Introduktion
Osteocyter som härstammar från statisk osteogenes (SO-avledda osteocyter) differentieras in situ från mesenchym, bildas tidigt i bentillväxten och fungerar som en stomme för efterföljande benbildning av de osteocyter som härstammar från dynamisk osteogenes (DO-avledda osteocyter). SO-avledda osteocyter är stora, bildar ekvanta lacunor och är grupperade i strängar, medan DO-avledda osteocyter är mindre, bildar långsträckta lacunor och är mer utspridda i oregelbundna koncentriska cirklar runt neurovaskulära kanaler (figur 1). Osteocytlakuner anpassar sig till sina dimensioner under osteogenesen och deras form är kopplad till deras funktion . Osteocytlakuner är vanligtvis välbevarade i fossila ben och erbjuder ett rikt dataset för att ta itu med paleobiologiska frågor kring utdöda djur .
Figur 1. (a) Schematisk bild som visar skillnaderna i osteocytens form och orientering mellan SO-derivat och DO-derivat osteocyter. (b) En histologisk bild från ett lårben från Accipiter cooperi med etiketter som visar skillnaderna mellan SO-deriverade och DO-deriverade osteocytlakuner så som de ser ut i benet. I båda bilderna är förkortningarna desamma: SO-deriverade osteocyter (SO), DO-deriverade osteocyter (DO), neurovaskulär kanal (NVC), primär osteon (POn). (Onlineversion i färg.)
En sådan fråga är hur storleken på genomet har förändrats i olika klasser under evolutionens historia. Palaeogenomics försöker besvara den frågan med hjälp av histologiska egenskaper som är relaterade till genomets storlek . Det har gjorts många studier för att undersöka den möjliga kopplingen mellan cellstorlek och genomstorlek, och om histologiska bevis kan ge en tillräcklig signal för att uppskatta genomstorleken för utdöda djur . Dessutom kan storleken på de röda blodkropparna vara förknippad med ämnesomsättningen på grund av cellernas funktion i syretransporten. Om det finns en betydande metabolisk signal i storleken på de röda blodkropparna kan den också användas för att uppskatta metaboliska parametrar hos utdöda djur .
I en studie där man försökte härleda paleobiologiska parametrar från osteocytens lacunära dimensioner mätte D’Emic & Benson lacunära volymer hos utdöda fåglar och regredierade dessa volymer mot kända biologiska parametrar, inklusive den maximala tillväxthastighetskonstanten k, den massespecifika metaboliska hastigheten, storleken på de röda blodkropparna och genomstorleken. De fann måttliga samband mellan osteocytlakunavolym och genomstorlek och kroppsmassa och svaga samband mellan osteocytlakunavolym och metabolisk hastighet och tillväxthastighet. Man fann inget samband med erytrocytstorlek, även om det fanns få datapunkter tillgängliga för regression. De mätte endast DO-avledda osteocytlakuner, men det är vanligt i paleogenomiska studier att mäta de största lakunerna, som sannolikt hyste SO-avledda osteocyter. Syftet med denna studie är att på nytt analysera datasetet från D’Emic & Benson (; elektroniskt tilläggsmaterial) genom att mäta endast dessa volymer av SO-avledda osteocytlakuner och regressera volymerna mot samma uppsättning parametrar. Detta kommer att göra det möjligt för oss att utvärdera två frågor: (1) Finns det en skillnad i form-funktionsförhållandena på cellulär nivå mellan SO- respektive DO-avledda osteocyter? och (2) Är SO-avledda eller DO-avledda osteocyter överlägsna när det gäller att förutsäga fysiologiska parametrar hos utdöda fåglar, och kanske andra ryggradsdjur?
