CT-skanning
I december 2010 CT-skannades med en Siemens Somatom 4 med användning av en skivkollimering på 1,0 mm. Bildstaplarna som används för 3D-visualisering rekonstruerades med en voxelstorlek på 0,2 × 0,2 × 0,5 mm, H70h-kärnan och utökad CT-skala. Rekonstruktionerna av underkäken och parietalerna använder bilder i tvärgående respektive koronala plan. OH 7X (höger M2; ref. 29) är inrymt i National Natural History Museum i Arusha snarare Museum and Culture House i Dar es Salaam, och studerades men inte CT-skannad. Prover i det jämförande provet skannades med en medicinsk CT-skanner (parametrar som liknar de för OH 7) eller med en BIR ACTIS 225/300 (Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology, Leipzig), isotrop voxelstorlek på 0,1 mm eller mindre. Avizo 6.3-7.1 (Visualization Sciences Group) och Geomagic Studio 2013 (Geomagic Inc.) användes för visualisering, segmentering, rekonstruktion och 3D-landmärke.
Rekonstruktion av OH 7-käken
Rekonstruktionsförfarandet diskuteras mer detaljerat i de kompletterande metoderna. OH 7-underkäken undersöktes av F.S. och M.C.D. för att kartlägga mönstret av yttre synliga sprickor, förskjutningar och viktiga morfologiska detaljer såsom interstitiella aspekter av tandkronorna. Denna information kombinerades med den inre morfologin som visas i CT-bilder. Huvudförvrängningen avser förskjutning av tänder och kroppsdelar längs tre väldefinierade frakturer: (1) labiolingualt genom höger C alveolus; (2) genom vänster corpus från P4 lingual till C labially; och (3) tvärs genom främre korpus och tandrötter, vilket markerar förskjutningen av I-kronorna (utökade data figurerna 1 och 2).
De 13 tänderna och sju korpusdelarna separerades digitalt, som färgkodade i utökad data Fig. 1. Den fragmenterade buccalväggen till höger och resterna av matrisen avlägsnades och sex corpusdelar justerades om, styrda av deras kanter och ytor. Därefter kunde snedställningarna justeras om på grundval av de interstitiella aspekterna och den apikala delen av deras rötter som förblir i deras ursprungliga alveolära positioner. De andra tänderna omplacerades på grundval av deras interstitiella aspekter och alveoler. Endast den mesiala halvan av det högra korpuset bevaras, och en andra, mer fullständig rekonstruktion gjordes därför med en kopia av det vänstra korpuset istället. Den senare speglades över det midsagittala planet i det främre korpuset, markerat med genialryggen och genioglossala gropar på den bakre symfysealytan i kombination med de apikala halvorna av I1-rötterna (fig. 1b, c). Det sålunda erhållna högra corpus-surrogatet och det verkliga rätta corpusfragmentet är nära orienterade, varvid det senare är 1 grad mer avvikande i förhållande till mellansagittalplanet. Den goda matchningen mellan enskilda delar bekräftar att korpuset upplevde liten eller ingen plastisk deformation och att det uppskattade midsagittalplanet är en bra återspegling av bilateral symmetri (Utökad data Fig. 2e). Slutligen, för att underlätta visuella jämförelser av övergripande dental arkadform, användes vänster M2 för att representera höger M2 av samma storlek och de saknade M3: erna (fig 1f). Emellertid beaktades inte M3 i någon av formanalyserna i tandarkaden. Mätningar av mandibulära rekonstruktioner ges i kompletterande anmärkning 5.
Formanalyser av mandibular och maxillary dental arcades
Landmarks. Tandhallen arkiverades med hjälp av 3D-landmärken, antingen direkt från originalprover eller gjutningar med en Microscribe-digitaliserare (Solution Technologies) eller från digital volym- eller ytdata med hjälp av Avizo 6.3 eller 7.1 (Visualization Sciences Group). Åttio landmärken definieras som beskriver de mesiala, distala, linguala och buccal / labial alveolära marginalerna för maxillary och mandibular dental arkad från vänster till höger M3 (Extended Data Fig. 2f, g). De mesiala och distala rötterna hos molar och premolarer landades separat, men i analyserna var deras koordinater genomsnittliga. Mesiala och distala landmärken mellan tandkronorna är svåra att nå med Microscribe. Dessa beräknas därför från par av landmärken som är placerade något mer buckalt / labiellt och lingvist. M3: erna från OH 7 bevaras inte och analyser använder därför en delmängd av landmärken från vänster till höger M2. Resultaten av jämförande analyser med eller utan M3 skiljer sig inte betydelsefullt. För visualisering är de 43 M2-till-M2 landmärkena förbundna med en trådram.
