Introduzione
Gli osteociti derivati dall’osteogenesi statica (osteociti di derivazione SO) si differenziano in situ dal mesenchima, si formano all’inizio della crescita ossea e fungono da impalcatura per la successiva formazione ossea da quelli derivati dall’osteogenesi dinamica (osteociti di derivazione DO). Gli osteociti di derivazione SO sono grandi, formano lacune equanimi e sono raggruppati in cordoni, mentre gli osteociti di derivazione DO sono più piccoli, formano lacune allungate e sono più dispersi in cerchi concentrici irregolari intorno ai canali neurovascolari (figura 1). Le lacune degli osteociti sono conformi alle loro dimensioni durante l’osteogenesi e la loro forma è legata alla loro funzione. Le lacune osteocitarie sono di solito ben conservate nelle ossa fossili, offrendo un ricco set di dati per affrontare le questioni paleobiologiche che circondano gli animali estinti.
Figura 1. (a) Schema che mostra le differenze di forma e orientamento degli osteociti tra gli osteociti di derivazione SO e quelli di derivazione DO. (b) Un’immagine istologica di un femore di Accipiter cooperi con etichette che mostrano le differenze tra le lacune osteocitarie di derivazione SO e DO come appaiono nell’osso. In entrambe le immagini, le abbreviazioni sono le stesse: osteociti di derivazione SO (SO), osteociti di derivazione DO (DO), canale neurovascolare (NVC), osteone primario (POn). (Versione online a colori.)
Una di queste domande è come la dimensione del genoma sia cambiata nei vari cladi nel corso della storia evolutiva. La paleogenomica cerca di rispondere a questa domanda utilizzando le caratteristiche istologiche relative alle dimensioni del genoma. Ci sono stati molti studi fatti per indagare il possibile legame tra la dimensione delle cellule e la dimensione del genoma, e se l’evidenza istologica può offrire un segnale sufficiente per stimare la dimensione del genoma per gli animali estinti. Inoltre, la dimensione dei globuli rossi può essere associata al tasso metabolico a causa della funzione delle cellule nel trasporto di ossigeno. Se c’è un segnale metabolico significativo nella dimensione dei globuli rossi, può anche essere usato per stimare i parametri metabolici negli animali estinti.
In uno studio che ha tentato di dedurre parametri paleobiologici dalle dimensioni lacunari degli osteociti, D’Emic & Benson ha misurato i volumi lacunari negli uccelli estinti e ha regredito questi volumi rispetto a parametri biologici noti tra cui la costante di crescita massima k, il tasso metabolico specifico della massa, la dimensione dei globuli rossi e la dimensione del genoma. Hanno trovato relazioni moderate tra il volume della lacuna osteocitaria e la dimensione del genoma e la massa corporea e relazioni deboli tra il volume della lacuna osteocitaria e il tasso metabolico e il tasso di crescita. Non è stata trovata alcuna relazione con le dimensioni degli eritrociti, anche se pochi punti di dati erano disponibili per la regressione. Hanno misurato solo le lacune di osteociti derivati dal DO, ma è comune negli studi paleogenomici misurare le lacune più grandi, che probabilmente ospitavano gli osteociti derivati dall’SO. Il presente studio mira a rianalizzare il set di dati di D’Emic & Benson (; materiale supplementare elettronico) misurando solo questi volumi di lacune osteocitarie derivate dalla SO e regredendo i volumi rispetto allo stesso set di parametri. Questo ci permetterà di valutare due domande: (1) c’è una differenza nelle relazioni forma-funzione a livello cellulare tra gli osteociti derivati dalla SO e quelli derivati dalla DO? e (2) gli osteociti derivati dalla SO o dalla DO sono superiori per prevedere i parametri fisiologici negli uccelli estinti, e forse in altri vertebrati?
