Främre antropoida lårben avslöjar divergerande adaptiva banor i utvecklingen av katarraliska bakre extremiteter

Det nya lårbenet från Aegyptopithecus

DPC 24466 (Fig. 1c) hittades 2009 i stenbrott M, i den övre sekvensen av Jebel Qatraniformationen (Fig. 1b). Denna nivå anses vara 29,5-30,2 Ma baserat på den föredragna magnetostratigrafiska korrelationen av Seiffert28 men kan vara ännu yngre om Gingerich29 och Underwood et al.30 har rätt i att placera hela Jebel Qatrani-formationen inom Oligocen. A. zeuxis är därför minst ~4,5-5,0 Ma äldre än de äldsta kända fossila hominoiderna och cercopithecoiderna, som har återfunnits från en plats från 25,2 Ma i Nsungwe-formationen i Tanzania1. Tillskrivningen av DPC 24466 till A. zeuxis baseras på det faktum att det inte finns några andra primattaxa i samma storleksklass som identifierats i stenbrott M (eller det närliggande stenbrottet I) efter över fem decennier av intensivt fältarbete på platsen31, under vilka tusentals ryggradsdjursfossil har identifierats. Simons31 ansåg det troligt att det första exemplaret av A. zeuxis, som samlades in av George Olsen 1907 (och felaktigt identifierades som ett ”rovdjur”), hittades vid eller mycket nära stenbrott M, vilket tyder på att stenbrottet eventuellt har varit känt i 112 år. I likhet med flera andra platser i den övre sekvensen av Jebel Qatrani-formationen är stenbrott M en grovkornig fluvial plats som historiskt sett ”vindskördades” genom att man sopade bort seriren (ökenbeläggningen) varje år, vilket gör att den icke-konsoliderade sanden och gruset blåser bort och avslöjar fossiler som är inbäddade i underliggande sediment.

DPC 24466 är ett höger lårben som i huvudsak är komplett med undantag för den distala delen, som är avbruten vid skaftet proximalt till epikondylerna. Den bevarade längden på exemplaret är 112,1 mm, och baserat på den distala mediolaterala expansionen av skaftet (proximalt till epikondylerna) verkar det ha varit ganska kort. Det lätt eroderade lårbenshuvudets superoinferiordiameter är 13,2 mm, och dess fovea capitis är posteroinferior i förhållande till ledytans centrum. De övre och bakre delarna av lårbenshuvudet är sammanhängande med lårbenshalsen. Huvudets ledyta tycks sträcka sig överordnat och särskilt bakåt på lårbenshalsen (även om den eroderade ytan förhindrar en tydlig bedömning av dess fulla utbredning), vilket tyder på att tyngdpunkten ligger på böjda höftställningar, t.ex. de som används vid hopp och löpning med fyrbenta djur18,32,33. Knölen på den bakre delen av lårbenshalsen, som ibland kallas paratrokantär kam34 och som vanligtvis ses hos hominoider från tidig och mellersta miocen och vissa levande och utdöda antropoider34,35,36, är inte närvarande. Halsen är antevert <15° och vinkeln mellan lårbenshals och lårbensskaft är 125° (i det ”generaliserade intervallet”, dvs. under suspenderande primater, vilket överensstämmer med tidigare uppskattningar; se kompletterande tabell 4). Den större trochanter ligger på ungefär samma nivå som huvudet eller något nedanför. Den mindre trochanter är välutvecklad och sticker ut från skaftet posteromedialt i cirka 40°, vilket ligger väl inom antropoidernas intervall34. Som tidigare noterats27 uppvisar Aegyptopithecus lårben en markerad tredje trokanter, vilket är en plesiomorf karaktär som förekommer hos kronstrepsirrhiner, adapiformer, omomyiformer, stamantropoider, stamplatyrrhiner, stamkatarrhiner och vissa miocena hominoider34,36,37.

Den största delen av lårbensskaftet är välbevarat, och det är relativt rakt i alla vyer. Lårbenet är svagt platymeriskt nära det uppskattade mittskaftet (Supplementary Fig. 2) och blir mer platymeriskt distalt. Det är möjligt att en viss grad av deformation efter döden bidrar till det extrema platymeriska utseendet på den distala änden. I den bakre proximala delen av skaftet bevaras en köl som sannolikt motsvarar adduktormuskulaturens insättning38. Distalt från mitten av skaftet förgrenar sig kölen i kammar som löper till de mediala och laterala sidorna av det distala skaftet. En fullständig beskrivning av DPC 24466 finns i Supplementary Note 1.