Befintliga arter. Prover är par av matchande maxillor och käkar, utan distinkta patologier eller otillåten slutning. Sena ungdomar är exemplar som liknar OH 7 i utvecklingsåldern, med utbrutna Cs och oavbrutna M3.Antalet sena ungdomar som kunde inkluderas var lågt, för bland de moderna Homo sapiens är denna åldersgrupp gles representerad i museumssamlingar, och bland stora apor är detta mönster av tandutbrott sällsynt eftersom utbrott av M3 vanligtvis föregår eller sammanfaller med utbrott av hund. För att maximera provstorlekarna innehåller sena ungdomar därför några få crania utan underkäkar.
Homo sapiens: vuxna 80, världsomspännande populationer; senungar 7 maxillae, 5 underkäkar. Pan troglodytes: vuxna 41, inklusive P. t. troglodytes, P. t. verus och P.t. schweinfurthii; senungar 11 maxillae, 10 underkäkar. Gorillagorilla: vuxna 46; senungar 4 maxillae, 2 underkäkar. Pongo sp .: vuxna 22.
Fossila exemplar. Provkomposition av tidig Homo återspeglar bevarande av tandvårdsarkaden, en utvecklingsålder präglad av utbruten Cs och tillgänglighet av data. Australopithecus-prover inkluderades för att representera det förfädernas eller primitiva tillstånd av gnathisk morfologi i förhållande till släktet Homo. Exemplar är märkta i graferna med deras anslutningsnummer och lämnar prefixet ’KNM-’ för exemplar som är inrymda i National Museums of Kenya och beteckningen ’-1’ för AL-exemplar inrymda i National Museum of Ethiopia.
Australopithecus anamensis KNM-KP29281: CT-skanning. Landmärken tagna från höger sida och spegelbild med hjälp av symfysens midsagittalplan.
Homo erectus: D211, D2282, D2600, D 2735: CT-baserad 3D-yta av gjutningar (källa: Georgian National Museum) . Den högra sidan av D2282 landmarkerad och spegelfilmad med hjälp av midsagittalplanet i gommen. Saknade landmärken för vänster P4- och M1-alveoler i D2600 speglas av från höger och matchas i vänster tandrad på grundval av de delade P3- och M3-landmärkena. Sangiran 4: CT-skanning. Landmärken tagna från höger sida och speglade med hjälp av midsagittalplanet i gommen.
Homo habilis: OH 7: CT-baserade 3D-rekonstruktioner (detta dokument). Saknade landmärkesdata för M1 (buccal, distal) och M2 (alla) av den partiella högra corpusen uppskattades med hjälp av reflekterad ommärkning30. Den andra rekonstruktionen som använder spegelbild ger alla landmärken.
Homo sp .: A.L. 666-1: ortogonal, parallell projicerad 3D-ytvy av en gjutning20. KNM-ER 1482: CT-skanning. Landmärken tagna från vänster sida och speglade med hjälp av symfysens midsagittala plan. KNM-ER 1802, KNM-ER 60000, KNM-ER 62000: CT-baserade 3D-rekonstruktioner8. KNM-ER 1813: CT-skanning. Vänster P3 till M2 speglades och matchades i höger tandrad. Landmärken togs från höger sida och speglades med hjälp av midsagittalplanet i gommen. OH 13: laserskanning av underkäken, med tillstånd av L. Schroeder. OH 65: CT-baserad 3D-yta av en gjutning, med tillstånd av R. Blumenschine och R. Leakey.