Materiale e metodi
D’Emic & Benson (; materiale supplementare elettronico) ha compilato una serie di immagini di sezioni sottili femorali a terra preparate longitudinalmente e trasversalmente da 34 uccelli estinti. La stessa serie di immagini utilizzate nel loro articolo è stata recuperata dai loro dati supplementari ad accesso aperto (https://doi.org/10.5061/dryad.ct40s) ed è stata presa una nuova serie di misure. Le lacune osteocitarie di derivazione DO sono state ignorate e sono state misurate solo le lacune osteocitarie di derivazione SO. Almeno 10 misure di asse breve e lungo sono stati presi da SO-derivato lacune osteociti da ogni immagine, con conseguente set di dati di 3836 misure di asse lacunare. Più lacune osteocitarie derivate dalla SO sono a volte confluenti; queste lacune confluenti grandi e irregolari sono state escluse dalle nostre misurazioni. Entrambe le lacune osteocitarie di derivazione statica e dinamica hanno l’aspetto di ellissoidi crenati secondo la microscopia elettronica a trasmissione e gli studi microCT. Alcune lacune osteocyte derivate staticamente hanno proiezioni che le rendono più piramidali che ellissoidali, ma la nostra tecnica di misurazione era coerente in tutte le lacune e quindi non dovrebbe influenzare le nostre stime di volume.
Quindi, il volume degli osteociti è stato stimato assumendo una forma di ellissoide scaleno con la seguente formula: volume = 4/3 × π × asse lungo × asse intermedio × asse corto. Questi volumi sono stati regrediti rispetto agli stessi cinque parametri biologici (dimensioni del genoma (pg), massa corporea (g), costante di tasso di crescita k (giorno-1), tasso metabolico basale specifico della massa (W g-1), area eritrocitaria secca (μm2)) compilati da D’Emic & Benson (; materiale supplementare elettronico) utilizzando gli stessi pacchetti R e codice archiviati presso Dryad (https://doi.org/10.5061/dryad.ct40s). I parametri biologici non erano disponibili in modo uniforme in tutti i taxa campionati, quindi i dati sono stati analizzati in modo appropriato prima di ogni regressione. Tre modelli di regressione sono stati impiegati per ciascuna delle cinque regressioni di un parametro biologico sul volume della lacuna osteocitaria. Il primo ha assunto nessuna influenza filogenetica sui dati (λ = 0), il secondo ha stimato λ secondo un modello di moto browniano di evoluzione (λ = 1) e il terzo ha stimato λ secondo la massima verosimiglianza. Questi modelli sono stati confrontati utilizzando i pesi corretti del criterio di informazione di Akaike (AICc) per selezionare il modello più probabile. Infine, queste regressioni sono state confrontate con le precedenti regressioni del volume lacunare degli osteociti derivati dal DO.
Risultati e discussione
Le relazioni significative e moderate tra il volume lacunare degli osteociti derivati dal SO e le dimensioni del genoma o la massa corporea che sono state trovate con le lacune degli osteociti derivati dal DO sono mantenute, sebbene siano entrambe leggermente più deboli (figura 2 e tabella 1). Le relazioni tra volume e tasso di crescita o tasso metabolico scompaiono quando si esaminano solo gli osteociti derivati dalla SO. Sia negli osteociti derivati dal DO che in quelli derivati dal SO, non c’è alcuna relazione tra il volume lacunare e le dimensioni degli eritrociti. Solo la relazione tra il volume lacunare e la dimensione del genoma è significativa indipendentemente dalla massa corporea (p = 0,008, λ = 0, AIC peso = 0,58).
Figura 2. Confronto dei modelli di regressione per ogni parametro tra DO-derivato (i) e SO-derivato (ii) osteocyte volume lacunare. Sia per gli osteociti derivati dal DO che per quelli derivati dal SO: (a) volume lacunare rispetto alla massa corporea; (b) volume lacunare rispetto alla dimensione del genoma; (c) volume lacunare rispetto al tasso di crescita; (d) volume lacunare rispetto al tasso metabolico basale specifico della massa; (e) volume lacunare rispetto alla dimensione degli eritrociti secchi. In tutti i grafici, la linea nera solida è la linea di regressione ordinaria dei minimi quadrati (OLS) (λ = 0), le linee grigie solide rappresentano l’intervallo di confidenza, la linea tratteggiata è la linea di regressione filogenetica generalizzata dei minimi quadrati (PGLS) dove λ = 1, e il trattino-punto è la linea di regressione filogenetica dove il λ è adatto ai dati (tabella 1). Le sagome sul volume lacunoso osteocita derivato dal DO rispetto al grafico della massa corporea sono immagini del cardinale (credito immagine: Scott Hartman) e Rhea (credito immagine: Darren Naish, vettorializzato da Michael Keesey, https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/), due uccelli vicino alle estremità relative della distribuzione della massa corporea campionata in questo studio. (Versione online a colori.)
