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

Nowa kość udowa Aegyptopithecus

DPC 24466 (Fig. 1c) została znaleziona w 2009 roku w kamieniołomie M, w górnej sekwencji formacji Jebel Qatrani (Fig. 1b). Poziom ten uważany jest za 29,5-30,2 Ma na podstawie preferowanej korelacji magnetostratygraficznej Seifferta28 , ale może być jeszcze młodszy, jeśli Gingerich29 i Underwood et al.30 mają rację umieszczając całą formację Jebel Qatrani w obrębie oligocenu. A. zeuxis jest zatem co najmniej ~4,5-5,0 Ma starszy od najstarszych znanych kopalnych hominoidów i cerkopitekoidów, które zostały pozyskane ze stanowiska 25,2 Ma w formacji Nsungwe w Tanzanii1. Przypisanie DPC 24466 do A. zeuxis opiera się na fakcie, że nie ma innych taksonów naczelnych w tym samym zakresie wielkości zidentyfikowanych w kamieniołomie M (lub pobliskim kamieniołomie I) po ponad pięciu dekadach intensywnych prac terenowych w tym miejscu31, podczas których zidentyfikowano tysiące skamieniałości kręgowców. Simons31 uznał za prawdopodobne, że pierwszy okaz A. zeuxis, zebrany przez George’a Olsena w 1907 roku (i błędnie zidentyfikowany jako „mięsożerca”), został znaleziony w kamieniołomie M lub bardzo blisko niego, co wskazuje, że kamieniołom jest potencjalnie znany od 112 lat. Podobnie jak kilka innych miejsc w górnej sekwencji formacji Jebel Qatrani, kamieniołom M jest gruboziarnistym miejscem fluwialnym, które historycznie było „zbierane przez wiatr” poprzez coroczne zamiatanie seriru (chodnika pustynnego), co pozwalało na wydmuchiwanie nieskonsolidowanego piasku i żwiru oraz odsłanianie skamieniałości osadzonych w leżących pod nim osadach.

DPC 24466 to prawa kość udowa, która jest zasadniczo kompletna z wyjątkiem części dystalnej, która jest odłamana na wale proksymalnie do nadkłykci. Zachowana długość okazu wynosi 112,1 mm, a na podstawie dystalnego przyśrodkowo-bocznego rozszerzenia trzonu (proksymalnie do nadkłykci), wydaje się, że była dość krótka. Średnica nadprzyśrodkowa lekko zdeformowanej głowy kości udowej wynosi 13,2 mm, a jej fovea capitis znajduje się poeroinferencyjnie w stosunku do środka powierzchni stawowej. Górne i tylne części głowy kości udowej są ciągłe z szyjką kości udowej. Powierzchnia stawowa głowy wydaje się rozciągać na szyjkę kości udowej w kierunku górnym, a zwłaszcza tylnym (chociaż zdeformowana powierzchnia uniemożliwia wyraźną ocenę jej pełnego rozciągnięcia), co sugeruje nacisk na zgiętą postawę bioder, taką jak ta, która jest stosowana podczas skoków i biegów czworonogów18,32,33. Nie ma bulwki na tylnej stronie szyjki kości udowej, czasami określanej jako grzebień paratrochanteryczny34, która jest typowo widoczna u wczesnych i środkowych hominidów mioceńskich oraz niektórych żyjących i wymarłych antropoidów34,35,36. Szyjka jest odwrócona <15°, a kąt szyjka-szyjka kości udowej wynosi 125° (w „uogólnionym zakresie”, tj. poniżej naczelnych suspensorycznych, zgodnie z wcześniejszymi szacunkami; patrz tabela uzupełniająca 4). Kość trochanteru większego znajduje się mniej więcej na tym samym poziomie co głowa lub nieco poniżej. Mniejsze trochanter jest dobrze rozwinięte i wystaje z trzonu tylno-bocznie pod kątem około 40°, co mieści się w zakresie antropoidalnym34. Jak wcześniej zauważono27, kość udowa Aegyptopithecus wykazuje wyraźne trzecie trochanter, które jest cechą plezjomorficzną obecną u strepsirrinów koroniastych, adapiformów, omomyiformów, antropoidów macierzystych, platyrkinów macierzystych, katarrinów macierzystych i niektórych mioceńskich hominoidów34,36,37.