Kroppsmassan hos den Aegyptopithecus-individ som lårbenet DPC 24466 tillhörde uppskattades med hjälp av olika regressioner (hominoid prov, cercopithecoid prov, poolat prov) baserat på lårbenshuvudets superoinferiordiameter och lårbensskaftets anteroposteriordiameter. Regressionerna beskrivs i Ruff39 och den fullständiga uppsättningen skattningar (inklusive 95 % konfidensintervall) presenteras i kompletterande tabell 5. Med hjälp av de tre olika regressionerna var de intervall som erhölls med hjälp av lårbenshuvudet (3,1-5 kg) mindre än de som erhölls med hjälp av lårbensskaftet (6,8-8,5 kg). Skattningarna av kroppsmassan med hjälp av dessa två proxies representerar troligen de extrema skattningarna med tanke på att den lägre skattningen härrör från en lätt slipad lårbenshuvudyta, och den större skattningen härrör från ett mycket platymeriskt skaft (särskilt distalt). Med tanke på de bevis som presenterats ovan anses en uppskattning som ligger mellan de två ytterligheterna vara den mest rimliga. Om så skulle vara fallet är det uppskattade kroppsmasseintervallet för detta exemplar förenligt med de flesta publicerade uppskattningar för detta taxon, som placerar Aegyptopithecus mellan 6 och 7 kg27,40,41.

Femorala formvariation hos antropoider

Den 3D-formmässiga affiniteten mellan det levande och det fossila exemplaret bedömdes genom 14 3D-ytemärken som fångar den övergripande formen på denna del av benet (Supplementary Fig. 1, Supplementary Table 1). Dessa landmärken samlades också in på ett stort urval av levande och fossila antropoider (kompletterande tabeller 2 respektive 3). Specifikt konstruerades ett morfospace som sammanfattar variationen i antropoiders lårbensform med hjälp av de två första axlarna i en huvudkomponentanalys (PCA) som utfördes på Procrustes-koordinaterna för medelvärdena för de bevarade arterna och de fossila individerna, och enskilda bevarade exemplar plottades sedan in i morfospace post hoc (Fig. 2, Supplementary Fig. 3; se ”Geometrisk morfometri” i avsnittet ”Metodik”). Detta tillvägagångssätt (”between-group PCA” eller bgPCA) maximerar variationen mellan grupper som identifierats a priori, samtidigt som man tar hänsyn till intraspecifik variation42. När de två första komponenterna inspekteras tillsammans separeras platyrrhiner (eller New World Monkeys (NWM)), cercopithecoider och hominoider från varandra. De formförändringar som kan härledas och som skiljer lårbenen från hominoider-cercopithecoider (bgPC1) och platyrrhines-catarrhines (bgPC2) presenteras visuellt i kompletterande figur 4 (se mer information i avsnittet ”Evolutionär modellering” nedan). Aegyptopithecus (DPC 24466), den tidiga miocena NWM Homunculus (MACN-A 5758) och den mellersta miocena stammen OWM Victoriapithecus (KNM-MB 35518) faller utanför variationen av moderna taxa, medan de fossila aporna Epipliopithecus och de fossila homininerna (dvs. människokladen) faller inom intervallet för moderna hominoider. Ett liknande morfospace konstruerades där enskilda fossil inte bidrog till egenanalysen utan snarare plottades a posteriori (kompletterande fig. 5). Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för oss att kontextualisera formtillhörigheten hos fossila taxa med enbart det morfospace som definieras av levande antropoider. Denna analys gav en ännu bättre separation mellan de större levande kladerna, medan fossila exemplar verkar närmare varandra.

