintervallen) wordt gepresenteerd in aanvullende tabel 5. Bij gebruikmaking van de drie verschillende regressies waren de met behulp van de femurkop verkregen waarden (3,1-5 kg) lager dan die welke met behulp van de femurschacht (6,8-8,5 kg) werden verkregen. De schattingen van de lichaamsmassa aan de hand van deze twee proxies vormen waarschijnlijk de uiterste schattingen, aangezien de laagste schatting is afgeleid van een enigszins afgesleten oppervlak van de femurkop en de hoogste schatting is afgeleid van een zeer platymerische schacht (vooral distaal). Gezien het bovenstaande wordt een schatting die het midden houdt tussen de twee uitersten als de meest redelijke beschouwd. Als dit het geval zou zijn, dan is de geschatte lichaamsmassa voor dit specimen consistent met de meeste gepubliceerde schattingen voor dit taxon, die Aegyptopithecus tussen 6 en 7 kg plaatsen27,40,41.

Vermorale vormvariatie bij mensapen

De 3D vormverwantschap van het levende en fossiele monster werd beoordeeld aan de hand van 14 3D oppervlaktemarkeringen die de algemene vorm van dit deel van het bot vastleggen (Supplementary Fig. 1, Supplementary Table 1). Deze landmerken werden ook verzameld op een grote steekproef van levende en fossiele mensapen (supplementaire tabellen 2 en 3, respectievelijk). Meer bepaald werd een morfospace die de vormvariatie van het dijbeen van antropoïden samenvat, geconstrueerd aan de hand van de eerste twee assen van een hoofdcomponentenanalyse (PCA) uitgevoerd op de Procrustes-coördinaten van de gemiddelden van de bestaande soorten en de fossiele individuen, en individuele bestaande specimens werden vervolgens post hoc in de morfospace geplot (Fig. 2, supplementaire Fig. 3; zie ‘Geometrische morfometrie’ in de sectie ‘Methoden’). Deze aanpak (‘between-group PCA’ of bgPCA) maximaliseert de variatie tussen groepen die a priori zijn geïdentificeerd, terwijl rekening wordt gehouden met intraspecifieke variatie42. Wanneer de twee eerste componenten samen worden geïnspecteerd, worden platyrrhines (of Nieuwe Wereldapen (NWM)), cercopithecoïden, en hominoïden van elkaar gescheiden. Afgeleide vormveranderingen die de femora van hominoïden-cercopithecoïden (bgPC1) en platyrrhines-catarrhines (bgPC2) van elkaar onderscheiden, worden visueel voorgesteld in supplementaire fig. 4 (zie meer details in de sectie ‘Evolutionaire modellering’ hieronder). Aegyptopithecus (DPC 24466), de vroeg-Mioceen NWM Homunculus (MACN-A 5758), en de midden-Mioceen stam OWM Victoriapithecus (KNM-MB 35518) vallen buiten de variatie van moderne taxa, terwijl fossiele apen Epipliopithecus en fossiele homininen (d.w.z. de mensclade) binnen het bereik van moderne hominoïden vallen. Een soortgelijke morfospace werd geconstrueerd waarbij individuele fossielen niet bijdroegen tot de eigenanalyse, maar a posteriori werden uitgezet (Supplementary Fig. 5). Deze benadering stelde ons in staat om de vormverwantschap van fossiele taxa te contextualiseren aan de hand van alleen de morfospace gedefinieerd door levende mensachtigen. Deze analyse leverde een nog betere scheiding op tussen de belangrijkste levende clades, terwijl fossiele specimens dichter bij elkaar lijken te liggen.

Vormanalyse van het antropoïde proximale femur. De grafiek toont de eerste twee hoofdcomponenten van een analyse die is uitgevoerd op de covariantiematrix tussen de groepen (bgPCA). De groepen vertegenwoordigen de bestaande soorten en de fossiele centra, waarbij de individuele specimens en fossielen post hoc zijn uitgezet. Thin-plate-spline (TPS) scheve versies van DPC 24466 die de extremen van variatie langs elke as weergeven, zijn weergegeven in supplementaire Fig 4. De kleurcodes zijn als volgt: Nieuwe Wereld apen, licht bruin; Oude Wereld apen, groen; mensapen en mensen, oranje; hylobatiden, paars; fossiele homininen, roze; andere fossiele primaten, grijs; het Aegyptopithecus DPC 24466 dijbeen is zwart. Taxonomische toeschrijvingen van de afgebeelde fossielen zijn: 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 en AL288-1, Australopithecus afarensis; SK 82 en SK 97, cf. Paranthropus robustus; KNM-ER 1481, cf. Homo erectus. Silhouetten voor Pongo en Symphalangus werden op maat gemaakt. Silhouet voor Papio werd gedownload van www.phylopic.org en is gelicenseerd voor vrij gebruik in het Public Domain zonder copyright. Silhouet voor Cebus apella werd ook gedownload van www.phylopic.org (met dank aan Sarah Werning, en beschikbaar voor gebruik onder CC BY 3.0 licentie). De auteurs hebben de originele kleuren aangepast. Brongegevens worden verstrekt als een brongegevensbestand

