Einführung
Osteozyten, die aus der statischen Osteogenese stammen (SO-abgeleitete Osteozyten), differenzieren sich in situ aus dem Mesenchym, bilden sich früh im Knochenwachstum und dienen als Gerüst für die spätere Knochenbildung durch die aus der dynamischen Osteogenese stammenden (DO-abgeleiteten Osteozyten). SO-abgeleitete Osteozyten sind groß, bilden gleichförmige Lakunen und sind in Strängen zusammengefasst, während DO-abgeleitete Osteozyten kleiner sind, längliche Lakunen bilden und in unregelmäßigen konzentrischen Kreisen um neurovaskuläre Kanäle verstreut sind (Abbildung 1). Osteozytenlakunen passen sich während der Osteogenese ihren Abmessungen an, und ihre Form ist mit ihrer Funktion verknüpft. Osteozytenlakunen sind in fossilen Knochen in der Regel gut erhalten und bieten einen reichhaltigen Datensatz für die Beantwortung paläobiologischer Fragen zu ausgestorbenen Tieren.
Abbildung 1. (a) Schematische Darstellung der Unterschiede in Form und Ausrichtung der Osteozyten zwischen SO- und DO-abgeleiteten Osteozyten. (b) Histologisches Bild eines Oberschenkelknochens von Accipiter cooperi mit Markierungen, die die Unterschiede zwischen SO- und DO-abgeleiteten Osteozytenlücken, wie sie im Knochen auftreten, zeigen. In beiden Bildern sind die Abkürzungen dieselben: SO-abgeleitete Osteozyten (SO), DO-abgeleitete Osteozyten (DO), neurovaskulärer Kanal (NVC), primäres Osteon (POn). (Online-Version in Farbe.)
Eine solche Frage ist, wie sich die Größe des Genoms in verschiedenen Kladen im Laufe der Evolutionsgeschichte verändert hat. Die Paläogenomik versucht, diese Frage anhand histologischer Merkmale zu beantworten, die mit der Genomgröße zusammenhängen. Es wurden zahlreiche Studien durchgeführt, um den möglichen Zusammenhang zwischen Zellgröße und Genomgröße zu untersuchen und um festzustellen, ob histologische Befunde ein ausreichendes Signal für die Schätzung der Genomgröße bei ausgestorbenen Tieren liefern können. Darüber hinaus kann die Größe der roten Blutkörperchen aufgrund der Funktion der Zellen beim Sauerstofftransport mit der Stoffwechselrate in Zusammenhang stehen. Wenn die Größe der roten Blutkörperchen ein signifikantes Stoffwechselsignal liefert, kann sie auch zur Schätzung von Stoffwechselparametern bei ausgestorbenen Tieren herangezogen werden.
In einer Studie, in der versucht wurde, paläobiologische Parameter aus den Abmessungen der Osteozytenlücken abzuleiten, hat D’Emic & Benson die Lückenvolumina bei ausgestorbenen Vögeln gemessen und diese Volumina mit bekannten biologischen Parametern wie der maximalen Wachstumsrate k, der massenspezifischen Stoffwechselrate, der Größe der roten Blutkörperchen und der Genomgröße verglichen. Sie fanden mäßige Beziehungen zwischen dem Lakunenvolumen der Osteozyten und der Genomgröße sowie der Körpermasse und schwache Beziehungen zwischen dem Lakunenvolumen der Osteozyten und der Stoffwechsel- und Wachstumsrate. Es wurde kein Zusammenhang mit der Größe der Erythrozyten festgestellt, obwohl nur wenige Datenpunkte für eine Regression zur Verfügung standen. Es wurden nur DO-abgeleitete Osteozytenlakunen gemessen, aber es ist in paläogenomischen Studien üblich, die größten Lakunen zu messen, die wahrscheinlich SO-abgeleitete Osteozyten beherbergten. In der vorliegenden Studie soll der Datensatz von D’Emic & Benson (; elektronisches Zusatzmaterial) neu analysiert werden, indem nur die Volumina der von SO stammenden Osteozytenlakunen gemessen werden und die Volumina gegen dieselben Parameter regressiert werden. Auf diese Weise können wir zwei Fragen beantworten: (1) Gibt es einen Unterschied in den Form-Funktions-Beziehungen auf zellulärer Ebene zwischen SO- und DO-abgeleiteten Osteozyten? und (2) sind SO- oder DO-abgeleitete Osteozyten für die Vorhersage physiologischer Parameter bei ausgestorbenen Vögeln und vielleicht anderen Wirbeltieren besser geeignet?