Formanalys av antropoidernas proximala lårben. Plotten visar de två första huvudkomponenterna i en analys som utförts på kovariansmatrisen mellan grupperna (bgPCA). Grupperna representerar bevarade arter och fossila centroider, med enskilda exemplar och fossil plottade post hoc. Tunnplatta-spline-versioner (TPS) av DPC 24466 som visar extrema variationer längs varje axel visas i kompletterande figur 4. Färgkoderna är följande: Nya världens apor, ljusbrun; Gamla världens apor, grön; människoapor och människor, orange; hylobatider, lila; fossila homininer, rosa; andra fossila primater, grå; Lårbenet från Aegyptopithecus DPC 24466 är svart. De representerade fossilerna har följande taxonomiska beteckningar: 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 och AL288-1, Australopithecus afarensis; SK 82 och SK 97, jfr Paranthropus robustus; KNM-ER 1481, jfr Homo erectus. Silhuetter för Pongo och Symphalangus är specialtillverkade. Siluetten för Papio hämtades från www.phylopic.org och är licensierad för fri användning inom Public Domain utan upphovsrätt. Siluetten för Cebus apella hämtades också från www.phylopic.org (med kredit till Sarah Werning och tillgänglig för användning under CC BY 3.0-licensen). Författarna har ändrat de ursprungliga färgerna. Källdata tillhandahålls som en källdatafil

Utvecklingsmodellering

Adaptiva mönster i utvecklingen av antropoida lårben studerades med hjälp av en Ornstein-Uhlenbeck (OU)-stabiliserande urvalsmodell med flera regimer43. Denna evolutionära modell inspekterar hur olika klasser genomgår förskjutningar mot olika fenotyper (”optimala fenotypiska värden” eller ”adaptiva toppar”) genom att identifiera de olika evolutionära ”regimerna” (se ”Evolutionär modellering” i avsnittet ”Metoder” för mer information). Denna ”ytmetod ”44 tillämpades först för att ”naivt” identifiera möjliga regimskiften genom att anpassa en serie stabiliserande urvalsmodeller och använda en stegvis algoritm för att lokalisera fenotypiska skift på ett fylogenetiskt träd (dvs. utan föregående identifiering av regimer).

Specifikt börjar man med en OU-modell där alla arter attraheras av ett enda adaptivt optimum i morfospace, och använder ”ytan” en stegvis modellvalsprocedur baserad på Akaike-informationskriteriet (AICc)45,46 med finita prover för att anpassa alltmer komplexa modeller med flera regimer. I varje steg läggs ett nytt regimskifte till den gren av fylogenin som mest förbättrar modellanpassningen för alla inspekterade variabler, och skiften läggs till tills ingen ytterligare förbättring uppnås. För att verifiera verklig konvergens utvärderar denna metod sedan om AICc-poängen förbättras ytterligare genom att låta olika arter skifta till gemensamma adaptiva regimer i stället för att kräva att var och en av dem upptar sin egen topp. I allmänhet är OU-modellering användbar för att identifiera potentiella adaptiva regimer och regimskiften, även om den är mycket komplex statistiskt sett och resultaten därför bör tolkas försiktigt47.

När denna metod tillämpades på de viktigaste komponenterna i variationen av proximal lårbensform – inklusive bevarade och fossila arter i egenanalysen (kompletterande figur 3) plus centroidstorleken (CS; med hjälp av den naturliga logaritmen) – upptäcktes tio olika evolutionära regimer som verkade under antropoiders lårbensformsutveckling. Var och en av regimerna identifieras med olika färger längs kanterna på ett fylogenetiskt träd (fig. 3a) och två representationer (delområden) av samma morfospace som visar de avledda adaptiva optimerna (fig. 3b, c). Representanter för varje evolutionär regim visas i fig. 3d och de formförändringar som kan härledas till varje PC-axel i fig. 3b och c presenteras i kompletterande fig. 4. Observera att individuella data (fig. 2) och artmedelvärden/adaptiva optima (fig. 3b) representeras i samma morfospace (deras egenanalys är exakt densamma). Aegyptopithecus, Victoriapithecus och Homunculus upptar tillsammans en antropoid plesiomorfisk regim (röd) som skiljer sig från alla andra analyserade levande eller fossila arter. Levande platyrrhiner i studien antas ha utvecklats under fyra olika regimer, varav den mest plesiomorfa representeras av Callicebus och Aotus i olika delar av platyrrhinträdet. Pithecia-Chiropotes-, ateline- och Cebus-Saimiri-kladerna representerar sina egna evolutionära regimer respektive. När det gäller katarrhiner delar alla cercopitheciner och Nasalis en gemensam regim, medan Colobus-Piliocolobus avviker från sin egen regim. Skillnaderna mellan de båda regimerna är relaterade till små skillnader längs PC3 och särskilt i lårstorlek (fig. 3c). Inom hominoiderna finns det tre olika regimer: Alla fossila apor och hylobatider, levande människoapor (konvergent regim) respektive homininer.