Material och metoder
D’Emic & Benson (; elektroniskt tilläggsmaterial) sammanställde en uppsättning bilder av längsgående och tvärgående snitt av preparerade preparerade preparerade jordade femorala midshafttunnsnitt från 34 utdöda fåglar. Samma uppsättning bilder som användes i deras artikel hämtades från deras open access supplemental data (https://doi.org/10.5061/dryad.ct40s) och en ny uppsättning mätningar gjordes. DO-avledda osteocytlakuner ignorerades och endast SO-avledda osteocytlakuner mättes. Minst 10 korta och långa axelmätningar togs från SO-avledda osteocytlakuner från varje bild, vilket resulterade i ett dataset med 3836 mätningar av lakunäraxeln. Flera SO-avledda osteocytlakuner är ibland sammanflytande; dessa stora, oregelbundna sammanflytande lakuner uteslöts från våra mätningar. Både statiska och dynamiska osteocytlakuner ser ut som krenulerade ellipsoider enligt studier med transmissionselektronmikroskopi och mikroCT . Vissa statiskt härledda osteocytlakaner har projektioner som gör dem mer pyramidala än ellipsoidala, men vår mätteknik var konsekvent för alla lakaner och bör därför inte påverka våra volymuppskattningar.
Därmed uppskattades osteocytvolymen med utgångspunkt i en skalenisk ellipsoidform med följande formel: volym = 4/3 × π × lång axel × mellanliggande axel × kort axel . Dessa volymer regresserades mot samma fem biologiska parametrar (genomstorlek (pg), kroppsmassa (g), tillväxthastighetskonstant k (dag-1), massspecifik basalmetabolisk hastighet (W g-1), torr erytrocytarea (μm2)) som sammanställts av D’Emic & Benson (; elektroniskt tilläggsmaterial) med hjälp av samma R-paket och kod som arkiverats på Dryad (https://doi.org/10.5061/dryad.ct40s). De biologiska parametrarna var inte jämnt tillgängliga för alla taxa i provet, så data parsades på lämpligt sätt före varje regression. Tre regressionsmodeller användes för var och en av de fem regressionerna av en biologisk parameter på osteocytens lacunavolym. I den första antogs ingen fylogenetisk påverkan på data (λ = 0), i den andra uppskattades λ enligt en modell för evolution med Brownsk rörelse (λ = 1) och i den tredje uppskattades λ enligt maximal sannolikhet. Dessa modeller jämfördes med hjälp av korrigerade Akaike-informationskriterievikter (AICc) för att välja den mest sannolika modellen. Slutligen jämfördes dessa regressioner med de tidigare DO-deriverade regressionerna av osteocytlakunvolymen.
Resultat och diskussion
De signifikanta och måttliga sambanden mellan aviär SO-deriverad osteocytlakunvolym och genomstorlek eller kroppsmassa som hittades med DO-deriverad osteocytlakunvolym bibehålls, även om de båda är något svagare (figur 2 och tabell 1). Sambanden mellan volym och tillväxthastighet eller metabolisk hastighet försvinner när man endast undersöker SO-deriverade osteocyter. I både DO-deriverade och SO-deriverade osteocyter finns det inget samband mellan lacunavolym och erytrocytstorlek. Endast sambandet mellan lacunarvolym och genomstorlek är signifikant oberoende av kroppsmassa (p = 0,008, λ = 0, AIC vikt = 0,58).
Figur 2. Jämförelse av regressionsmodeller för varje parameter mellan DO-derived (i) och SO-derived (ii) osteocyte lacunar volume. För både DO-avledda och SO-avledda osteocyter: (a) lacunarvolym mot kroppsmassa, (b) lacunarvolym mot genomstorlek, (c) lacunarvolym mot tillväxthastighet, (d) lacunarvolym mot massspecifik basalmetabolisk hastighet, (e) lacunarvolym mot storlek på torra erytrocyter. I alla grafer är den heldragna svarta linjen den ordinarie OLS-regressionslinjen (ordinary least-squares) (λ = 0), de heldragna grå linjerna representerar konfidensintervallet, den streckade linjen är den fylogenetiska generaliserade least-squares-regressionslinjen (PGLS) där λ = 1, och den streckade linjen är den fylogenetiska regressionslinjen där λ anpassas till data (tabell 1). Silhuetterna på grafen för den DO-avledda osteocytlakunvolymen i förhållande till kroppsmassan är bilder av kardinalen (bildkredit: Scott Hartman) och Rhea (bildkredit: Darren Naish, vektoriserad av Michael Keesey, https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/), två fåglar som ligger nära de relativa ändarna av den fördelning av kroppsmassan som provtagits i den här studien. (Onlineversion i färg.)
