Introdução
Osteócitos derivados da osteogénese estática (osteócitos derivados de SO) diferenciam-se in situ do mesênquima, formam-se cedo no crescimento ósseo e actuam como andaimes para posterior formação óssea pelos derivados da osteogénese dinâmica (osteócitos derivados de DO). Os osteócitos derivados de SO são grandes, formam lacunas equânticas e estão agrupados em cordas, enquanto os osteócitos derivados de DO são menores, formam lacunas alongadas e estão mais dispersos em círculos concêntricos irregulares ao redor dos canais neurovasculares (figura 1). As lacunas dos osteócitos adaptam-se às suas dimensões durante a osteogénese e a sua forma está ligada à sua função. As lacunas dos osteócitos são geralmente bem preservadas no osso fóssil, oferecendo um rico conjunto de dados para abordar questões paleobiológicas em torno de animais extintos .
Figure 1. (a) Esquema mostrando as diferenças na forma e orientação dos osteócitos entre os osteócitos derivados do SO e derivados do DO. (b) Imagem histológica de um fêmur de Cooperi Accipiter com rótulos mostrando as diferenças entre os osteócitos derivados do SO e derivados do DO, tal como aparecem no osso. Em ambas as imagens, as abreviações são as mesmas: osteócitos derivados do SO (SO), osteócitos derivados do DO (DO), canal neurovascular (NVC), osteon primário (POn). (Versão on-line em cores.)
>
Uma dessas questões é como o tamanho do genoma mudou em vários clades ao longo da história evolutiva. A paleogenómica procura responder a essa pergunta usando características histológicas relacionadas com o tamanho do genoma . Tem havido muitos estudos feitos para investigar a possível ligação entre o tamanho da célula e o tamanho do genoma, e se a evidência histológica pode oferecer um sinal suficiente para estimar o tamanho do genoma para animais extintos . Além disso, o tamanho das células vermelhas do sangue pode estar associado à taxa metabólica devido à função das células no transporte de oxigênio. Se houver um sinal metabólico significativo no tamanho dos glóbulos vermelhos, ele também pode ser usado para estimar parâmetros metabólicos em animais extintos .
Em um estudo que tentou inferir parâmetros paleobiológicos a partir de dimensões lacunares de osteócitos, D’Emic & Benson mediu volumes lacunares em aves extintas e regridiu esses volumes em relação a parâmetros biológicos conhecidos, incluindo a taxa máxima de crescimento constante k, taxa metabólica específica da massa, tamanho dos glóbulos vermelhos e tamanho do genoma. Eles encontraram relações moderadas entre o volume e o tamanho do genoma e a massa corporal dos osteócitos e relações fracas entre o volume e a taxa metabólica e a taxa de crescimento dos osteócitos. Não foi encontrada relação com o tamanho do eritrócito, embora poucos pontos de dados estivessem disponíveis para regressão. Eles apenas mediram as lacunas derivadas de DO, mas é comum em estudos paleogenômicos medir as maiores lacunas, que provavelmente abrigavam os osteócitos derivados de SO. O presente estudo tem como objetivo a reanálise do conjunto de dados de D’Emic & Benson (; material eletrônico suplementar), medindo apenas esses volumes de lacunas de osteócitos derivados do SO e regressando os volumes em relação ao mesmo conjunto de parâmetros. Isto nos permitirá avaliar duas questões: (1) existe uma diferença nas relações forma-função a nível celular entre os osteócitos derivados do SO versus os derivados do DO? e (2) os osteócitos derivados do SO ou derivados do DO são superiores para prever parâmetros fisiológicos em aves extintas, e talvez outros vertebrados?
