Des sections transversales du fémur de 46 espèces de lissamphibiens ont été étudiées pour déterminer la relation entre mode de vie (aquatique, amphibie ou terrestre) et profil de compacité osseuse. Deux tests statistiques, qui incorporent la phylogénie, démontrent que le retour à un mode de vie aquatique chez les lissamphibiens s'accompagne d'une augmentation de la compacité fémorale et d'une augmentation de la taille corporelle. Cependant, les espèces d'amphibiens amphibies ne peuvent être distinguées de leurs proches parents terrestres uniquement sur la base de leur compacité fémorale ou de leur taille corporelle. Un modèle mathématique obtenu en utilisant des régressions logistiques qui incorporent une pondération phylogénétique nous a permis d'inférer le mode de vie de quatre stégocéphales du Permien et du Trias. Les résultats sont cohérents avec les interprétations précédentes. De plus, ils suggèrent que cette méthode pourrait fournir de précieuses données sur le mode de vie des premiers stégocéphales. .
We now know that the appearance of the limb does not signal the conquest of land by vertebrates, because the first stegocephalians (i.e. limbed vertebrates) were probably aquatic. This idea is not new because Romer [45,46] thought that the first stegocephalians were largely aquatic (see the glossary for the phylogenetic definitions of the taxon names adopted here
It is difficult to determine when some stegocephalians became terrestrial because the absence of grooves for the lateral-line organ does not prove that this organ was absent. Indeed, several aquatic lissamphibians (
For these reasons, we chose to work on bone microanatomy. Several studies have suggested that the return to an aquatic lifestyle in tetrapods is often accompanied by microanatomical changes in the skeleton. In tetrapods that live in shallow water and that recently returned to an aquatic lifestyle, the long bones (Fig. 1A and B) are generally more compact than those of their terrestrial relatives [36,43]. In tetrapods that live in deep water and that swim actively, the skeleton tends to become lighter, but the medullar region is often occupied by spongy bone (Fig. 1D). This adaptation is found in Neogene cetaceans [6], in most ichthyosaurs [4,38], in plesiosaurs [52], etc. In contrast, long bones of terrestrial vertebrates usually have compact cortical bone and a large medullar cavity (Fig. 1C). Thus, microanatomical data are among the potentially most useful to infer the lifestyle of early stegocephalians [43].
Most previous studies that used bone microanatomical data to assess the lifestyle of extinct vertebrates have relied on a visual comparison of cross-sections. This technique works when there are obvious adaptations to an aquatic lifestyle, but in numerous other cases, it is difficult to use and requires a thorough knowledge of the diversity and distribution of osteological characters. This technique was used to infer the lifestyle of early stegocephalians [43], sauropsids [42], synapsids [41], but it gave better results in Mesozoic amniotes, such as champsosaurs [8], ichthyosaurs [6], placodonts [5], plesiosaurs [52], and crocodilians [22], in which the adaptations to an aquatic lifestyle are more obvious. Since the bone structure of early stegocephalians is difficult to interpret, we have developed quantitative methods that should enable us to extract as much palaeoecological information from long-bone microstructure as possible.
Girondot and Laurin [19] have developed a mathematical model and software (named Bone Profiler) that can express the quantity and distribution of bone tissue in a cross-section of a long bone. It may be useful to summarize this model here: it includes four parameters (Fig. 2) that correspond approximately to the compactness in the medulla
To gather these data, we developed the software Bone Profiler [19], which can read an image (picture or drawing) of a bone section and gather data on the compactness in 51 concentric zones and 60 sectors (each of which measures 6° in width), which together delimit 3060 areas on which the compactness is measured (Fig. 3). These data are used to establish 60 compactness profiles on a complete section, but incomplete sections can also be used, and this is particularly useful to analyse fossil bones, which are often fragmentary or damaged. Average and standard deviation of each variable are calculated, outliers (i.e. profiles for which at least one parameter is more than four standard deviations from the average) are removed and this procedure is repeated as many times as necessary. Thus, data on the average and variability of the parameters are gathered.
We are currently gathering data on a large number of extant tetrapods to produce a model to infer the lifestyle of early stegocephalians. The analysis summarized here bears on the femora of 105 individuals belonging to 46 lissamphibian species (23 anuran species and 23 urodele species). Lissamphibians are particularly suitable for such an analysis, because they encompass a broad range of lifestyles; from an initially amphibious lifestyle [51], several taxa became terrestrial or aquatic (Fig. 4). A tree that incorporates divergence times between all included species has been produced from formerly published phylogenies [30]. Divergence times were estimated from the geological age of the oldest fossil that belongs to each clade and from molecular studies (Fig. 4).