Framstående tidiga Homo-exemplar ingår inte: KNM-ER 992, 1470, 3733 och UR501 (otillräckligt bevarad) , KNM-ER 730 (in-vivo-fyllning och resorption av snittalveoler), KNM-ER 1805 (maxilla med svår post-mortem distorsion; käke med deformerat symfysiskt område, troligtvis associerat med in-vivo-förlust av främre tandvård), KNM WT 15000 (utvecklingsmässigt för ung), OH 24 (otillräckligt konserverad och plastisk deformation) och D2700 (flera gjutningar som inte är avgörande beträffande dåligt bevarade alveolära marginaler och palatalkonservering). samt bara homininerna (fig. 2, utökade data fig. 4 och 5 och kompletterande anmärkning 2). Detta tillvägagångssätt utvärderar de fossila homininerna med och utan sammanhanget för den starka morfologiska kontrasten mellan moderna människor och stora apor.
Procrustes överlagring och huvudkomponentanalys. Eftersom flera fossila prover rekonstruerades med hjälp av spegelbild, symmetriiserade vi alla prover med reflekterad ommärkning30,32. De symmetriserade landmärke-koordinaterna konverterades sedan till formvariabler med hjälp av generaliserade minsta kvadrater Procrustes överlag33. Denna överlagring standardiserar position, orientering och skala; de resulterande Procrustes-koordinaterna analyserades med hjälp av multivariat statistik. Vi använde huvudkomponentanalys för att minska dimensionerna för den högdimensionella datamängden. Landmärken på maxilla och underkäken analyserades separat. Alla geometriska morfometriska och statistiska analyser utfördes i Mathematica (Wolfram Research) med användning av skript skrivna av P.G.
Statistisk förutsägelse av OH 7 maxillär arkad. För att jämföra den dentala arkadformen av OH 7 med relevanta fossila prover för vilka endast maxillor existerar, uppskattade vi formen på dess maxillära arkadform med hjälp av två tillvägagångssätt: en anatomisk förutsägelse på grundval av kronöppning, beskriven nedan, samt en statistisk modell30 beroende på kovariationen i över- och underkäken (utökad data fig. 8).För den senare beräknade vi fem multipla multivariata regressionsmodeller baserade på bevarade stora apor och människor för att förutsäga maxillära landmärken från mandibulär form: en regressionsmodell som samlar alla existerande arter, samt separata regressionsmodeller för den existerande arten. Vi använde huvudkomponentanalys för att minska dimensionerna på prediktorvariablerna; regressionerna beräknades i underområdet för de första sju huvudkomponenterna, vilket tillsammans förklarar mer än 95% av den totala provvariationen. Vi använde flera rekonstruktioner av OH 7 maxillär dental arkad för att bedöma rekonstruktionsosäkerheten: en ocklusal förutsägelse och fem statistiska förutsägelser (existerande arter samlade, H. sapiens, P. troglodytes, G. gorilla respektive Pongo sp.) För båda mandibulära rekonstruktioner av OH 7. Våra analyser använder därför 11 uppskattningar av OH 7 maxilla.
Vi bedömde tillförlitligheten i vårt statistiska tillvägagångssätt genom att beräkna en maxillär förutsägelse för varje kvarvarande underkäke på grundval av en korsvaliderad multipel multivariat regressionsmodell (sammanslagning av alla bevarade arter). En jämförelse av de faktiska maxillerna till de förutsagda formerna (Extended Data Fig. 9) visar att maxillärarkadens form kan förutsägas med hög noggrannhet från käken landmärken. När vi använde de befintliga regressionsmodellerna på de två rekonstruktionerna av OH 7 underkäken ser de förutspådda maxillorna väldigt lika varandra och den anatomiska förutsägelsen beroende på kronöckning (utökad data fig. 8m). Dessa förutsagda maxillära former skiljer sig mest från storleken på den främre tandprotesen, vilket återspeglar skillnaderna mellan referensarterna. De övergripande arkadformerna för alla elva förutsägelserna är dock nästan identiska.
Jämförelser inom och mellan grupper. För att ge en ram för att tolka formskillnaderna mellan fossila prover beräknade vi Procrustes avstånd mellan alla möjliga enskilda par inom existerande arter som ett netto-olikhetsmått för att kvantifiera storskaliga formskillnader. De parvisa Procrustes-avstånden mellan tidiga Homo-fossila prover plottas i samband med frekvensfördelningar av parvisa Procrustes-avstånd mellan exemplar intraspecifikt och interspecifikt (Fig. 2b, c, e). Gränserna på 5% och 95% för de intraspecifika fördelningarna ritas upp som vertikala linjer i respektive gruppfärg.