Evolutionaire modellering

Adaptieve patronen van antropoïde femorale evolutie werden bestudeerd met behulp van een multi-regime Ornstein-Uhlenbeck (OU) stabiliserend selectiemodel43. Dit evolutionaire model onderzoekt hoe verschillende clades verschuivingen ondergaan naar verschillende fenotypen (‘optimale fenotypische waarden’ of ‘adaptieve pieken’) door de verschillende evolutionaire ‘regimes’ te identificeren (zie ‘Evolutionaire modellering’ in het gedeelte ‘Methoden’ voor details). Deze ‘oppervlakte’-methode44 werd eerst toegepast om ‘naïef’ mogelijke regimeverschuivingen te identificeren door een reeks stabiliserende selectiemodellen te passen en een stapsgewijs algoritme te gebruiken om fenotypische verschuivingen op een fylogenetische boom te lokaliseren (d.w.z. zonder voorafgaande identificatie van regimes).

Specifiek, beginnend met een OU-model waarin alle soorten worden aangetrokken tot een enkel adaptief optimum in morfospace, gebruikt ‘surface’ een stapsgewijze modelselectieprocedure op basis van het finite-samples Akaike informatiecriterium (AICc)45,46 om steeds complexere multi-regime modellen te passen. Bij elke stap wordt een nieuwe regimeverschuiving toegevoegd aan de tak van de fylogenie die de model fit over alle geïnspecteerde variabelen het meest verbetert, en verschuivingen worden toegevoegd tot geen verdere verbetering meer wordt bereikt. Om de echte convergentie te verifiëren, evalueert deze methode vervolgens of de AICc-score verder wordt verbeterd door verschillende soorten toe te staan naar gedeelde adaptieve regimes te verschuiven in plaats van te eisen dat elke soort zijn eigen piek bezet. In het algemeen is OU-modellering nuttig om potentiële adaptieve regimes en regimeverschuivingen te identificeren, hoewel het statistisch zeer complex is en de resultaten daarom voorzichtig moeten worden geïnterpreteerd47.

Toen deze methode werd toegepast op de belangrijkste componenten van de proximale femurvormvariatie – waarbij extante en fossiele soorten in de eigenanalyse werden opgenomen (supplementaire fig. 3) plus de centroïdegrootte (CS; gebruikmakend van natuurlijke logaritme)- werden tien verschillende evolutionaire regimes gedetecteerd die tijdens de evolutie van het femur van antropoïden optraden. Elk van de regimes wordt geïdentificeerd met verschillende kleuren langs de randen van een fylogenetische boom (Fig. 3a) en twee representaties (subruimten) van dezelfde morfospace die de afgeleide adaptieve optima tonen (Fig. 3b, c). Representanten van elk evolutionair regime zijn afgebeeld in Fig. 3d en afgeleide vormveranderingen geassocieerd met elke PC-as in Fig. 3b, c worden gepresenteerd in supplementaire Fig. 4. Merk op dat individuele gegevens (Fig. 2) en soortgemiddelden/adaptieve optima (Fig. 3b) in dezelfde morfospace worden voorgesteld (hun eigenanalyse is precies dezelfde). Aegyptopithecus, Victoriapithecus, en Homunculus bezetten samen een antropoide plesiomorphisch regime (rood) dat verschilt van alle andere geanalyseerde levende of fossiele soorten. De levende platyrrhines in de studie zijn geëvolueerd onder vier verschillende regimes, waarvan het meest plesiomorfe wordt vertegenwoordigd door Callicebus en Aotus in verschillende delen van de platyrrhine boom. De Pithecia-Chiropotes, ateline en Cebus-Saimiri clades vertegenwoordigen hun eigen evolutionaire regimes, respectievelijk. Bij de catarrhines delen alle cercopithecines en Nasalis een gemeenschappelijk regime, terwijl de Colobus-Piliocolobus naar hun eigen regime vertrekken. De verschillen tussen beide regimes houden verband met lichte verschillen langs PC3 en vooral in femorgrootte (Fig. 3c). Binnen de hominoiden zijn er drie verschillende regimes: Respectievelijk alle fossiele mensapen en hylobatiden, levende mensapen (convergent regime), en hominoïden.