Several tests were performed to determine which characters included ecological information. The best known is the concentrated changes test described by Maddison [37]. This test rests on the premise that if no correlation exists between two characters, the distribution of the dependent character has no impact on the frequency or direction of changes in the dependent character. It requires a completely resolved phylogeny, does not use branch length information, and can be used only for discrete data. Thus, it was necessary to convert our continuous variables into discrete ones, and this was the least satisfactory part of this test.
Permuted multiple linear regressions are more appropriate for our purpose because this test can be used on datasets that include a mix of continuous and discrete characters. This test was described by Legendre et al. [34], who used it to determine which characters were correlated with brain evolution in marsupials. Legendre et al. [34] used a simple taxonomy in which marsupials were classified into three orders, and that amounts to using a poorly resolved phylogeny that includes three polytomies and no branch length data. However, a completely resolved phylogeny incorporating branch-length information can be used, as we have done. The variables are then converted into distance matrices, character by character. For quantitative characters, the distance is simply the absolute value of the difference between taxa (the Euclidean distance), taken pair by pair (Fig. 5). For discrete, binary characters (such as lifestyle, that was coded as 0 for aquatic taxa and 1 for amphibious or terrestrial taxa), the difference was 1 when the lifestyles differed, and 0 when they were identical. Finally, the phylogenetic distance between taxa is simply the time that has elapsed since their lineages diverged (Fig. 5). A multiple linear regression is then performed on all the matrices, and this yields regression coefficients between the dependent variable (lifestyle) and each independent variable (axial length, femoral compactness, phylogenetic position). The values of the dependent variable are then randomly permuted and the multiple regression analysis is repeated. This yields a new set of regression coefficients. A large number of analyses on randomized data sets is performed (typically, at least 999, but in our study, we have performed 9999) to generate a null distribution of regression coefficients. The relationship is deemed to be statistically significant if the initial regression coefficient between two variables is greater than at least 95% of the regression coefficients obtained from randomized datasets. This test does not require the data to be normally distributed, and this is critical here because the lifestyle was coded as a binary character. In classical regressions, the dependent variable must have a normal distribution (and must therefore be continuous or possess enough states to approximate a normal distribution). The permutations remove this constraint. This method is less known than the phylogenetically independent contrasts [15], but it is flexible and has recently been used to study trends in body size evolution in early stegocephalians [25].
Using phylogenetically weighted logistic regressions, we have produced inference models for the lifestyle of stegocephalians that require only data on body size and the compactness profile. The phylogenetic weight attributes equal weights to two sister-taxa, even if they are represented by very uneven numbers of species. These models were produced by minimizing the difference between the observed lifestyle (on extant amphibians) and the lifestyle inferred by the model on the basis of compactness profile (parameters
Eleven parameters (
One of the resulting models was then used to infer the lifestyle of four stegocephalians (Fig. 6) that represent four major clades (Temnospondyli, Embolomeri, Amphibia, and Amniota).
The concentrated changes test shows that the femoral compactness and axial length (measured from the atlas to the sacral vertebrae in urodeles, and between the atlas and the posterior end of the urostyle in anurans) contain ecological information [30]. Compared to terrestrial or amphibious lissamphibians, aquatic amphibians are on average larger (
The permuted multiple regressions confirm that axial length (
Two inference models were produced using phylogenetically weighted logistic regressions [30]. Both yield inferences comprised between 0 and 1 (0 for aquatic and 1 for amphibious, since the differences between terrestrial and amphibious species was not statistically significant). The first model is based on 46 species; it requires estimating 11 constants and yields a correct lifestyle in 85% of the 105 individuals and 82% of the 46 species. We suspected that the relatively high error rate resulted from great differences in proportions (and perhaps, in the mode of locomotion) between anurans and urodeles. Furthermore, we believed that anurans could mislead us because their body proportions are very different from those of the early stegocephalians whose lifestyle we wanted to infer. Thus, we produced a second model based on the 23 species of urodeles included in this study. This model requires estimating only four constants and requires information on compactness profile parameter P, maximal diameter of the bone section, and axial length. It estimates correctly the lifestyle of 39 of the 41 individuals and of 21 of the 23 species.