| regressionsmodell | n | AICc wt | R2 | λ |
|---|---|---|---|---|
| genomstorlek | 19 | 0.58 | 0.38 | 0 |
| kroppsmassa | 34 | 0.58 | 0.26 | 0 |
| tillväxthastighet | 15 | 0.005 | 0.09 | 1 |
| metabolism | 21 | 0.03 | 0.01 | 0.18 |
| erytrocytstorlek | 10 | 0.015 | 0.02 | 1 |
Våra resultat visar att när det gäller uppskattning av fågelgenomstorlek eller kroppsmassa utifrån osteocyternas lacunära volym finns det ingen signifikant skillnad mellan DO- och SO-avledda osteocyter. Vid uppskattning av tillväxthastighet eller metabolisk hastighet föreslår våra resultat att man endast använder DO-avledda osteocyternas lacunarvolym. Varken DO-avledda eller SO-avledda aviära osteocyternas lakunarvolymer är optimala för att uppskatta storleken på röda blodkroppar, eftersom de inte var relaterade i båda fallen. Skillnaderna mellan aviära DO-deriverade och SO-deriverade osteocyter när det gäller förhållandet till andra biologiska parametrar beror sannolikt på deras olika former och funktioner. Både DO-deriverade och SO-deriverade osteocyter är viktiga för tillväxten av nytt ben, där SO-deriverade celler först bildar ställningar följt av DO-deriverade osteocyter som fyller primära osteoner, men våra resultat tyder på att DO-deriverad osteocytvolym är en bättre indikator på tillväxt och metabolisk hastighet hos fåglar. Detta är kanske relaterat till skalningen av kärlförsörjningen till benet när dess primära osteoner fylls ut, där DO-deriverad osteocytlakanvolym reflekterar hastigheten av vävnadsappositionen inom osteonet snarare än den centripetala tillväxthastigheten för benet som organ som produceras när SO-deriverade osteocyter ossifierar vävnadssnören runt neurovaskulaturen.
Våra resultat har implikationer för användandet av osteocytlakanvolymmätningar för uppskattning av biologiska parametrar i fossila ben. Paleogenomiska studier som syftar till att skatta aviära och kanske andra kladers genomstorlekar kan fortsätta att ta prov på de största osteocyterna, vilket är konventionen, eftersom antingen SO-avledda eller DO-avledda osteocyter visar på samma positiva samband med genomstorlek. I studier som syftar till att uppskatta fåglars tillväxthastighet eller ämnesomsättning är det bäst att endast ta prov på DO-avledda osteocyter eftersom dessa parametrar inte är relaterade till SO-avledda osteocyters lacunära volymer. Framtida studier bör testa våra slutsatser i andra vertebrater och ben med olika biomekaniska belastningsregimer för att undersöka om de cellulära och histologiska form-funktionsrelationer som avslöjats här även sträcker sig till andra bentyper och klasser.
Datatillgänglighet
Författarnas bidrag
M.D.D. utformade studien och gjorde tunnsnitten. O.G. samlade in data från tunnsnitten. Båda författarna analyserade data och skrev artikeln. Båda författarna samtycker till att hållas ansvariga för innehållet i denna artikel, godkänner den slutliga versionen av manuskriptet och samtycker till att hållas ansvariga för alla aspekter av arbetet genom att se till att frågor som rör noggrannheten eller integriteten hos någon del av arbetet undersöks och löses på lämpligt sätt.
Kompletterande intressen
Vi har inga konkurrerande intressen.
Finansiering
Vi har inte fått någon finansiering för denna studie.
Fotnoter
Elektroniskt kompletterande material finns online på https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4447739.
Published by the Royal Society. Alla rättigheter förbehållna.