Indledning
Osteocytter afledt af statisk osteogenese (SO-afledte osteocytter) differentierer in situ fra mesenchym, dannes tidligt i knoglevæksten og fungerer som stillads for efterfølgende knogledannelse af dem, der er afledt af dynamisk osteogenese (DO-afledte osteocytter). SO-afledte osteocytter er store, danner lige store lakuner og er grupperet i snore, mens DO-afledte osteocytter er mindre, danner aflange lakuner og er mere spredt i uregelmæssige koncentriske cirkler omkring neurovaskulære kanaler (figur 1). Osteocytlakuner tilpasser sig deres dimensioner under osteogenese, og deres form er knyttet til deres funktion . Osteocyte lacunae er normalt velbevaret i fossile knogler, hvilket giver et rigt datasæt til behandling af palæobiologiske spørgsmål omkring uddøde dyr .
Figur 1. (a) Skematisk fremstilling, der viser forskellene i osteocytform og -orientering mellem SO-afledte og DO-afledte osteocytter. (b) Et histologisk billede fra et Accipiter cooperi lårben med etiketter, der viser forskellene mellem SO-afledte og DO-afledte osteocytlakuner, som de fremstår i knoglen. På begge billeder er forkortelserne de samme: SO-afledte osteocytter (SO), DO-afledte osteocytter (DO), neurovaskulær kanal (NVC), primær osteon (POn). (Online-version i farver.)
Et af disse spørgsmål er, hvordan størrelsen af genomet har ændret sig i forskellige klasser i løbet af evolutionens historie. Palæogenomik søger at besvare dette spørgsmål ved hjælp af histologiske træk relateret til genomets størrelse . Der er blevet foretaget mange undersøgelser for at undersøge den mulige sammenhæng mellem cellestørrelse og genomstørrelse, og om histologiske beviser kan give et tilstrækkeligt signal til at vurdere genomstørrelsen for uddøde dyr . Desuden kan størrelsen af røde blodlegemer være forbundet med stofskiftet på grund af cellernes funktion i forbindelse med ilttransport. Hvis der er et signifikant metabolisk signal i størrelsen af røde blodlegemer, kan det også bruges til at estimere metaboliske parametre hos uddøde dyr .
I en undersøgelse, der forsøgte at udlede palæobiologiske parametre fra osteocyte lacunar dimensioner, målte D’Emic & Benson lacunar volumener i uddøde fugle og regresserede disse volumener mod kendte biologiske parametre, herunder den maksimale væksthastighedskonstant k, den massespecifikke metaboliske hastighed, størrelsen af røde blodlegemer og genomstørrelse. De fandt moderate sammenhænge mellem osteocyte lacunavolumen og genomstørrelse og kropsmasse og svage sammenhænge mellem osteocyte lacunavolumen og metabolisk hastighed og væksthastighed. Der blev ikke fundet nogen sammenhæng med erytrocytstørrelse, selv om der kun var få datapunkter til rådighed til regression. De målte kun DO-afledte osteocytlakunaer, men det er almindeligt i palæogenomiske undersøgelser at måle de største lakunaer, som sandsynligvis husede SO-afledte osteocytter. Denne undersøgelse har til formål at reanalysere datasættet fra D’Emic & Benson (; elektronisk supplerende materiale) ved kun at måle disse volumener af SO-afledte osteocytlakuner og regressere volumenerne i forhold til det samme sæt parametre. Dette vil gøre det muligt for os at evaluere to spørgsmål: (1) er der en forskel i form-funktionsforhold på celleniveau mellem SO- og DO-afledte osteocytter? og (2) er SO-afledte eller DO-afledte osteocytter overlegne til at forudsige fysiologiske parametre i uddøde fugle og måske andre hvirveldyr?
