Novos fósseis de Jebel Irhoud, Marrocos e a origem pan-africana do Homo sapiens

Relatórios de dados

Não foram utilizados métodos estatísticos para predeterminar o tamanho da amostra. Os experimentos não foram randomizados e os investigadores não foram cegos para alocação durante experimentos e avaliação de resultados.

Tomografia computadorizada

As amostras fósseis originais foram escaneadas usando um scanner de microtomografia computadorizada industrial BIR ARCTIS 225/300, no Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology (MPI EVA), Leipzig, Alemanha. O material não dentário foi digitalizado com um tamanho de voxel isotrópico variando de 27,4 a 91,4 μm (130 kV, 100-150 μA, filtro de latão de 0,25-2,0 mm, passos de rotação de 0,144°, média de 2-3 quadros, rotação de 360°). O material dentário foi digitalizado com um tamanho de voxel isotrópico variando de 12,8 a 32,8 μm (130 kV, 100 μA, filtro de latão de 0,25-0,5 mm, passos de rotação de 0,144°, 3 frames em média, rotação de 360°). A segmentação do volume da microtomografia computadorizada foi realizada no Avizo (Grupo de Ciências da Visualização). A amostra dentária comparativa foi digitalizada com um voxel isotrópico de tamanho variando de 11,6 a 39,1 μm no MPI EVA em um scanner de tomografia microcomputativa BIR ARCTIS 225/300 (130-180 kV, 100-150 μA, filtro de latão de 0,25-2,0mm, 0,096-0.Degraus de rotação de 144°, média de 2-4 fotogramas, rotação de 360°) ou num scanner de tomografia micro computorizada Skyscan 1172 (100 kV, 100 μA, filtros de alumínio de 0,5 mm e de cobre de 0,04 mm, passos de rotação de 0,10-1,24°, rotação de 360°, média de 2-4 fotogramas). As fatias da microtomografia computadorizada foram filtradas usando um filtro mediano seguido por um filtro de média de variação (cada um com um tamanho de núcleo de três) para reduzir o ruído de fundo, preservando e melhorando as bordas31.

Reconstrução virtual

Usando Avizo, nove reconstruções da face de Jebel Irhoud 10 foram feitas com base nas superfícies segmentadas de suas partes preservadas consistindo de um toro supraorbital esquerdo, dois fragmentos maxilares esquerdos e um osso zigomático esquerdo quase completo. Em primeiro lugar, utilizamos vários RMH de diversas regiões geográficas (por exemplo, África, América do Norte e Austrália) e Irhoud 1 como referência para alinhar os dois ossos maxilares esquerdos. Como uma grande parte da arcada dentária do Irhoud 10 está preservada, o intervalo de possíveis alinhamentos “anatomicamente corretos” no palato foi limitado (Fig. 1b). Com base nesse alinhamento maxilar, cada uma das reconstruções subseqüentes diferiu por vários milímetros nas seguintes formas: ampliação do palato; aumento da altura facial; aumento da altura orbital; ou rotação anterior ou posterior dos ossos zigomáticos no sentido parasagital. Além disso, alinhamos uma reconstrução para corresponder às proporções e orientação facial de um Neandertal “clássico” (La Ferrassie 1). Ao fazer isso, o osso zigomático foi rodado paraagitalmente e movido posteriormente (>5mm). De forma correspondente, a crista da sobrancelha foi realinhada póstero-superior por vários mm, e os ossos maxilares foram movimentados inferiormente por vários mm para aumentar sua altura facial. Para cada reconstrução, cada osso foi espelhado ao longo do plano médio-sagital de Irhoud 1 e, em seguida, os lados direito e esquerdo foram fundidos para formar um modelo de superfície. A reconstrução da mandíbula de Irhoud 11 foi realizada espelhando o lado esquerdo da mandíbula, que foi melhor preservado e minimamente distorcido, no lado direito, além do côndilo, que só foi preservado no lado direito e espelhado no lado esquerdo. O lado esquerdo da mandíbula foi representado por três fragmentos principais. Antes do espelhamento, o sedimento que preenchia as fissuras entre os fragmentos principais foi virtualmente removido, os fragmentos foram remontados e a coroa quebrada do canino esquerdo foi remontada em sua raiz. Observe que a posição dos côndilos na reconstrução é apenas indicativa.