Material und Methoden
D’Emic & Benson (; elektronisches Zusatzmaterial) stellte eine Reihe von Bildern von längs und quer geschnittenen, präparierten Dünnschnitten des mittleren Oberschenkelschaftes von 34 ausgestorbenen Vögeln zusammen. Der gleiche Satz von Bildern, der in ihrer Arbeit verwendet wurde, wurde aus ihren frei zugänglichen ergänzenden Daten (https://doi.org/10.5061/dryad.ct40s) abgerufen, und es wurde ein neuer Satz von Messungen vorgenommen. Von DO abgeleitete Osteozytenlücken wurden ignoriert und nur von SO abgeleitete Osteozytenlücken wurden gemessen. Von jedem Bild wurden mindestens 10 Messungen der kurzen und langen Achse von SO-abgeleiteten Osteozytenlakunen vorgenommen, was zu einem Datensatz von 3836 Lakunarachsenmessungen führte. Mehrere von SO abgeleitete Osteozytenlücken sind manchmal konfluent; diese großen, unregelmäßig konfluenten Lakunen wurden von unseren Messungen ausgeschlossen. Sowohl statisch als auch dynamisch entstandene Osteozytenlakunen sehen laut Transmissionselektronenmikroskopie und microCT-Studien wie gekerbte Ellipsoide aus. Einige statisch abgeleitete Osteozytenlakunen weisen Projektionen auf, die sie eher pyramidenförmig als ellipsoidisch erscheinen lassen, aber unsere Messtechnik war bei allen Lakunen konsistent und sollte daher unsere Volumenschätzungen nicht verfälschen.
Das Osteozytenvolumen wurde daher unter der Annahme einer skalenförmigen Ellipsoidform mit der folgenden Formel geschätzt: Volumen = 4/3 × π × lange Achse × mittlere Achse × kurze Achse . Diese Volumina wurden mit denselben fünf biologischen Parametern (Genomgröße (pg), Körpermasse (g), Wachstumsratenkonstante k (Tag-1), massenspezifische Grundumsatzrate (W g-1), trockene Erythrozytenfläche (μm2)) regressiert, die von D’Emic & Benson (; elektronisches Zusatzmaterial) unter Verwendung derselben R-Pakete und des bei Dryad (https://doi.org/10.5061/dryad.ct40s) archivierten Codes zusammengestellt wurden. Die biologischen Parameter waren nicht gleichmäßig für alle beprobten Taxa verfügbar, so dass die Daten vor jeder Regression entsprechend geparst wurden. Für jede der fünf Regressionen eines biologischen Parameters auf das Osteozyten-Lakunenvolumen wurden drei Regressionsmodelle verwendet. Das erste Modell ging davon aus, dass kein phylogenetischer Einfluss auf die Daten besteht (λ = 0), das zweite schätzte λ gemäß einem Modell der Brownschen Bewegung der Evolution (λ = 1) und das dritte schätzte λ gemäß der maximalen Wahrscheinlichkeit. Diese Modelle wurden anhand der Gewichte des korrigierten Akaike-Informationskriteriums (AICc) verglichen, um das wahrscheinlichste Modell auszuwählen. Schließlich wurden diese Regressionen mit den früheren Regressionen des Osteozyten-Lakunenvolumens von DO verglichen.
Ergebnisse und Diskussion
Die signifikanten und moderaten Beziehungen zwischen dem Osteozyten-Lakunenvolumen von Vögeln, die von SO abgeleitet wurden, und der Genomgröße oder der Körpermasse, die bei den von DO abgeleiteten Osteozyten-Lakunen gefunden wurden, werden beibehalten, obwohl sie beide etwas schwächer sind (Abbildung 2 und Tabelle 1). Die Beziehungen zwischen Volumen und Wachstumsrate oder Stoffwechselrate verschwinden, wenn nur SO-abgeleitete Osteozyten untersucht werden. Sowohl bei DO- als auch bei SO-abgeleiteten Osteozyten besteht kein Zusammenhang zwischen dem Lakunarvolumen und der Erythrozytengröße. Nur die Beziehung zwischen Lakunarvolumen und Genomgröße ist unabhängig von der Körpermasse signifikant (p = 0,008, λ = 0, AIC Gewicht = 0,58).
Abbildung 2. Vergleich der Regressionsmodelle für jeden Parameter zwischen dem DO-abgeleiteten (i) und dem SO-abgeleiteten (ii) Osteozyten-Lakunarvolumen. Sowohl für DO-abgeleitete als auch für SO-abgeleitete Osteozyten: (a) Lacunar-Volumen im Verhältnis zur Körpermasse; (b) Lacunar-Volumen im Verhältnis zur Genomgröße; (c) Lacunar-Volumen im Verhältnis zur Wachstumsrate; (d) Lacunar-Volumen im Verhältnis zur massenspezifischen Grundumsatzrate; (e) Lacunar-Volumen im Verhältnis zur Größe der trockenen Erythrozyten. In allen Diagrammen ist die durchgezogene schwarze Linie die gewöhnliche OLS-Regressionslinie (λ = 0), die durchgezogenen grauen Linien stellen das Konfidenzintervall dar, die gestrichelte Linie ist die phylogenetische verallgemeinerte PGLS-Regressionslinie, bei der λ = 1 ist, und die gestrichelt gepunktete Linie ist die phylogenetische Regressionslinie, bei der λ an die Daten angepasst wird (Tabelle 1). Die Silhouetten auf dem Diagramm des von der DO abgeleiteten Osteozyten-Lakunenvolumens im Vergleich zur Körpermasse sind Bilder des Kardinals (Bildnachweis: Scott Hartman) und der Rhea (Bildnachweis: Darren Naish, vektorisiert von Michael Keesey, https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/), zwei Vögel nahe den relativen Enden der in dieser Studie untersuchten Körpermassenverteilung. (Online-Version in Farbe.)