Materiale og metoder
D’Emic & Benson (; elektronisk supplerende materiale) sammensatte et sæt billeder af langsgående og tværgående skåret præparerede præparerede jordede femorale midterskæfte tyndsnit fra 34 uddøde fugle. Det samme sæt billeder, der blev anvendt i deres artikel, blev hentet fra deres open access supplemental data (https://doi.org/10.5061/dryad.ct40s), og der blev foretaget et nyt sæt målinger. DO-afledte osteocytlakuner blev ignoreret, og kun SO-afledte osteocytlakuner blev målt. Der blev foretaget mindst 10 kort- og langakse-målinger fra SO-afledte osteocytlakuner fra hvert billede, hvilket resulterede i et datasæt på 3836 målinger af lakunære akser. Flere SO-afledte osteocytlakuner er undertiden sammenflydende; disse store, uregelmæssige sammenflydende lakuner blev udelukket fra vores målinger. Både statisk og dynamisk afledte osteocytlakuner ligner krenulerede ellipsoider i henhold til transmissionselektronmikroskopi og mikroCT-undersøgelser . Nogle statisk afledte osteocyte lacunaer har projektioner, der gør dem mere pyramideformede end ellipsoide, men vores måleteknik var konsistent på tværs af alle lacunaer og bør derfor ikke fordreje vores volumenestimater.
Dermed blev osteocytevolumen estimeret under antagelse af en scalene ellipsoid form med følgende formel: volumen = 4/3 × π × lang akse × mellemakse × kort akse . Disse volumener blev regresseret mod de samme fem biologiske parametre (genomstørrelse (pg), kropsmasse (g), væksthastighedskonstant k (dag-1), massespecifik basal metabolisk hastighed (W g-1), tørt erythrocytområde (μm2)) udarbejdet af D’Emic & Benson (; elektronisk supplerende materiale) ved hjælp af de samme R-pakker og kode arkiveret hos Dryad (https://doi.org/10.5061/dryad.ct40s). De biologiske parametre var ikke jævnt tilgængelige på tværs af alle udtagne taxa, så dataene blev parsed på passende vis før hver regression. Der blev anvendt tre regressionsmodeller for hver af de fem regressioner af en biologisk parameter på osteocyte lacunavolumen. Den første antog ingen fylogenetisk indflydelse på dataene (λ = 0), den anden estimerede λ i henhold til en Brownsk bevægelsesmodel for evolution (λ = 1) og den tredje estimerede λ i henhold til maksimal sandsynlighed. Disse modeller blev sammenlignet ved hjælp af korrigerede Akaike-informationskriterievægte (AICc) for at vælge den mest sandsynlige model. Endelig blev disse regressioner sammenlignet med de tidligere DO-afledte regressioner af osteocytlakaunvolumen.
Resultater og diskussion
De signifikante og moderate sammenhænge mellem aviær SO-afledt osteocytlakaunvolumen og genomstørrelse eller kropsmasse, der blev fundet med DO-afledte osteocytlakaunvolumen, opretholdes, selv om de begge er lidt svagere (figur 2 og tabel 1). Sammenhængene mellem volumen og væksthastighed eller metabolisk hastighed forsvinder, når man kun undersøger SO-afledte osteocytter. I både DO-afledte og SO-afledte osteocytter er der ingen sammenhæng mellem lacunavolumen og erythrocytstørrelse. Kun forholdet mellem lacunarvolumen og genomstørrelse er signifikant uafhængigt af kropsmasse (p = 0,008, λ = 0, AIC vægt = 0,58).
Figur 2. Sammenligning af regressionsmodeller for hver parameter mellem DO-afledt (i) og SO-afledt (ii) osteocytlækvolumen. For både DO-afledte og SO-afledte osteocytter: (a) lacunarvolumen versus kropsmasse; (b) lacunarvolumen versus genomstørrelse; (c) lacunarvolumen versus væksthastighed; (d) lacunarvolumen versus massespecifik basalmetabolisme; (e) lacunarvolumen versus tørre erytrocytstørrelse. I alle graferne er den gennemgående sorte linje den almindelige OLS-regressionslinje (ordinary least-squares) (λ = 0), de gennemgående grå linjer repræsenterer konfidensintervallet, den stiplede linje er den fylogenetiske generaliserede least-squares-regressionslinje (PGLS), hvor λ = 1, og den stiplede linje er den fylogenetiske regressionslinje, hvor λ passer til dataene (tabel 1). Silhuetterne på DO-afledte osteocytlakunvolumen versus kropsmasse-grafen er billeder af kardinalfuglen (billedkredit: Scott Hartman) og Rhea (billedkredit: Darren Naish, vektoriseret af Michael Keesey, https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/), to fugle nær de relative ender af den fordeling af kropsmasse, der er udtaget i denne undersøgelse. (Online-version i farver.)
