Большая кость большого пальца ноги хранит ключ к эволюции
Наши скелеты содержат характерные признаки, показывающие, что человеческая бипедальность — хождение прямо на двух ногах — уникальна для людей, особенно в сравнении с нашими ближайшими живущими родственниками, обезьянами. Вопрос о том, когда именно эти признаки впервые появились в нашей эволюционной истории, является одним из фундаментальных в изучении эволюции человека (палеоантропологии).
Междисциплинарная команда под руководством учёных из Университета Витватерсранда (Йоханнесбург, ЮАР) объединила методы визуализации, принципы инженерии и статистический анализ в новый мощный способ анализа структуры длинных костей.
В первоначальном исследовании, опубликованном в открытом журнале PLoS One, группа задокументировала различия в стопах между современными людьми и другими обезьянами. Это станет отправной точкой для будущих исследований, направленных на выяснение того, как далеко в эволюционной истории прослеживается современный человеческий паттерн структуры кости первой плюсневой кости (hallucal metatarsal).
В исследовании приняли участие д-р Тиа Джашашвили и д-р Кристиан Карлсон из Института эволюционных исследований Витватерсранда (ESI), Марк Доудсвелл, старший преподаватель Школы статистики и актуарных наук Витватерсранда, и д-р Рено Лебрен, научный сотрудник французского Института эволюционных наук в Монпелье.
Помимо важных эволюционных выводов о времени появления современной человеческой походки, этот метод значительно продвинет изучение биологии кости и функциональной морфологии у ископаемых гоминин. "Этот подход демонстрирует огромный исследовательский потенциал для специалистов по биологии кости и функциональной морфологии, особенно интересующихся структурой конечностей", — говорит Джашашвили.
В первом исследовании команда сосредоточилась на диафизе (теле) кости стопы, соединённой с большим пальцем (первой плюсневой кости), у групп современных людей, горилл и шимпанзе. Большой палец ноги (hallux) играет ключевую роль в фазе отталкивания при ходьбе и беге у людей. У других живущих обезьян большой палец больше похож на большой палец руки, облегчая хватательные способности, полезные при лазании и других древесных формах поведения.
Комбинируя два ранее разработанных метода — технику цветовых карт, позволяющую визуализировать структурные паттерны, и penalised discriminant analysis, позволяющую количественно тестировать эти паттерны, — подход команды предоставляет всесторонний способ документирования структурных различий, связанных с разным использованием большого пальца. Адаптируя и применяя эти техники, команда может идентифицировать области максимального контраста по форме и размеру (морфометрия) между современными видами, по сути преобразуя 2D-изображения из 3D КТ-сканов в "цветовую карту", где каждый цвет выражает разное количество определённых свойств.
"Это исследование является наглядным доказательством принципа работы метода, который может продвинуть общие области биологии кости и функциональной морфологии, представив мощное новое средство анализа диафизов длинных костей, особенно их структурных свойств. В нашем первом исследовании мы задокументировали захватывающие структурные различия между людьми, шимпанзе и гориллами, некоторые из которых были предсказуемы на основе различий в их походке. Неожиданные структурные различия, которые мы наблюдали, не менее интригующие. Теперь мы стремимся начать изучение того, как далеко в эволюционном времени можно проследить эти различия", — говорит Карлсон.
В исследовании учёные сосредоточились на конкретных вопросах:
- Отражают ли толщина кортикального слоя плюсневой кости и свойства, измеряющие сопротивление изгибу (например, second moments of area), у людей, шимпанзе и горилл то, как каждая группа использует свои стопы в наблюдаемом или зарегистрированном локомоторном репертуаре?
- Есть ли в каждой группе области диафиза, где выражена более низкая структурная изменчивость, и можно ли пространственно отличить эти области от областей с более высокой структурной изменчивостью?
Отвечая на эти вопросы, исследователи предоставили новое понимание эволюции стоп гоминоидов, организации структурной интеграции кости и продвинули использование цветовых карт для визуализации непрерывного распределения толщины. В совокупности это даёт потенциал для лучшего понимания функциональной морфологии диафизов длинных костей.