| modello di regressione | n | AICc wt | R2 | λ |
|---|---|---|---|---|
| dimensione genoma | 19 | 0.58 | 0,38 | 0 |
| massa del corpo | 34 | 0,58 | 0,26 | 0 |
| tasso di crescita | 15 | 0.005 | 0.09 | 1 |
| tasso metabolico | 21 | 0.03 | 0.01 | 0,18 |
| dimensione degli eritrociti | 10 | 0,015 | 0.02 | 1 |
I nostri risultati indicano che ai fini della stima delle dimensioni del genoma aviario o della massa corporea dal volume lacunare degli osteociti, non vi è alcuna differenza significativa tra gli osteociti derivati dal DO e quelli derivati dal SO. Quando si stima il tasso di crescita o il tasso metabolico, i nostri risultati suggeriscono di utilizzare solo il volume lacunare degli osteociti derivati dal DO. Né i volumi lacunari degli osteociti aviari derivati dal DO né quelli derivati dal SO sono ottimali per stimare le dimensioni dei globuli rossi, poiché non sono stati correlati in entrambi i casi. Le differenze tra gli osteociti aviari derivati dal DO e quelli derivati dal SO nelle loro relazioni con altri parametri biologici sono molto probabilmente dovute alle loro diverse forme e funzioni. Sia gli osteociti di derivazione DO che quelli di derivazione SO sono importanti nella crescita di nuovo osso, con le cellule di derivazione SO che formano prima le impalcature seguite dagli osteociti di derivazione DO che riempiono gli osteoni primari, ma i nostri risultati suggeriscono che il volume degli osteociti di derivazione DO è un indicatore migliore della crescita e dei tassi metabolici negli uccelli. Questo è forse legato al ridimensionamento dell’apporto vascolare all’osso man mano che i suoi osteoni primari vengono riempiti, con il volume della lacuna osteocitaria derivata dal DO che riflette il tasso di apposizione del tessuto all’interno dell’osteone piuttosto che il tasso centripeto di crescita dell’osso come organo prodotto quando gli osteociti derivati dall’SO ossificano cordoni di tessuto intorno alla neurovasculatura.
I nostri risultati hanno implicazioni per l’utilizzo delle misure del volume della lacuna osteocitaria per la stima dei parametri biologici nelle ossa fossili. Gli studi paleogenomici che cercano di stimare le dimensioni del genoma degli uccelli e forse di altri cladi possono continuare a campionare gli osteociti più grandi, come da convenzione, perché sia gli osteociti derivati da SO che quelli derivati da DO indicano la stessa relazione positiva con le dimensioni del genoma. Negli studi che cercano di stimare i tassi di crescita aviaria o i tassi metabolici, è meglio campionare solo gli osteociti derivati dal DO perché questi parametri non sono correlati ai volumi lacunari degli osteociti derivati dall’SO. Studi futuri dovrebbero testare le nostre conclusioni in altri vertebrati e ossa con diversi regimi di carico biomeccanico al fine di esaminare se le relazioni cellulari e istologiche forma-funzione qui rivelate si estendono anche ad altri tipi di ossa e cladi.
Accessibilità dei dati
Contributi degli autori
M.D.D. ha progettato lo studio e fatto le sezioni sottili. O.G. ha raccolto i dati dalle sezioni sottili. Entrambi gli autori hanno analizzato i dati e scritto l’articolo. Entrambi gli autori accettano di essere ritenuti responsabili per il contenuto di questo articolo, approvano la versione finale del manoscritto e accettano di essere ritenuti responsabili per tutti gli aspetti del lavoro nel garantire che le questioni relative all’accuratezza o all’integrità di qualsiasi parte del lavoro siano adeguatamente indagate e risolte.
Interessi concorrenti
Non abbiamo interessi concorrenti.
Finanziamento
Non abbiamo ricevuto finanziamenti per questo studio.
Footnotes
Il materiale supplementare elettronico è disponibile online all’indirizzo https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4447739.
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