Adaptiva regimer i utvecklingen av antropoidernas proximala lårbensform. a Tidskalibrerat kronometriskt träd som visar den uppskattade fylogenetiska historiken för adaptiva toppförskjutningar under antropoidernas proximala lårbensforms evolution (varje färg representerar en annan evolutionär regim). b, c Morfospaces som visar de uppskattade adaptiva optimerna (stora cirklar) och arterna (små cirklar) som utvecklas under varje evolutionär regim i a. Ett konvergerande optimum är markerat med en röd kontur. De formförändringar som är förknippade med varje axel liknar dem som visas i fig. 2 (dock med en omvänd PC2). I kompletterande figur 4 visas den evolutionära historien för differentiering av katarrhina lårben längs de tre första PC-axlarna. d Morfologisk jämförelse av utvalda lårben från var och en av de evolutionära regimerna (skalade till likartad mediolateral storlek). Silhuetterna av primaterna i a illustrerar de utvalda primaterna från varje regim. De hämtades från www.phylopic.org och är licensierade för fri användning inom Public Domain utan upphovsrätt. Undantag är silhuetterna för Cebus apella (kredit till Sarah Werning och tillgängliga för användning under CC BY 3.0-licens), Ekembo nyanze (kredit till Nobu Tamura och modifierad av T. Michael Keesey, under CC BY-SA 3.0-licens), Aegyptopithecus zeuxis (kredit till Mateus Zica och modifierad av T. Michael Keesey, under CC BY-SA 3.0-licens). Silhuetten av Pongo är specialgjord. Källdata tillhandahålls som en Source Data-fil

Med utgångspunkt i en Aegyptopithecus-liknande morfologi har hominoider och cercopithecoider utvecklats i motsatt riktning längs huvudaxeln för fenotypisk variation (dvs. PC1 i fig. 3b): Medan de förstnämnda utvecklade proximalt bredare lårben, med längre anatomiska halsar och större, mer proximalt belägna huvuden (i förhållande till den större trochanter), blev de proximala lårbenen hos de sistnämnda smalare, med kortare halsar och relativt mindre huvuden, belägna under en förstorad tredje trochanter (kompletterande fig. 4). Ytanalysen upptäckte en enda konvergent regim i trädet för levande människoapor, vilket innebär att de oberoende av varandra skiftade från en plesiomorf hominoid regim till ett gemensamt konvergent optimum.

Två känslighetsanalyser genomfördes för att verifiera detta resultat. För det första, för att testa det mönster av homoplastisk evolution som upptäcktes för människoapor, upprepades analysen med tre alternativa fylogenetiska träd där de fylogenetiskt omtvistade europeiska fossila människoaporna representerade stamhominider (”träd1”), stamponginer (”träd2”) respektive stamafrikanska människoapor (”träd3”). I samtliga fall var resultaten identiska (kompletterande figur 6; se även ”Phylogenetic tree building” i avsnittet ”Methods” och Nexus-träd som finns tillgängliga som Supplementary Data 1-3 i denna artikel). För det andra jämfördes den statistiska passformen för denna ganska komplexa evolutionära modell (dvs. ”ytutfallet” med 10 olika evolutionära regimer) med två mer enkla modeller: Brownian motion och en OU-modell med en enda regim, som båda visade mycket mindre stöd (ΔAICc > 120; Supplementary Fig. 7).

En av de evolutionära parametrarna som uppskattas i OU-modeller och specifikt av ”surface” är den ”fylogenetiska halveringstiden” (t1/2), som ger en uppskattning av anpassningshastigheten43. Den representerar den genomsnittliga tid det tar att utvecklas halvvägs till det nya optimumet givet ett inledande evolutionärt regimskifte. t1/2-skattningarna för varje variabel var: t1/2 PC1 = 0,561, t1/2 PC2 = 1,041, t1/2 PC3 = 0,308 och t1/2 lnCS = 2,339. Detta innebär till exempel att det tar ~0,5 miljoner år för den genomsnittliga antropoiden i urvalet att utvecklas halvvägs mot ett nytt optimum längs PC1, ~1 miljon år längs PC2, ~0,3 miljoner år längs PC3 och ~2,3 miljoner år när det gäller lnCS. Dessa resultat skulle bland annat kunna tyda på att de femorala morfologiska anpassningar som skiljer hominoider och cercopithecoider (som fångas upp av PC1) inträffade dubbelt så snabbt som differentieringen mellan katarrhiner och platyrrhiner, som fångas upp av PC2 (se fig. 2 och 3 och kompletterande fig. 4). Förändringar mellan människoapor och människor (som fångas av PC3) inträffade mer nyligen och ännu snabbare och förändringar i lårbensstorlek (som approximeras av lnCS) var långsammast.