I fig. 2b, e och utökade data är figurerna 4 och 5 inte tilldelade gruppmedlemskap på förhand. . På grundval av dessa diagram är det möjligt att bedöma sannolikheten för att formskillnaden mellan två fossiler kan hittas mellan två människor, schimpanser, orang-utaner eller gorillor, och hur den jämförs med de interspecifika skillnaderna mellan två representanter för dessa befintliga taxa. Parvis jämförelser av maxillära formskillnader inkluderar de tre förutsägelserna av OH 7 maxilla (fig 2e) och, ges separat, alla fem förutsägelser baserade på individuella hominid taxa (utökad data fig 4f). Dessa analyser gör inga antaganden om en viss fossil är ”typisk” för sin art eller en outlier. De är kraftfulla för att demonstrera stora artsskillnader, men likhet i arkadform innebär inte specifika egenskaper om inte annan diagnostisk morfologi överensstämmer med resultaten. hominid mandibles till avstånd inom gruppen för tidiga Homo-prover som sammanför olika kombinationer av prover som tillskrivs H. habilis (OH 7, OH 13, KNM-ER 1802), H. erectus (Dmanisi-prover D2600, D2735, D211) och H. rudolfensis (KNM-ER 1482, KNM-ER 60000). För fossiler ges avstånden mellan Procrustes mellan varje par av prover, liksom mjuka kärnhistogram. För jämförelse simulerade vi också ett prov av blandad art genom att slå samman Pan troglodytes och Gorilla gorilla; detta illustrerar den breda gruppfördelningen för ett stort prov med blandade arter. Som en måttstock för att bedöma formvariationen i fossila grupperingar ritade vi den övre gränsen för G. gorillafördelningen som en prickad svart linje. Att slå samman olika kombinationer av exemplar som tillskrivs H. habilis, H. erectus och H. rudolfensis ger avstånd inom gruppformen som överstiger de som finns i gorillor, de mest variabla bevarade aporna.
Vi betonar att våra slutsatser vila på Procrustes avstånd inom grupper (det vill säga arter). Här förväntas variation på grund av storleksallometri och neutral evolutionär skillnad mellan populationer vara viktigare än variation på grund av adaptiv divergens mellan populationer (prover som tillhör samma biologiska art delar samma funktionella anpassning).
Storlek och allometri.För att bedöma de statiska allometriska effekterna av käftstorleken på tandarkadens form, beräknade vi huvudkomponentanalyser (PC) för både maxillära och mandibulära tandkorgar i Procrustes-formutrymmet (Utökad data Fig. 7) och multivariata regressioner av övre och underkäksform på respektive naturliga logaritmer av centroidstorlek hos kvarvarande arter. Den statistiska signifikansen av regressionen testades med användning av ett permutationstest baserat på den förklarade variansen. I synnerhet ville vi undersöka huruvida stora käkar inom existerande arter är förknippade med en smal dental arkadform och mer parallella tandrader efter hund än i små käkar (OH 7 och KNM-ER 1802 har stora käkar). I Procrustes-formen rymddiagram (Utökad data Fig. 7a – d) har stora käftar låga PC-poäng och små käkar har höga PC-poäng. Som förväntat är de mycket sexuellt dimorfa gorillorna och orangutanerna mer varierande längs PC 1 i Procrustes-formutrymmet. För maxillär dental arkadeform förklarar allometri 4% av den totala provvariationen i H. sapiens, 9% i P. troglodytes, 18% i G. gorilla och 25% i Pongo sp. (alla P < 0,001). För mandibular dental arkadform utgör allometri 2% av den totala provvariationen i H. sapiens, 5% i P. troglodytes, 15% i G. gorilla och 21% i Pongo sp. (alla P < 0,001). I alla arter drivs dessa allometriska effekter av hundens storlek (utökad data fig. 7e – l). Dessa artsskillnader i variansfraktionerna förklaras av statisk allometri återspeglar mängden sexuell dimorfism. Som förväntat är denna andel minsta hos människor och störst i gorillor och orang-utaner. Viktigt är dock att de statiska allometriska effekterna av käftstorlek på arkadform är försumbar i alla existerande arter.