| Regressionsmodell | n | AICc wt | R2 | λ |
|---|---|---|---|---|
| Genomgröße | 19 | 0.58 | 0.38 | 0 |
| Körpermasse | 34 | 0.58 | 0.26 | 0 |
| Wachstumsrate | 15 | 0.005 | 0.09 | 1 |
| Stoffwechselrate | 21 | 0.03 | 0.01 | 0.18 |
| Erythrozytengröße | 10 | 0.015 | 0.02 | 1 |
Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass es bei der Schätzung der Genomgröße oder der Körpermasse von Vögeln anhand des Lakunenvolumens der Osteozyten keinen signifikanten Unterschied zwischen DO- und SO-abgeleiteten Osteozyten gibt. Für die Schätzung der Wachstumsrate oder des Stoffwechsels empfehlen unsere Ergebnisse die Verwendung des Lakunarvolumens von DO-Osteozyten. Weder das DO- noch das SO-abgeleitete Lakunarvolumen der Vogelosteozyten ist optimal für die Schätzung der Größe der roten Blutkörperchen, da sie in beiden Fällen nicht miteinander verbunden waren. Die Unterschiede zwischen DO- und SO-abgeleiteten Osteozyten von Vögeln in ihren Beziehungen zu anderen biologischen Parametern sind höchstwahrscheinlich auf ihre unterschiedlichen Formen und Funktionen zurückzuführen. Sowohl DO- als auch SO-abgeleitete Osteozyten sind wichtig für das Wachstum neuer Knochen, wobei SO-abgeleitete Zellen zuerst ein Gerüst bilden, gefolgt von DO-abgeleiteten Osteozyten, die die primären Osteonen auffüllen, aber unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Volumen der DO-abgeleiteten Osteozyten ein besserer Indikator für das Wachstum und die Stoffwechselraten bei Vögeln ist. Dies hängt möglicherweise mit der Skalierung der vaskulären Versorgung des Knochens zusammen, wenn seine primären Osteonen gefüllt werden, wobei das von DO abgeleitete Osteozyten-Lakunenvolumen eher die Rate der Gewebeanlagerung innerhalb des Osteons widerspiegelt als die zentripetale Wachstumsrate des Knochens als Organ, das durch die Verknöcherung von Gewebesträngen um die Neurovaskulatur durch SO-abgeleitete Osteozyten entsteht.
Unsere Ergebnisse haben Auswirkungen auf die Verwendung von Messungen des Osteozyten-Lakunenvolumens zur Schätzung biologischer Parameter in fossilen Knochen. Paläogenomische Studien, die die Genomgröße von Vögeln und vielleicht auch von anderen Kladen abschätzen wollen, können weiterhin die größten Osteozyten beproben, wie es die Konvention vorsieht, da sowohl SO- als auch DO-abgeleitete Osteozyten die gleiche positive Beziehung zur Genomgröße aufweisen. Bei Studien zur Schätzung der Wachstums- oder Stoffwechselraten von Vögeln ist es am besten, nur DO-abgeleitete Osteozyten zu beproben, da diese Parameter nicht mit SO-abgeleiteten Osteozyten-Lakunarvolumina zusammenhängen. Zukünftige Studien sollten unsere Schlussfolgerungen an anderen Wirbeltieren und Knochen mit unterschiedlichen biomechanischen Belastungsregimen testen, um zu untersuchen, ob die hier aufgedeckten zellulären und histologischen Form-Funktions-Beziehungen auch auf andere Knochentypen und -kladen zutreffen.
Zugänglichkeit der Daten
Beiträge der Autoren
M.D.D. hat die Studie entworfen und die Dünnschnitte angefertigt. O.G. sammelte die Daten der Dünnschliffe. Beide Autoren analysierten die Daten und verfassten die Arbeit. Beide Autoren erklären sich bereit, für den Inhalt dieser Arbeit verantwortlich zu sein, die endgültige Fassung des Manuskripts zu genehmigen und für alle Aspekte der Arbeit zur Rechenschaft gezogen zu werden, um sicherzustellen, dass Fragen im Zusammenhang mit der Genauigkeit oder Integrität eines Teils der Arbeit angemessen untersucht und gelöst werden.
Konkurrierende Interessen
Wir haben keine konkurrierenden Interessen.
Finanzierung
Wir erhielten keine Finanzierung für diese Studie.
Fußnoten
Elektronisches Zusatzmaterial ist online verfügbar unter https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4447739.
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