En möjlig invändning mot detta tillvägagångssätt är att ”surface” förutsätter att ingångsvariablerna är oberoende av varandra för att beräkna sammanfattningen av de slutgiltiga AICc-poängen för att välja den bästa övergripande modellen. Adams och Collyer48 visade att antagandet om oberoende mellan egenskapsdimensioner (när de inte är oberoende) kan leda till felspecificering av modellen med denna metod (se även ref. 49,50). För att ta itu med detta viktiga potentiella problem, som är mer sannolikt att uppstå med hjälp av en fylogenetisk PCA än i detta fall51 , testade vi om individernas poäng för de huvudkomponenter som ingick i de evolutionära analyserna (PC 1-3) var korrelerade med varandra med hjälp av fylogenetiska generaliserade minsta kvadrater. Resultaten visar att även om PC1-poäng är korrelerade med PC2- och PC3-poäng (men inte PC2-poäng med PC3-poäng) förklarar förhållandet endast en mycket liten del av den förutsägbara samvariationen (r2 PC1-2 = 0,009, r2 PC1-3 = 0,002). Mot bakgrund av detta är vi övertygade om att vår multivariata multi-OU-modellering är robust, särskilt eftersom denna metod presterar mycket bättre om man använder minst 2-4 variabler44. För att komplettera dessa resultat rapporteras och diskuteras också individuella modellanpassningar för varje ursprunglig variabel i Supplementary Fig. 8.

Storlek och fylogenetiska signaturer

Sambandet mellan den övergripande lårbensformen och storleken inspekterades med hjälp av fylogenetisk multivariat regression52 av alla Procrustes-koordinater och deras CS. Detta förhållande visade sig inte vara statistiskt signifikant (permutationstest; 1000 omgångar). Negativa resultat erhölls också när man inspekterade de tre första variationsaxlarna individuellt. Därför kan man dra slutsatsen att skillnader i lårbensform mellan de studerade taxa inte enbart kan förklaras av skillnader i lårbensstorlek.

Fylogenetisk signal i antropoidernas proximala lårben undersöktes både i fråga om storlek (både CS och logtransformerad CS, med hjälp av naturliga logaritmer) och form (de tre första PC:erna och alla Procrustes-koordinater) med hjälp av en generaliserad version av Blombergs K-statistik53 som är anpassad för högdimensionella data54. Med denna metod varierar värdena för K från 0 → ∞, med ett förväntat värde på 1,0 under Brownsk rörelse. Värden på K < 1,0 beskriver data med mindre fylogenetisk signal än förväntat, och värden på K > 1,0 beskriver data med större fylogenetisk signal än förväntat. Om man använder antingen lnCS eller CS är den observerade fylogenetiska signalen större än förväntat för proximal femoral storlek (K = 2,410 respektive K = 2,066). När de tre första PC-axlarna som undersöktes i den evolutionära modelleringen inspekteras på en gång visar det sig att den proximala femorala formvariationen har utvecklats nära den Brownska förväntan (K = 0,972), medan den är mindre än förväntat i sin övergripande form (dvs. alla Procrustes-koordinater eller alla PC:er; K = 0,506). Slutligen, när samma uppsättning variabler som användes i ”ytanalysen” undersöks samtidigt (dvs. de tre första PC-axlarna och lnCS), är K = 2,245. I samtliga fall var K-värdena signifikanta (P ≤ 0,001). K utvärderades statistiskt genom permutation (1 000 omgångar), där data i fylogeniens spetsar randomiserades i förhållande till trädet, och slumpmässiga K-värden erhölls för varje omgång och jämfördes sedan med den K som hittades med det faktiska trädet. Dessa specifika resultat erhölls med hjälp av träd 1, men likvärdiga resultat erhölls med träd 2 och 3 (se kompletterande figur 6)

.