Adaptieve regimes in de evolutie van de vorm van het antropoïde proximale dijbeen. a Tijdgekalibreerde chronometrische boom die de geschatte fylogenetische geschiedenis weergeeft van adaptieve piekverschuivingen tijdens de evolutie van de proximale femurvorm bij mensapen (elke kleur staat voor een ander evolutionair regime). b, c Morfospaces die de geschatte adaptieve optima (grote cirkels) en soorten (kleine cirkels) weergeven die evolueren onder elk evolutionair regime in a. Een convergerend optimum is gemarkeerd met een rode omlijning. De vormveranderingen geassocieerd met elke as zijn vergelijkbaar met die afgebeeld in Fig. 2 (hoewel met een omgekeerde PC2). In supplementaire fig. 4 wordt de evolutionaire geschiedenis van de catarrhine femordifferentiatie langs de eerste drie PC-assen weergegeven. d Morfologische vergelijking van geselecteerde femora uit elk van de evolutionaire regimes (geschaald tot vergelijkbare mediolaterale grootte). De silhouetten van de primaten in a illustreren de geselecteerde primaten van elk regime. Ze werden gedownload van www.phylopic.org en zijn vrij te gebruiken in het Public Domain zonder copyright. Uitzonderingen zijn de silhouetten van Cebus apella (met dank aan Sarah Werning en beschikbaar voor gebruik onder CC BY 3.0 licentie), Ekembo nyanze (met dank aan Nobu Tamura en bewerkt door T. Michael Keesey, onder CC BY-SA 3.0 licentie), Aegyptopithecus zeuxis (met dank aan Mateus Zica en bewerkt door T. Michael Keesey, onder CC BY-SA 3.0 licentie). Het silhouet van Pongo is op maat gemaakt. Brongegevens worden verstrekt als een Source Data bestand

Gaande van een Aegyptopithecus-achtige morfologie, hebben hominoïden en cercopithecoïden zich in tegengestelde richting ontwikkeld langs de hoofdas van fenotypische variatie (d.w.z. PC1 in Fig. 3b): Terwijl de eerstgenoemden proximaal bredere femora ontwikkelden, met langere anatomische halzen en grotere, meer proximaal gelegen koppen (ten opzichte van de grote trochanter), werden de proximale femora van de laatstgenoemden smaller, met kortere halzen en relatief kleinere koppen, gelegen onder een vergrote derde trochanter (supplementaire Fig. 4). De “oppervlakte”-analyse bracht één convergent regime in de boom voor levende mensapen aan het licht, hetgeen impliceert dat zij onafhankelijk van een plesiomorf hominoïd regime naar een gemeenschappelijk convergent optimum zijn overgeschakeld.

Twee gevoeligheidsanalyses werden uitgevoerd om dit resultaat te verifiëren. Ten eerste, om het patroon van homoplastische evolutie te testen dat voor mensapen werd ontdekt, werd de analyse herhaald met drie alternatieve fylogenetische bomen waarin de fylogenetisch omstreden Europese fossiele mensapen respectievelijk stamhominiden (‘boom1’), stampongen (‘boom2’), en stamafrikaanse mensapen (‘boom3’) vertegenwoordigden. In alle gevallen waren de resultaten identiek (Supplementary Fig. 6; zie ook ‘Phylogenetic tree building’ in de sectie ‘Methods’ en Nexus trees beschikbaar als Supplementary Data 1-3 van dit artikel). Ten tweede werd de statistische fit van dit tamelijk complexe evolutionaire model (d.w.z. de ‘oppervlakte’ output met 10 verschillende evolutionaire regimes) vergeleken met twee meer eenvoudige modellen: Brownse beweging en een enkel regime OU-model, die beide veel minder ondersteuning laten zien (ΔAICc > 120; Aanvullende Fig. 7).

Een van de evolutionaire parameters geschat in OU-modellen en specifiek door ‘surface’ is de ‘fylogenetische halveringstijd’ (t1/2), die een schatting geeft van de snelheid van aanpassing43. Het vertegenwoordigt de gemiddelde hoeveelheid tijd die nodig is om halverwege naar het nieuwe optimum te evolueren, gegeven een beginnende evolutionaire regimeverschuiving. t1/2 schattingen voor elke variabele waren: t1/2 PC1 = 0.561, t1/2 PC2 = 1.041, t1/2 PC3 = 0.308, en t1/2 lnCS = 2.339. Dit betekent bijvoorbeeld dat de gemiddelde mensaap in de steekproef er ~0,5 miljoen jaar over doet om halverwege naar een nieuw optimum te evolueren langs PC1, ~1 miljoen jaar langs PC2, ~0,3 miljoen jaar langs PC3, en ~2,3 miljoen jaar in termen van lnCS. Deze resultaten zouden er onder andere op kunnen wijzen dat de morfologische aanpassingen aan het dijbeen die hominoïden van cercopithecoïden onderscheiden (gevangen door PC1) twee keer zo snel plaatsvonden als de catarrhine-platyrrhine differentiatie, die gevangen wordt door PC2 (zie Figs. 2 en 3 en Supplementary Fig. 4). Veranderingen tussen mensapen en mensen (zoals weergegeven door PC3) traden recenter en zelfs sneller op en veranderingen in femorgrootte (zoals benaderd door lnCS) waren het traagst.