Ocklusal förutsägelse av OH 7 maxillary dental arcade
Maxillary dentition of KNM- ER 1590 valdes som den bästa matchningen i både storlek och morfologi för mandibulär tandbildning av OH 7. Den totala mesiodistala kronlängden för vänster C till M2 är 612 mm i KNM-ER 1590 (ref. 34) och 592 mm i OH 7 (ref. 1). Silikonformar togs av de ursprungliga tänderna från KNM-ER 1590 (vänster I1, höger och vänster C, P3, P4, M1, vänster M2) och gjutna i tandsten av en av oss (MCD). En mikro-CT-baserad ytmodell av den vänstra M2 speglades för att erhålla rätt M2, och dubbletter av M2 användes som surrogat M3. Den högra I1 anpassades och modellerades i vax från den bevarade vänstra I1 och I2 modellerades, i proportion och storlek, på de för OH 16 och KNM-WT 15000 för att matcha I1 av KNM-ER 1590. Rekonstruktionen av OH 7 underkäken var stereolitografiskt tryckt med 103% för att erhålla en bra matchning med KNM-ER 1590-tänderna.
En gjutning av OH 7 mandibular dental arkad monterades i en justerbar tandartikulator (Hanau). Maxillärtandningen placerades en efter en i kant-till-kant (främre tänder) eller centrisk ocklusion (bakre tänder) med hjälp av den vertikala snedstiften för att definiera mittlinjen. Huvudgjutningar gjordes av den färdiga maxillära dentala arkaden, först i epoxiharts och sedan i tandsten. Den senare skannades med mikro-CT och en ytmodell reducerades till 97% för att erhålla rätt storlek för OH 7-underkäken (Extended Data Fig. 6c).
Rekonstruktion av OH 7-parietalerna
På grundval av CT-data återställdes ett för närvarande feljusterat främre fragment på höger parietal till den publicerade konfigurationen1 (Utökad data Fig. 10). Därefter inriktade vi det spegelbildade högra parietalfragmentet till den större vänstra sidan med hjälp av följande kriterier: (a) överlagring av vänster och spegelbildad höger asterion och mastoidvinkel; (b) inriktning av de temporala linjerna på de vänstra och spegelbildade högra parietala fragmenten; och (c) bildning av en kontinuerlig sagittal sutur. Vi speglade den därigenom rekonstruerade vänstra sidan till höger och inriktade båda sidorna. Valvkurvatur längs den sagittala suturen och resterna av höger parietal längs suturen begränsar denna inriktning och därigenom den tvåparietala bredden av den resulterande rekonstruktionen (Utökad data Fig. 10c). För en andra rekonstruktion (Utökad data Fig. 10d) justerade vi om de enskilda bitarna som utgör vänster och höger parietalsida. Sprickor mellan bitarna minskade därigenom och de endokraniella ytorna på vänster och de spegelbildade högra delarna kunde justeras bättre, mestadels på grund av de resulterande förändringarna i koronal krökning. Jämfört med den första rekonstruktionen är denna version smalare framåt och något bredare bakåt. Båda rekonstruktionerna verkar giltiga när man antar olika naturliga anatomiska asymmetrier. Det har föreslagits att den högra parietaldelen, som bevarar occipitalvinkeln, faktiskt skulle kunna vara en vänster parietal hos en andra individ, vilket bevarar den främre vinkeln12.Detta förslag är emellertid oförenligt med närvaron av en tidsmässig linje som vänder sämre precis framåt mot lambdoid-suturen (fig. 3a). Mätningar av parietala rekonstruktioner ges i kompletterande anmärkning 5.
Uppskattning av ECV för OH 7
För att förutsäga ECV för OH 7 kvantifierade vi parietalstorlek och form av de två anatomiska rekonstruktioner samt ett jämförande prov av existerande hominider och använda regressionsbaserade och TPS-geometriska rekonstruktionsmetoder.