Análise da forma da face, endocast e abóbada craniana

Métodos morfométricos geométricos (GMM) foram utilizados para analisar diferentes aspectos da morfologia dos fósseis de Irhoud em um contexto comparativo. Para tanto, digitalizamos marcos 3D e semilancos deslizantes32,33,34 para analisar separadamente a forma da face, o perfil endocraniano e a abóbada externa. Na face (Fig. 3a), as coordenadas 3D dos pontos anatômicos, bem como as curvas e semilancos de superfície (n = 791) foram digitalizadas utilizando o Landmark Editor35, seja em tomografias computadorizadas (BIR ACTIS 225/300 e Toshiba Aquilion), seja em tomografias de superfície (Minolta Vivid 910 e Breuckmann optoTOP-HE) de crânio humano moderno recente e fóssil (n = 267) seguindo protocolos previamente publicados36. Sempre que possível, foram feitas medições em varreduras do fóssil original; pontos de referência em alguns espécimes fósseis foram medidos em varreduras de fundições de qualidade de pesquisa. O Avizo foi usado para extrair arquivos de superfície das varreduras de tomografia computadorizada; os dados das varreduras de superfície foram pré-processados usando o Geomagic Studio (Geomagic Inc.) e o OptoCat (Breuckmann).

No endocast (Fig. 3b), marcos e semilancos (n = 31) ao longo do perfil midsagital interno da braincase foram digitalizados em tomografia computadorizada dos espécimes originais (n = 86) no Avizo (Grupo de Ciências da Visualização) seguindo o protocolo de medição descrito na ref. 37, e convertidos em dados 2D projetando-os em um plano de mínimos quadrados no Mathematica (Wolfram Research).

No cofre externo (Extended Data Fig. 4), as medidas coordenadas de 97 pontos anatômicos e semilancos curvos (ao longo do perfil midsagital externo da glabela à cebola, das suturas coronais e lambdoides, e ao longo da margem superior do toro supraorbital) foram capturadas usando um digitalizador portátil Microscribe 3DX (Immersion Corp.) em casos cerebrais recentes e fósseis (n = 296) seguindo o protocolo de medição descrito no ref. 38. Os pontos ao longo das suturas foram posteriormente resampledados automaticamente no Mathematica para assegurar a mesma contagem de semilancos em cada espécime.

Análise de contorno de coroa

A análise de contorno de coroa (Dados Estendidos Fig. 3a) do Irhoud 10 e Irhoud 21 esquerda M1 segue os protocolos previamente descritos39,40. Para Irhoud 10, as imagens de tomografia computadorizada foram virtualmente segmentadas usando uma abordagem semi-automática baseada em limiares em Avizo para reconstruir um modelo digital 3D do dente, que foi então importado em Rapidform XOR2 (INUS Technology, Inc.) para computar o plano cervical. O dente foi alinhado com o plano cervical paralelo ao plano x-y do sistema de coordenadas cartesianas e girado ao redor do eixo z com o lado lingual paralelo ao eixo x. O contorno da coroa corresponde à silhueta da coroa orientada, vista em vista oclusal e projetada sobre o plano cervical. Para Irhoud 21, uma imagem oclusal da coroa foi obtida com uma câmera digital Nikon D700 e uma lente Micro-Nikkor 60 mm. O dente foi orientado de modo que a borda cervical fosse perpendicular ao eixo óptico da lente da câmera. A imagem foi importada para o ambiente CAD do Rhino 4.0 Beta (Robert McNeel & Associates) e alinhada ao plano x-y do sistema de coordenadas cartesianas. O contorno da coroa foi digitalizado manualmente usando a função spline, e depois orientado com o lado lingual paralelo ao eixo x. Ambos os contornos das coroas41 foram primeiro centralizados sobrepondo os centróides de sua área de acordo com a amostra M1 da ref. 40, mas combinados com 10 espécimes adicionais tardios precoces e médios do Pleistoceno Homo M1 (ou seja, Arago-31, AT-406, ATD6-11, ATD6-69, ATD6-103, Bilzingsleben-76-530, Petralona, Steinheim, Rabat, Thomas 3). Em seguida, os contornos foram representados por 24 pontos pseudolares obtidos por vetores radiais equiangulares fora do centróide (o primeiro raio é dirigido bucalmente e paralelo ao eixo y do sistema de coordenadas cartesianas), e escalonado para o tamanho unitário do centróide39,41. As amostras arcaicas Pleistocênicas Tardia Precoce e Média incluem Arago 31 (Ar 31), Atapuerca Gran Dolina 6-11, 6-69, 6-103 (ATD6-11, ATD6-69, ATD6-103), Atapuerca Sima de los Huesos 406 (AT-406), Bilzingsleben-76-530 (Bil76-530), Petralona (Petr), Steinheim (Stein), Rabat (Rab), Thomas 3 (Tho 3). A amostra do Neanderthal inclui 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. Os espécimes EMH incluem Dar es-Soltan II-NN e II-H6 (DSII-NN e DSII-H6), Qafzeh 10 e 15 (Qa 10 e Qa 15), Skhul 1 (Skh 1), Contrebandiers H7 (CT H7). As amostras humanas modernas do Alto Paleolítico incluem Abri Pataud, Fontéchevade, Gough’s Cave (Magdaleniana), Grotta del Fossellone, Kostenki 15, Lagar Velho, Laugerie-Basse, La Madeleine, Les Rois 19, Les Rois sem número, Mladeč (1 e 2), Peskő Barlang, St Germain (2, B6, B7), Sunghir (2, 3), Veyrier 1. As amostras de RMH são compostas por indivíduos de diversas origens geográficas (n = 80).