Większość trzonu kości udowej jest dobrze zachowana i jest stosunkowo prosta we wszystkich widokach. Kość udowa jest lekko platymeryczna w pobliżu szacowanego śródręcza (Supplementary Fig. 2) i staje się bardziej platymeryczna dystalnie. Jest możliwe, że pewien stopień pośmiertnej deformacji przyczynia się do skrajnie platimerycznego wyglądu dystalnego końca. Tylna, proksymalna część trzonu zachowuje stępkę, która najprawdopodobniej odpowiada wstawce mięśni przywodzicieli38. Dystalnie do śródręcza, stępka rozwidla się na grzbiety, które biegną do przyśrodkowej i bocznej strony trzonu dystalnego. Pełny opis DPC 24466 jest dostępny w Supplementary Note 1.

Masa ciała osobnika Aegyptopithecus, do którego należała kość udowa DPC 24466 została oszacowana przy użyciu różnych regresji (próbka hominoidalna, próbka cerkopithecoidalna, próbka zbiorcza) w oparciu o średnicę nadoczodołową głowy kości udowej i średnicę przednio-tylną trzonu kości udowej. Regresje są opisane w Ruff39, a pełny zestaw szacunków (w tym 95% przedziały ufności) jest przedstawiony w Tabeli Uzupełniającej 5. Korzystając z trzech różnych regresji, zakresy uzyskane przy użyciu głowy kości udowej (3,1-5 kg) były mniejsze niż te uzyskane przy użyciu trzonu kości udowej (6,8-8,5 kg). Oszacowania masy ciała przy użyciu tych dwóch wskaźników prawdopodobnie reprezentują skrajne oszacowania, biorąc pod uwagę, że niższe oszacowanie pochodzi z lekko startej powierzchni głowy kości udowej, a większe oszacowanie pochodzi z bardzo platimerycznego trzonu (zwłaszcza dystalnie). Biorąc pod uwagę dowody przedstawione powyżej, szacunek pośredni między tymi dwoma skrajnościami jest uważany za najbardziej rozsądny. Jeśli tak by było, szacowany zakres masy ciała dla tego okazu jest zgodny z większością opublikowanych szacunków dla tego taksonu, które umieszczają Aegyptopithecus między 6 a 7 kg27,40,41.

Zmienność kształtu kości udowej u antropoidów

Przynależność kształtu 3D próbki żywej i kopalnej oceniono za pomocą 14 punktów orientacyjnych na powierzchni 3D, które uchwyciły ogólny kształt tej części kości (Supplementary Fig. 1, Supplementary Table 1). Te punkty orientacyjne zostały również zebrane na dużej próbce wymarłych i kopalnych antropoidów (Tabele uzupełniające 2 i 3, odpowiednio). W szczególności, morfosfera podsumowująca zmienność kształtu kości udowej antropoidów została skonstruowana przy użyciu dwóch pierwszych osi analizy głównych składowych (PCA) przeprowadzonej na współrzędnych Procrustes’a średnich wymarłych gatunków i osobników kopalnych, a poszczególne wymarłe okazy zostały następnie post hoc naniesione na morfosferę (Fig. 2, Supplementary Fig. 3; patrz 'Geometric morphometrics’ w sekcji 'Methods’). Takie podejście („between-group PCA” lub bgPCA) maksymalizuje zróżnicowanie między grupami zidentyfikowanymi a priori, jednocześnie uwzględniając zróżnicowanie wewnątrzgatunkowe42. Gdy dwie pierwsze składowe są analizowane razem, platyrrysy (lub małpy Nowego Świata (NWM)), cerkopitekoidy i hominoidy są od siebie oddzielone. Zmiany kształtu kości udowych hominoidów – cerkopitekoidów (bgPC1) i platyroginów – kataryn (bgPC2) przedstawiono wizualnie na ryc. 4 (zob. więcej szczegółów w części „Modelowanie ewolucyjne” poniżej). Aegyptopithecus (DPC 24466), wczesnomioceński NWM Homunculus (MACN-A 5758) i środkowomioceński łodygowy OWM Victoriapithecus (KNM-MB 35518) nie mieszczą się w zakresie zmienności współczesnych taksonów, podczas gdy kopalne małpy Epipliopithecus i kopalne homininy (tj. klad człowiekowatych) mieszczą się w zakresie współczesnych hominoidów. Skonstruowano podobną morfosferę, w której poszczególne skamieniałości nie brały udziału w analizie własnej, lecz były wykreślane a posteriori (Supplementary Fig. 5). Takie podejście pozwoliło nam na kontekstualizację pokrewieństwa kształtów taksonów kopalnych, biorąc pod uwagę jedynie morfosferę zdefiniowaną przez żyjące antropoidy. Analiza ta dała jeszcze lepszą separację wśród głównych żyjących kladów, podczas gdy okazy kopalne wydają się bliższe sobie.