| regressionsmodel | n | AICc wt | R2 | λ | |
|---|---|---|---|---|---|
| genomstørrelse | 19 | 0.58 | 0,38 | 0 | |
| kropsmasse | 34 | 0,58 | 0,26 | 0 | |
| væksthastighed | 15 | 0.005 | 0.09 | 1 | |
| metabolisk hastighed | 21 | 0.03 | 0.01 | 0,18 | |
| erytrocytstørrelse | 10 | 0,015 | 0,015 | 0.02 | 1 |
Vores resultater viser, at der med henblik på at estimere aviærs genomstørrelse eller kropsmasse ud fra osteocytlakunvolumen ikke er nogen signifikant forskel mellem DO-afledte og SO-afledte osteocytter. Ved vurdering af væksthastighed eller metabolisk hastighed foreslår vores resultater, at der kun anvendes DO-afledt osteocytlækunarvolumen. Hverken DO-afledte eller SO-afledte fugleosteocyt-lakunarvolumener er optimale til vurdering af størrelsen af røde blodlegemer, da de ikke var relateret til hinanden i begge tilfælde. Forskellene mellem DO-afledte og SO-afledte fugleosteocytter i deres forhold til andre biologiske parametre skyldes højst sandsynligt deres forskellige former og funktioner. Både DO-afledte og SO-afledte osteocytter er vigtige i væksten af ny knogle, idet SO-afledte celler først danner stilladser efterfulgt af DO-afledte osteocytter, der fylder primære osteoner, men vores resultater tyder på, at DO-afledte osteocytvolumen er en bedre indikator for vækst og metaboliske hastigheder hos fugle. Dette er måske relateret til skaleringen af den vaskulære forsyning til knoglen, efterhånden som dens primære osteoner fyldes op, idet DO-afledt osteocytlakunvolumen afspejler hastigheden af vævstilsætning inden for osteonet snarere end den centripetale væksthastighed af knoglen som et organ, der produceres, når SO-afledte osteocytter forbener vævssnore omkring neurovaskulaturen.
Vores resultater har konsekvenser for brugen af målinger af osteocytlakunvolumen til estimering af biologiske parametre i fossil knogle. Palæogenomiske undersøgelser, der søger at estimere fugle- og måske andre klades genomstørrelser, kan fortsat udtage prøver af de største osteocytter, som det er konventionelt, fordi enten SO-afledte eller DO-afledte osteocytter viser den samme positive sammenhæng med genomstørrelse. I undersøgelser, der søger at estimere fugles væksthastigheder eller metaboliske hastigheder, er det bedst kun at udtage prøver af DO-afledte osteocytter, fordi disse parametre ikke er relateret til SO-afledte osteocytlakunære volumener. Fremtidige undersøgelser bør teste vores konklusioner i andre hvirveldyr og knogler med forskellige biomekaniske belastningsregimer for at undersøge, om de cellulære og histologiske form-funktion-relationer, der er afsløret heri, også strækker sig til andre knogletyper og klasser.
Datatilgængelighed
Autors bidrag
M.D.D. har designet undersøgelsen og lavet tyndsnittene. O.G. indsamlede dataene fra tyndsnittene. Begge forfattere analyserede dataene og skrev artiklen. Begge forfattere accepterer at blive holdt ansvarlige for indholdet af denne artikel, godkender den endelige version af manuskriptet og accepterer at blive holdt ansvarlige for alle aspekter af arbejdet ved at sikre, at spørgsmål vedrørende nøjagtigheden eller integriteten af enhver del af arbejdet undersøges og løses på passende vis.
Konkurrerende interesser
Vi har ingen konkurrerende interesser.
Finansiering
Vi har ikke modtaget nogen finansiering til denne undersøgelse.
Fodnoter
Elektronisk supplerende materiale er tilgængeligt online på https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4447739.
Published by the Royal Society. All rights reserved.