Análise da forma EDJ de molares e pré-molares

Tecidos de esmalte e dentina (Dados Estendidos Fig. 3b) de segundos molares inferiores e segundos pré-molares foram segmentados utilizando o histograma de valores de voxel 3D e sua distribuição de valores de escala de cinzentos42,43. Após a segmentação, a JED foi reconstruída como um modelo de superfície baseado em triângulo usando Avizo (usando suavização sem constrangimentos). Pequenos defeitos EDJ foram corrigidos digitalmente usando o módulo ‘fill holes’ do Geomagic Studio. Utilizamos então o Avizo para digitalizar pontos de referência em 3D e pontos de referência em curva nestas superfícies EDJ42,43. Para os molares, foram colocados marcos anatômicos na ponta do chifre dentinário do protoconídio, metaconídio, entoconídio e hipoconídio. Para os pré-molares, os pontos anatômicos foram colocados nos chifres dentinários do protoconídio e do metaconídio. Além disso, colocamos uma sequência de pontos ao longo da crista marginal conectando os chifres dentinários começando no topo do protoconídio movendo-se em direção lingual; os pontos ao longo desta curva da crista foram posteriormente resmembrados para a mesma contagem de pontos em cada espécime usando o Mathematica. Da mesma forma, digitalizamos e fizemos a resamostragem de uma curva ao longo da junção cemento-esmalte como uma curva fechada começando e terminando abaixo do corno protoconideo e do canto mesiovestibular do colo uterino. Os pontos resmaltados ao longo das duas curvas de cumeeira foram posteriormente tratados como semilongos da curva deslizante e analisados usando GMM juntamente com os quatro marcos anatômicos. H. espécimes erectus incluem KNM-ER 992 segundo molar inferior e segundo pré-molar inferior (M2 e P4), S1b (M2 e P4), S5, S6a. Também incluímos o espécime H. habilis44 KNM-ER-1802 para estabelecer a polaridade do traço. As amostras de Pleistoceno Arcaico Médio incluem Mauer (M2 e P4), Balanica BH-1 (Bal) e KNM-BK 67. A amostra de Neandertal inclui 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 e P4), Le Regourdou 1 (M2 e P4), Scladina I-4A (M2 e P4), Vindija 11-39. As amostras EMH incluem Dar es-Soltan II H4 (DS II-H4), El Harhoura (El H; M2 e P4), Irhoud 11 (Ir 11; M2 e P4), Irhoud 3 (Ir 3; M2 e P4), Qafzeh 9 (M2 e P4), Qafzeh 10, Qafzeh 11 (M2 e P4), Qafzeh 15, Contrebandiers 1 (CT; M2 e P4). As amostras RMH são compostas por indivíduos de diversas origens geográficas (amostra M2, n = 8; amostra P4, n = 8).

Análise da forma da raiz dos dentes

Análise é mostrada em Dados Estendidos Fig. 3. Os tecidos dentários (esmalte, dentina e polpa) da dentição anterior foram primeiramente segmentados semiautomaticamente utilizando uma ferramenta de cultivo da região e, quando possível, utilizando o princípio da bacia hidrográfica45; esta segmentação foi editada manualmente para corrigir as fissuras. Cada dente foi então virtualmente dividido em coroa e raiz, cortando-se os modelos em 3D no plano cervical definido por um plano menos quadrangular entre os pontos de maior curvatura nos lados labial e lingual da junção cimentício-esmalte. Seguindo o protocolo descrito na ref. 46, analisamos a forma da raiz dentária: usando Avizo, um marco foi digitalizado no ápice da raiz e uma seqüência de coordenadas tridimensionais do marco foi registrada ao longo da junção cimentício-esmalte. Usando o Mathematica, esta curva foi então resampledada para 50 pontos de curvas eqüidistantes. A forma da superfície da raiz, delimitada pelos pontos semilíndricos cervicais e pelo ponto apical, foi quantificada usando 499 pontos semilíndricos de superfície46: uma malha de 499 pontos foi digitalizada manualmente em um espécime modelo, depois deformada para cada espécime usando uma interpolação de spline de placa fina e lofted na superfície da raiz segmentada, projetando-se para o vértice de superfície mais próximo. Estes pontos de referência e semilancos foram então analisados usando GMM. H. erectus é representado por KNM-WT 15000 (WT 15000). As amostras do Neanderthal incluem Krapina (Krp53, Krp 54, Krp 55, Krp 58, Krp 59), Saint-Césaire 1 (SC), Abri Bourgeois-Delaunay 1 (BD1), Kebara 2 e 28 (Keb 2, KMH 28). As amostras EMH incluem Contrebandiers 1 (Tem) Qafzeh 8 e 9 (Qa 8, Qa 9) e Tabun C2 (Tab C2). As amostras modernas do Paleolítico Superior e Mesolítico incluem indivíduos de Oberkassel (Ob), Nahal-Oren (NO 8, NO 14), Hayonim (Ha 8, Ha 19, Ha 20), Kebara (Keb A5) e Combe-Capelle (CC). As amostras de RMH incluem indivíduos de diversas origens geográficas (n = 47).