Analiza kształtu bliższej kości udowej antropoidów. Na wykresie przedstawiono dwie pierwsze składowe główne analizy przeprowadzonej na macierzy kowariancji międzygrupowej (bgPCA). Grupy reprezentują wymarłe gatunki i centroidy skamieniałości, a poszczególne okazy i skamieniałości zostały naniesione post hoc. Na ryc. 4 przedstawiono wypaczone wersje DPC 24466 (TPS), przedstawiające skrajne wartości zmienności wzdłuż każdej osi. Kody kolorów są następujące: małpy z Nowego Świata, jasnobrązowy; małpy ze Starego Świata, zielony; małpy człekokształtne i ludzie, pomarańczowy; hylobatidy, fioletowy; kopalne homininy, różowy; inne kopalne naczelne, szary; kość udowa Aegyptopithecus DPC 24466 jest czarna. Atrybucje taksonomiczne reprezentowanych skamieniałości to: 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 i AL288-1, Australopithecus afarensis; SK 82 i SK 97, cf. Paranthropus robustus; KNM-ER 1481, cf. Homo erectus. Sylwetki dla Pongo i Symphalangus zostały wykonane na zamówienie. Sylwetka Papio została pobrana z www.phylopic.org i jest dostępna do swobodnego użytku w domenie publicznej bez praw autorskich. Sylwetka Cebus apella również została pobrana z www.phylopic.org (zasługa Sary Werning i jest dostępna do użytku na licencji CC BY 3.0). Autorzy zmodyfikowali oryginalne kolory. Source data are provided as a Source Data file

Modelowanie ewolucyjne

Adaptacyjne wzorce ewolucji kości udowych antropoidów badano przy użyciu wieloregionalnego modelu Ornsteina-Uhlenbecka (OU) stabilizującego selekcję43. Ten model ewolucyjny sprawdza, jak różne klady przechodzą przesunięcia w kierunku różnych fenotypów („optymalne wartości fenotypowe” lub „szczyty adaptacyjne”) poprzez identyfikację różnych „reżimów” ewolucyjnych (patrz „Modelowanie ewolucyjne” w sekcji „Metody” w celu uzyskania szczegółów). Ta „powierzchniowa” metoda44 została najpierw zastosowana do „naiwnej” identyfikacji możliwych zmian reżimu poprzez dopasowanie serii stabilizujących modeli selekcji i użycie algorytmu krokowego do zlokalizowania zmian fenotypowych na drzewie filogenetycznym (tj. bez wcześniejszej identyfikacji reżimów).