Een mogelijk voorbehoud bij deze benadering is dat “surface” veronderstelt dat de invoervariabelen onafhankelijk van elkaar zijn om de samenvatting van de uiteindelijke AICc-scores te berekenen om het beste algemene model te kiezen. Adams en Collyer48 toonden aan dat het veronderstellen van onafhankelijkheid tussen traitdimensies (wanneer ze niet onafhankelijk zijn) kan leiden tot modelmispecificatie met deze methode (zie ook refs. 49,50). Om dit belangrijke potentiële probleem aan te pakken, dat waarschijnlijker is bij gebruik van een fylogenetische PCA dan in dit geval51, hebben we getest of de scores van individuen voor de hoofdcomponenten opgenomen in de evolutionaire analyses (PCs 1-3) met elkaar gecorreleerd waren met behulp van fylogenetische gegeneraliseerde kleinste kwadraten. De resultaten geven aan dat, hoewel PC1-scores gecorreleerd zijn met PC2- en PC3-scores (maar niet PC2-scores met PC3-scores), de relatie slechts een zeer klein deel van de voorspelbare covariatie verklaart (r2 PC1-2 = 0,009, r2 PC1-3 = 0,002). In het licht hiervan zijn wij ervan overtuigd dat onze multivariate multi-OU modellering robuust is, vooral omdat deze methode veel beter presteert bij gebruik van ten minste 2-4 variabelen44. Om deze resultaten aan te vullen, worden ook individuele modelpassingen voor elke oorspronkelijke variabele gerapporteerd en besproken in supplementaire Fig. 8.

Grootte en fylogenetische signaturen

De relatie tussen de algemene femurvorm en grootte werd geïnspecteerd door middel van fylogenetische multivariate regressie52 van alle Procrustes-coördinaten en hun CS. Dit verband bleek statistisch niet significant te zijn (permutatietest; 1000 ronden). Negatieve resultaten werden ook verkregen bij inspectie van de eerste drie variatie-assen afzonderlijk. Daarom kan geconcludeerd worden dat verschillen in femurvorm tussen de bestudeerde taxa niet alleen verklaard kunnen worden door verschillen in femorgrootte.

Phylogenetisch signaal in het antropoïde proximale femur werd onderzocht in zowel de grootte (zowel CS als log-getransformeerde CS, met gebruikmaking van natuurlijke logaritmen) als de vorm (eerste drie PC’s en alle Procrustes-coördinaten) met behulp van een veralgemeende versie van Blombergs K-statistiek53 , aangepast voor hoog-dimensionale gegevens54. Met deze methode variëren de waarden van K van 0 → ∞, met een verwachte waarde van 1,0 onder Brownse beweging. Waarden van K < 1.0 beschrijven gegevens met minder fylogenetisch signaal dan verwacht, en waarden van K > 1.0 beschrijven gegevens met een groter fylogenetisch signaal dan verwacht. Bij gebruik van lnCS of CS is het waargenomen fylogenetische signaal groter dan verwacht in proximale femorgrootte (K = 2,410 en K = 2,066, respectievelijk). Wanneer de drie eerste PC-assen die in de evolutionaire modellering zijn onderzocht, in één keer worden geïnspecteerd, blijkt de proximale femurvormvariatie dicht bij de Brownse verwachting te zijn geëvolueerd (K = 0,972), terwijl zij in de totale vorm (d.w.z. alle Procrustes-coördinaten of alle PC’s; K = 0,506) minder groot is dan verwacht. Tenslotte, wanneer dezelfde reeks variabelen die in de “oppervlakte”-analyse zijn gebruikt, in één keer worden onderzocht (d.w.z. de eerste drie PC-assen en de lnCS), is K = 2,245. In alle gevallen waren de K-waarden significant (P ≤ 0,001). K werd statistisch geëvalueerd via permutatie (1000 ronden), waarbij gegevens aan de uiteinden van de fylogenie werden gerandomiseerd ten opzichte van de boom, en willekeurige waarden van K werden verkregen voor elke ronde en vervolgens vergeleken met de K gevonden met de werkelijke boom. Deze specifieke resultaten werden verkregen met behulp van boom 1, maar gelijkwaardige resultaten werden gevonden met bomen 2 en 3 (zie aanvullende Fig. 6).