Análise estatística

3D dados de marcos e semilancos foram analisados usando funções GMM em Mathematica34,47. As curvas e superfícies foram quantificadas usando semilongos deslizantes com base na minimização da energia de curvatura do spline de placa fina32 entre cada amostra e a forma média da amostra33,34. Os pontos de referência ou semilancos em falta foram estimados usando uma interpolação de spline de placa fina com base na forma média da amostra durante o processo de deslizamento48. Após o deslizamento, todos os pontos de referência e semilancos foram convertidos em variáveis de forma usando a sobreposição generalizada de mínimos quadrados de Procrustes49; esses dados foram então analisados usando PCA, e entre o grupo PCA50. Para a análise dos contornos das coroas M1, as variáveis de forma dos contornos foram projetadas no espaço forma-espaço obtido a partir de uma PCA da amostra comparativa M1. Os dados foram processados e analisados através de rotinas de software escritas em R51.

Dados métricos mandibulares

Dados métricos e não métricos dentários

Dados métricos e não métricos de coroa (Dados Estendidos Fig. 3 e Dados Estendidos Tabelas 3, 4, 5) foram coletados a partir de fundidos ou originais, com algumas exceções extraídas da literatura. Estes últimos incluem: Mumba XII (ref. 99), Eyasi100, Kapthurin101, Olduvai102, Sima de los Huesos103 e alguns dados métricos de Sangiran104. Os dados métricos de raiz foram obtidos em modelos 3D gerados a partir de dados tomográficos microcomputacionais105. As medidas da coroa foram tomadas usando paquímetros digitais Mitituyo. As expressões de traços não métricos foram pontuadas usando o Sistema de Antropologia Odontológica da Universidade Estadual do Arizona106 onde aplicável (para a dentição inferior: Cúspide lingual P4, cúspide 6, cúspide 7, padrão de sulco M, protostilídeo; para a dentição superior: pá, tuberculum dentale, cúspide acessória distal canina, cúspide 5, traço de Carabelli, parastilo, metacone e redução hipocone), e ref. 107 para todos os outros. A amostra de RMH inclui indivíduos do sul, oeste e leste da África, oeste e centro da Europa, nordeste da Ásia, oeste da Ásia, Índia, Austrália, Nova Guiné e Ilhas Andaman. Para as métricas radiculares (Dados Estendidos Fig. 3) a composição da amostra pode ser encontrada na tabela 1 da ref. 1. 105. Nas Tabelas de Dados Estendidos 3-5, H. erectus inclui indivíduos de Zhoukoudian, Sangiran, West Turkana, East Rudolf, Olduvai e Dmanisi. Os Arcaicos Africanos do Pleistoceno Médio (MPAf) incluem indivíduos de Thomas Quarries, Salé, Rabat, Hoedijiespunt, Cave of Hearths, Olduvai, Kapthurin, Eyasi, Broken Hill e Sidi Abderrahmane. Os Arcaicos do Pleistoceno Médio Europeu (MPE) incluem indivíduos de Mauer, Arago, Sima de los Huesos, Fontana Ranuccio. As amostras de Neanderthal incluem indivíduos de Amud, Arcy sur Cure, Chateauneuf, Combe Grenal, Cova Negra, Ehringdorf, Feldhofer, Grotta Guattari, Grotta Taddeo, Hortus, Kalamakia, Krapina, Kebara, Kulna, La Quina, La Fate, La Ferrassie, Le Moustier, Marillac, Melpignano, Mongaudier, Monsempron, Monte Fenera, Malarnaud, Montmaurin, Obi-Rakhmat, Ochoz, Pech-de-l’Azé, Petit Puymoyen, Pontnewydd, Rozhok, Regourdou, Roc-de-Marsal, Saccopastore, Saint-Césaire, Spy, Subalyuk, Taubach, Tabun e Vindija. As amostras EMH incluem indivíduos de Die Kelders, Equus Cave, Klasies River Mouth, Sea Harvest, Mumba, Haua Fteah, Dar es-Soltan, Contrebandiers, El Harhoura, Qafzeh e Skhul.

Dados disponíveis