Gdy metoda ta została zastosowana do głównych komponentów zmienności kształtu bliższego odcinka kości udowej – w tym gatunków wymarłych i kopalnych w analizie własnej (Supplementary Fig. 3) plus wielkość centroidu (CS; przy użyciu logarytmu naturalnego) – wykryła dziesięć różnych reżimów ewolucyjnych działających podczas ewolucji kości udowej antropoidów. Każdy z tych reżimów jest oznaczony różnymi kolorami wzdłuż krawędzi drzewa filogenetycznego (ryc. 3a) i dwóch reprezentacji (podprzestrzeni) tej samej morfosfery pokazujących wnioskowane optima adaptacyjne (ryc. 3b, c). Reprezentanci każdego reżimu ewolucyjnego są przedstawieni na ryc. 3d, a wnioskowane zmiany kształtu związane z każdą osią PC na ryc. 3b, c są przedstawione na ryc. 4. Należy zauważyć, że dane indywidualne (ryc. 2) i średnie/optima adaptacyjne gatunków (ryc. 3b) są reprezentowane w tej samej morfosferze (ich analiza własna jest dokładnie taka sama). Aegyptopithecus, Victoriapithecus i Homunculus razem zajmują reżim plezjomorficzny antropoidów (czerwony), który różni się od wszystkich innych analizowanych gatunków żyjących i kopalnych. Można przypuszczać, że żyjące w tym badaniu platyruny ewoluowały w czterech różnych reżimach, z których najbardziej plezjomorficzny reprezentowany jest przez Callicebus i Aotus w różnych częściach drzewa platyr. Klady Pithecia-Chiropotes, Ateline i Cebus-Saimiri reprezentują odpowiednio swoje własne reżimy ewolucyjne. W przypadku katarynek, wszystkie cerkopitekiny i Nasalis mają wspólny reżim, natomiast Colobus-Piliocolobus odchodzą do własnego reżimu. Różnice między oboma reżimami związane są z niewielkimi różnicami wzdłuż PC3, a zwłaszcza w wielkości kości udowej (ryc. 3c). W obrębie hominoidów można wyróżnić trzy różne reżimy: Wszystkie kopalne małpy człekokształtne i hylobatidy, żyjące małpy człekokształtne (reżim konwergentny) i homininy, odpowiednio.

Adaptacyjne reżimy w ewolucji formy proksymalnej kości udowej antropoidów. a Skalibrowane czasowo drzewo chronometryczne przedstawiające szacunkową filogenetyczną historię adaptacyjnych zmian szczytowych podczas ewolucji kształtu bliższego odcinka kości udowej u antropoidów (każdy kolor reprezentuje inny reżim ewolucyjny). b, c Morfoprzestrzenie ukazujące szacunkowe optima adaptacyjne (duże koła) i gatunki (małe koła) ewoluujące w każdym reżimie ewolucyjnym w a. Konwergentne optimum zaznaczono czerwonym konturem. Zmiany kształtu związane z każdą osią są podobne do tych przedstawionych na Rys. 2 (choć z odwróconym PC2). Ryc. 4 przedstawia ewolucyjną historię różnicowania się kości udowych kotowatych wzdłuż pierwszych trzech osi PC. d Porównanie morfologiczne wybranych kości udowych z każdego z reżimów ewolucyjnych (skalowane do podobnych rozmiarów przyśrodkowo-bocznych). Sylwetki naczelnych w a ilustrują wybrane naczelne z każdego reżimu. Zostały one pobrane z www.phylopic.org i są udostępnione do swobodnego użytku w domenie publicznej bez praw autorskich. Wyjątkiem są sylwetki Cebus apella (zasługa Sarah Werning i udostępnione do użytku na licencji CC BY 3.0), Ekembo nyanze (zasługa Nobu Tamura i zmodyfikowane przez T. Michael Keesey, na licencji CC BY-SA 3.0), Aegyptopithecus zeuxis (zasługa Mateus Zica i zmodyfikowane przez T. Michael Keesey, na licencji CC BY-SA 3.0). Sylwetka Pongo została wykonana na zamówienie. Source data are provided as a Source Data file