Kvantifiering & prov . På basis av ett publicerat endokraniellt landmärke set35 definierade vi 68 3D (semi-) landmärken belägna på den parietala endokraniella ytan av OH 7 (Utökad data Fig. 10e). Samma delmängd hämtades från ett prov av 257 existerande hominider (84 H. sapiens35, 55 P. troglodytes36, 54 G. gorilla37 och 64 Pongo sp37). Bland dessa är 124 ungdomar med minst M1 helt utbrutna för att klämma upp den sena ungdomsåldern av OH 7. För att validera vårt tillvägagångssätt använde vi flera fossiler med kända ECV (Australopithecus africanus: Sts 5, Sts 60, Sts 71, StW 505, MLD 37/38; Homo habilis: KNM-ER 1813; Homo erectus: KNM-ER 3733, KNM-ER 3883, KNM-WT 15000, OH 9). För att få punkt-till-punkt-korrespondens tilläts semi-landmärken att glida till landmärkkonfigurationen på OH 7 (ref. 38). Därefter transformerade vi de resulterande koordinaterna till Procrustes-formvariabler39,40 och beräknade Procrustes-formvariabler som fångar både form- och storleksinformation41.
Regressionsmodell. På grundval av det existerande provet etablerade vi en linjär regressionsmodell (justerad R2 = 0,9908) för att uppskatta ECV från parietala endokraniella formvariabler. Den förutsagda ECV för de existerande hominiderna är starkt korrelerad med den faktiska ECV utan en taxonberoende förspänning mot över- eller underskattning (Extend Data Fig. 10f). Detta gäller även fossila prover som inte ingick i provet för att fastställa regressionsmodellen.
TPS-rekonstruktioner. Förutsatt att varje individ i det existerande provet bara hade parietalområdet bevarat som i OH 7, förutspådde vi formen på dess fullständiga endokast baserat på TPS-vridning av alla andra individer och mätte ECV för de resulterande 256 rekonstruktionerna för varje individ. Den förutspådda ECV (medelvärdet av flera uppskattningar) är starkt korrelerad med den faktiska ECV (Extended Data Fig. 10g). Även om det finns mindre skillnad mellan förutsagd och faktisk ECV för människor jämfört med den regressionsbaserade uppskattningsmetoden, underskattas ECV för vissa arter, särskilt gorillor, konsekvent.
ECV-uppskattningar av OH 7. För båda anatomiska rekonstruktioner av OH 7, förutspådde vi ECV baserat på regressionsmodellen och de multipla endokastrekonstruktionerna som genererades av TPS-vridning. Med tanke på att endast parietalerna bevaras har ECV-uppskattningar oundvikligen hög osäkerhet, rapporterad här som 95% singel-prediktionsband (regression) och intervallet för flera uppskattningar42 (TPS-rekonstruktioner). För den första anatomiska rekonstruktionen är de regressionsbaserade och TPS-rekonstruktionsbaserade uppskattningarna 790 ml (678-921 ml) respektive 771 ml (663-907 ml), och för den andra anatomiska rekonstruktionen är uppskattningarna 729 ml ( 630–844 ml) respektive 824 ml (710–967 ml). Vi betraktar hjärntillväxt fullbordad hos individer med den andra molaren och hunden i ocklusion43,44 och gör inte korrigeringar för att få ett vuxenvärde (i motsats till ref. 1). Vi anser att dessa värden är mer tillförlitliga än tidigare 1,14,15,16,17,18,19,20: den (halv-) landmärkebaserade kvantifieringen av parietal form är mer exakt än de enskilda ackorden, bågarna eller volymerna som använts tidigare; all data togs från digitala kopior av originalproverna (undviker problem med krympning eller förvrängning av gjutningar); det jämförande urvalet är stort och taxonomiskt skiftande; särskilt den regressionsbaserade metoden är inte taxonberoende; och metoder validerades för fossila homininer med kända ECV.
ECV-jämförelse av OH 7, OH 13 & KNM-ER 1813
Parvis jämförelser inom grupper. Mot bakgrund av de stora ECV-skillnaderna mellan OH 7 (796 ml; 684–927 ml) och det potentiellt konspecifika exemplet KNM-ER 1813 (509 ml, ref. 19) testade vi om sådana ECV-skillnader kunde samplas från de senaste H. sapiens , P. troglodytes, P. pygmaeus, P. abelli och G. gorilla. Vi jämförde ECV för alla möjliga par av individer inom existerande grupper och delade de mindre med det större värdet; motsvarande frekvensfördelningar och deras 5% -gränser visas i fig. 3c. Denna siffra jämför också OH 7 och OH 13 (650 ml, ref. 20), liksom OH 13 och KNM-ER 1813.