Material e métodos
D’Emic & Benson (; material eletrônico suplementar) compilou um conjunto de imagens de cortes longitudinais e transversalmente preparados de cortes finos do fêmur do fêmur, longitudinalmente e transversalmente, de 34 aves extintas. O mesmo conjunto de imagens utilizadas em seu trabalho foi recuperado de seus dados suplementares de acesso aberto (https://doi.org/10.5061/dryad.ct40s) e um novo conjunto de medidas foi realizado. As lacunas de osteócitos derivados de DO foram ignoradas e apenas as lacunas de osteócitos derivados de SO foram medidas. Pelo menos 10 medidas de eixo curto e longo foram realizadas a partir das lacunas de osteócitos derivadas do SO de cada imagem, resultando em um conjunto de dados de 3836 medidas de eixo lacunar. Lacunas múltiplas de osteócitos derivadas do SO são às vezes confluentes; essas lacunas grandes e irregulares confluentes foram excluídas das nossas medidas. Tanto as lacunas de osteócitos derivadas estática e dinamicamente parecem elipsóides crenulados de acordo com estudos de microscopia eletrônica de transmissão e microCT. Algumas lacunas de osteócitos derivadas estaticamente têm projeções que as tornam mais piramidais que elipsoidais, mas nossa técnica de medida foi consistente em todas as lacunas e, portanto, não deve enviesar nossas estimativas de volume.
Assim, o volume do osteócito foi estimado assumindo uma forma elipsóide escaleno com a seguinte fórmula: volume = 4/3 × π × eixo longo × eixo intermediário × eixo curto . Estes volumes foram regredidos contra os mesmos cinco parâmetros biológicos (tamanho do genoma (pg), massa corporal (g), taxa de crescimento constante k (dia-1), taxa metabólica basal específica da massa (W g-1), área eritrocitária seca (μm2)) compilada por D’Emic & Benson (; material eletrônico suplementar) usando os mesmos pacotes R e código arquivado na Dryad (https://doi.org/10.5061/dryad.ct40s). Os parâmetros biológicos não estavam uniformemente disponíveis em todos os taxa amostrados, portanto os dados foram analisados apropriadamente antes de cada regressão. Três modelos de regressão foram empregados para cada uma das cinco regressões de um parâmetro biológico sobre o volume da lacuna osteocitária. O primeiro não assumiu influência filogenética sobre os dados (λ = 0), o segundo estimou λ de acordo com um modelo de evolução do movimento browniano (λ = 1) e o terceiro estimou λ de acordo com a máxima probabilidade. Estes modelos foram comparados utilizando pesos de informação Akaike corrigidos (AICc) para seleccionar o modelo mais provável. Finalmente, estas regressões foram comparadas com as regressões anteriores do volume lacunar de osteócitos derivados de DO.
Resultados e discussão
As relações significativas e moderadas entre o volume lacunar de osteócitos derivados de SO aviários e o tamanho do genoma ou massa corporal que foram encontradas com lacunas de osteócitos derivados de DO são mantidas, embora ambas sejam ligeiramente mais fracas (figura 2 e tabela 1). As relações entre volume e taxa de crescimento ou taxa metabólica desaparecem ao examinar apenas os osteócitos derivados do SO. Tanto nos osteócitos derivados de DO quanto nos derivados de SO, não há relação entre volume lacunar e tamanho do eritrócito. Apenas a relação entre volume lacunar e tamanho do genoma é significativa, independente da massa corporal (p = 0,008, λ = 0, peso AIC = 0,58).
Figure 2. Comparação de modelos de regressão para cada parâmetro entre o volume lacunar dos osteócitos derivados de DO (i) e SO (ii). Tanto para os osteócitos derivados de DO quanto para os derivados de SO: (a) volume lacunar versus massa corporal; (b) volume lacunar versus tamanho do genoma; (c) volume lacunar versus taxa de crescimento; (d) volume lacunar versus taxa metabólica basal específica da massa; (e) volume lacunar versus tamanho do eritrócito seco. Em todos os gráficos, a linha preta sólida é a linha de regressão ordinária dos mínimos quadrados (OLS) (λ = 0), as linhas cinza sólida representam o intervalo de confiança, a linha tracejada é a linha de regressão dos mínimos quadrados filogenéticos generalizados (PGLS) onde λ = 1, e a linha dos pontos é a linha de regressão filogenética onde o λ é adequado aos dados (tabela 1). As silhuetas no gráfico de volume lacunar de osteócitos derivados de DO versus massa corporal são imagens do cardinal (crédito de imagem: Scott Hartman) e Rhea (crédito de imagem: Darren Naish, vetorizado por Michael Keesey, https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/), duas aves próximas às extremidades relativas da distribuição de massa corporal amostradas neste estudo. (Versão online em cores.)