Począwszy od morfologii podobnej do Aegyptopithecus, hominoidy i cerkopithecoidy ewoluowały w przeciwnych kierunkach wzdłuż głównej osi zmienności fenotypowej (tj. PC1 na ryc. 3b): podczas gdy te pierwsze wyewoluowały proksymalnie szersze kości udowe, z dłuższymi szyjkami anatomicznymi i większymi, bardziej proksymalnie położonymi głowami (względem trochantera większego), proksymalne kości udowe tych drugich stały się węższe, z krótszymi szyjkami i relatywnie mniejszymi głowami, położonymi poniżej powiększonego trzeciego trochantera (Supplementary Fig. 4). Analiza „powierzchniowa” wykryła w drzewie jeden zbieżny system dla żyjących małp człekokształtnych, co sugeruje, że niezależnie od siebie przeszły one od plezjomorficznego systemu hominoidalnego w kierunku wspólnego zbieżnego optimum.

W celu weryfikacji tego wyniku przeprowadzono dwie analizy wrażliwości. Po pierwsze, aby sprawdzić wzór homoplastycznej ewolucji wykrytej dla małp człekokształtnych, analizę powtórzono z trzema alternatywnymi drzewami filogenetycznymi, w których kontrowersyjne filogenetycznie europejskie kopalne małpy człekokształtne reprezentowały odpowiednio hominidy macierzyste („drzewo1”), ponginy macierzyste („drzewo2”) i małpy afrykańskie macierzyste („drzewo3”). We wszystkich przypadkach wyniki były identyczne (Supplementary Fig. 6; patrz także „Phylogenetic tree building” w sekcji „Methods” oraz drzewa Nexusa dostępne jako Supplementary Data 1-3 w tym artykule). Po drugie, porównano statystyczne dopasowanie tego dość złożonego modelu ewolucyjnego (tj. wyjścia „powierzchniowego” z 10 różnymi reżimami ewolucyjnymi) z dwoma bardziej prostymi modelami: ruchem Browna i modelem OU z jednym reżimem, oba wykazujące znacznie mniejsze wsparcie (ΔAICc > 120; Supplementary Fig. 7).

Jednym z parametrów ewolucyjnych szacowanych w modelach OU, a konkretnie przez 'surface’ jest 'filogenetyczny okres połowicznego zaniku’ (t1/2), który dostarcza oszacowania tempa adaptacji43. Szacunki t1/2 dla każdej zmiennej wynosiły: t1/2 PC1 = 0,561, t1/2 PC2 = 1,041, t1/2 PC3 = 0,308 oraz t1/2 lnCS = 2,339. Oznacza to na przykład, że przeciętnemu antropoidowi w próbce zajmuje ~0,5 mln lat ewolucja w połowie drogi do nowego optimum wzdłuż PC1, ~1 mln lat wzdłuż PC2, ~0,3 mln lat wzdłuż PC3 i ~2,3 mln lat pod względem lnCS. Wyniki te mogą wskazywać m.in. na to, że adaptacje morfologiczne kości udowej, które odróżniają hominoidy od cerkopitekoidów (ujmowane przez PC1) zachodziły dwukrotnie szybciej niż różnicowanie katarrhine-platyrrhine, ujmowane przez PC2 (por. ryc. 2 i 3 oraz Supplementary Fig. 4). Zmiany między małpami człekokształtnymi a ludźmi (uchwycone przez PC3) nastąpiły niedawno i jeszcze szybciej, a zmiany w wielkości kości udowej (przybliżone przez lnCS) były najwolniejsze.

Możliwym zastrzeżeniem tego podejścia jest to, że „powierzchnia” zakłada, że zmienne wejściowe są od siebie niezależne, aby obliczyć podsumowanie ostatecznych wyników AICc w celu wybrania najlepszego ogólnego modelu. Adams i Collyer48 wykazali, że założenie niezależności pomiędzy wymiarami cech (gdy nie są one niezależne) może prowadzić do błędnej specyfikacji modelu przy użyciu tej metody (patrz również ref. 49,50). Aby rozwiązać ten kluczowy potencjalny problem, który jest bardziej prawdopodobny przy zastosowaniu filogenetycznej PCA niż w tym przypadku51, sprawdziliśmy, czy wyniki osobników dla głównych składowych uwzględnionych w analizach ewolucyjnych (PCs 1-3) były ze sobą skorelowane przy użyciu filogenetycznych uogólnionych najmniejszych kwadratów. Wyniki wskazują, że chociaż wyniki PC1 są skorelowane z wynikami PC2 i PC3 (ale nie wyniki PC2 z wynikami PC3), związek ten wyjaśnia tylko bardzo małą część przewidywalnej kowariancji (r2 PC1-2 = 0,009, r2 PC1-3 = 0,002). W świetle tego jesteśmy pewni, że nasze modelowanie wieloczynnikowe multi-OU jest solidne, zwłaszcza że metoda ta działa znacznie lepiej przy użyciu co najmniej 2-4 zmiennych44. Aby uzupełnić te wyniki, indywidualne dopasowania modeli dla każdej oryginalnej zmiennej są również raportowane i omówione w Supplementary Fig. 8.

Rozmiar i sygnatury filogenetyczne

Zależność między ogólnym kształtem kości udowej a rozmiarem została sprawdzona za pomocą filogenetycznej regresji wieloczynnikowej52 wszystkich współrzędnych Procrustesa i ich CS. Zależność ta okazała się nieistotna statystycznie (test permutacji; 1000 rund). Negatywne wyniki uzyskano również przy indywidualnej kontroli trzech pierwszych osi zmienności. Można zatem stwierdzić, że różnic w kształcie kości udowej wśród badanych taksonów nie można tłumaczyć jedynie różnicami w wielkości kości udowej.

Sygnał filogenetyczny w antropoidalnej proksymalnej kości udowej badano zarówno w jej wielkości (zarówno CS, jak i CS przekształcone logarytmicznie, przy użyciu logarytmów naturalnych), jak i kształcie (trzy pierwsze PC i wszystkie współrzędne Procrustesa), stosując uogólnioną wersję statystyki K Blomberga53 przystosowaną do danych wielowymiarowych54. Używając tej metody, wartości K wahają się od 0 → ∞, z oczekiwaną wartością 1.0 przy ruchu Browna. Wartości K < 1.0 opisują dane z mniejszym sygnałem filogenetycznym niż oczekiwany, a wartości K > 1.0 opisują dane z większym sygnałem filogenetycznym niż oczekiwany. Używając lnCS lub CS, obserwowany sygnał filogenetyczny jest większy niż oczekiwany w przypadku wielkości proksymalnej kości udowej (odpowiednio K = 2,410 i K = 2,066). Kiedy trzy pierwsze osie PC badane w modelowaniu ewolucyjnym są sprawdzane jednocześnie, okazuje się, że zmienność kształtu bliższej nasady kości udowej ewoluowała w sposób zbliżony do oczekiwań Browna (K = 0,972), podczas gdy jest mniejsza niż oczekiwano w jej ogólnym kształcie (tj. wszystkich współrzędnych Procrustesa lub wszystkich PC; K = 0,506). Wreszcie, gdy badany jest jednocześnie ten sam układ zmiennych wykorzystanych w analizie „powierzchniowej” (tj. trzy pierwsze osie PC i lnCS), K = 2,245. We wszystkich przypadkach wartości K były istotne (P ≤ 0,001). K zostało ocenione statystycznie poprzez permutację (1000 rund), gdzie dane na końcach filogenezy były randomizowane względem drzewa, a losowe wartości K były otrzymywane dla każdej rundy, a następnie porównywane z K znalezionym z rzeczywistym drzewem. Te konkretne wyniki uzyskano przy użyciu drzewa 1, ale równoważne wyniki uzyskano przy użyciu drzew 2 i 3 (patrz Rys. 6 Uzupełniający).