>
| modelo de regressão | n | AICc wt | R2 | λ |
|---|---|---|---|---|
| tamanho do genoma | 19 | 0.58 | 0.38 | 0 |
| massa corporal | 34 | 0.58 | 0.26 | 0 |
| taxa de crescimento | 15 | 0.005 | 0.09 | 1 |
| tabolic rate | 21 | 0.03 | 0.01 | 0.18 |
| tamanho doerythrocyte | 10 | 0.015 | 0.02 | 1 |
Os nossos resultados indicam que, para estimar o tamanho do genoma aviário ou massa corporal a partir do volume lacunar dos osteócitos, não há diferença significativa entre os osteócitos derivados de DO e derivados de SO. Ao estimar a taxa de crescimento ou taxa metabólica, nossos resultados sugerem o uso apenas do volume lacunar dos osteócitos derivados de DO. Nem os volumes de osteócitos aviários lacunares derivados de DO nem de SO são ideais para estimar o tamanho dos glóbulos vermelhos, uma vez que não estavam relacionados em ambos os casos. As diferenças entre os osteócitos aviários derivados de DO e SO em suas relações com outros parâmetros biológicos são mais prováveis devido às suas diferentes formas e funções. Tanto os osteócitos derivados de DO quanto os derivados de SO são importantes no crescimento do osso novo, com células derivadas de SO formando primeiro andaimes seguidos por osteócitos derivados de DO que infiliam osteócitos primários, mas nossos resultados sugerem que o volume de osteócitos derivados de DO é um melhor indicador do crescimento e das taxas metabólicas nas aves. Isso talvez esteja relacionado à escamação do suprimento vascular ao osso à medida que seus osteócitos primários são infestados, com o volume da lacuna osteocitária derivada do DO refletindo a taxa de aposição tecidual dentro do osso e não a taxa centrípeta de crescimento do osso como um órgão produzido como os osteócitos derivados do SO ossificam cordas de tecido ao redor da neurovasculatura.
Nossos resultados têm implicações no uso de medidas de volume lacunar dos osteócitos para a estimativa de parâmetros biológicos no osso fóssil. Estudos paleogenômicos que buscam estimar o tamanho do genoma aviário e talvez de outros clades podem continuar a amostrar os maiores osteócitos, como é convenção, pois os osteócitos derivados de SO ou derivados de DO indicam a mesma relação positiva com o tamanho do genoma. Em estudos que procuram estimar taxas de crescimento aviário ou taxas metabólicas, é melhor amostrar apenas osteócitos derivados do SO, pois esses parâmetros não estão relacionados a volumes lacunares de osteócitos derivados do SO. Estudos futuros devem testar nossas conclusões em outros vertebrados e ossos com diferentes regimes de carga biomecânica, a fim de examinar se as relações forma-função celular e histológica aqui reveladas se estendem também a outros tipos ósseos e clades.
Acessibilidade dos dados
Contribuições dos autores
M.D.D. desenhou o estudo e fez os cortes finos. O.G. coletou os dados das seções finas. Ambos os autores analisaram os dados e escreveram o artigo. Ambos os autores concordam em ser responsabilizados pelo conteúdo deste trabalho, aprovam a versão final do manuscrito e concordam em ser responsabilizados por todos os aspectos do trabalho, assegurando que as questões relacionadas com a precisão ou integridade de qualquer parte do trabalho sejam adequadamente investigadas e resolvidas.
Interesses concorrentes
Não temos interesses concorrentes.
Financiamento
Não recebemos financiamento para este estudo.
Pés
Electronic supplementary material is available online at https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4447739.
Publicado pela Royal Society. Todos os direitos reservados.