Applying the second model to four early stegocephalians yields results generally congruent with the lifestyle that had previously been attributed to these taxa.
The small temnospondyl
The Lower Permian amphibian
The small parareptile
The greater compactness of the femur of aquatic lissamphibians confirms results of several previous studies on various stegocephalian taxa [5,8,22,36,38,42,44,52], but seems to conflict with the results of the two other studies on the relationship between skeletal mass and compactness and lifestyle in anurans [10,31]. Indeed, Castanet and Caetano [10] found that two amphibious ranid species
The results obtained on the femur of lissamphibians suggest that bone microstructural data can be used to reconstruct the history of the conquest of land by vertebrates. The inference models that we produced cannot be used to infer the lifestyle of mid-sized to large stegocephalians because they are based on lissamphibians, that are relatively small animals, and body size includes ecological information. Thus, bone microstructural data on extant taxa of larger body size have to be gathered to complete this research program [18]. We are also studying the bone microstructure of
Stegocephali (stegocephalians): the most inclusive clade which includes
Tetrapoda (tetrapods): the least inclusive clade that includes
Amphibia (amphibians): the most inclusive clade that includes
For more information on the nomenclature of stegocephalians, see Laurin [24].
Il a été démontré que l'apparition du membre chiridien ne coïncide pas avec le début de la conquête de l'environnement terrestre par les vertébrés, puisque les premiers stégocéphales (vertébrés munis d'un membre chiridien) étaient probablement aquatiques. Cette idée n'est pas réellement nouvelle, puisque Romer
Le mode de vie terrestre chez des stégocéphales anciens est plus difficile à mettre en évidence, puisque l'absence de sillons sur le crâne de stégocéphales ne prouve pas que cet organe fût absent. En effet, de nombreux lissamphibiens aquatiques actuels (
Nous avons choisi de travailler sur la microanatomie osseuse. En effet, de nombreuses études antérieures ont montré que le retour à un mode de vie aquatique chez les tétrapodes s'accompagne de modifications microstructurales des os
La plupart des études antérieures qui ont tenté d'utiliser la microanatomie osseuse pour inférer le mode de vie ont utilisé une méthode d'analyse visuelle qualitative, consistant à inférer le mode de vie à partir de l'aspect de l'os. Cette technique peut être appliquée avec succès lorsque des adaptations évidentes indiquent un mode de vie aquatique, mais, dans de nombreux autres cas, elle est difficile à exploiter et demande une grande expérience de l'ostéologie comparée. Ainsi, elle a été appliquée à certains vertébrés du Paléozoïque, tels des stégocéphales
Comme ces méthodes ont été présentées en détail par ailleurs
Pour recueillir ces données, nous avons développé le logiciel Bone Profiler
L'analyse sur laquelle cet article est fondé concerne le fémur de 105 individus [30 (annexe 2)] appartenant à 46 espèces de lissamphibiens (23 d'urodèles et 23 d'anoures). Les lissamphibiens se prêtent très bien à une telle analyse, car leur mode de vie est très variable ; à partir d'un mode de vie initialement amphibie
L'étape suivante consiste en une analyse pour déterminer quels caractères renferment de l'information écologique. Plusieurs techniques d'analyse ont été utilisées. La plus connue est l'analyse de concentration des changements (
Un second test, plus intéressant dans ce contexte, car applicable à des données continues ou à un jeu de données comprenant à la fois des caractères discrets et continus, est la régression linéaire multiple permutée. Ce test fut utilisé par Legendre et al.
Nous avons établi des modèles mathématiques permettant d'inférer le mode de vie de stégocéphales éteints à partir de données sur la taille corporelle et le profil de compacité. Les modèles ont été établis à l'aide de régressions logistiques incorporant une pondération phylogénétique (cette pondération attribue un poids égal à deux groupes frères, même si le nombre d'espèces ou d'individus présents dans ces deux clades est très inégal). Ces modèles ont été produits en minimisant la différence entre le mode de vie observé (chez les lissamphibiens actuels) et le mode de vie inféré par le modèle à partir de l'information sur la microstructure osseuse (paramètres
Onze paramètres (
Un de ces modèles a ensuite été utilisé pour inférer le mode de vie de quatre stégocéphales (
Le test de concentration des changements montre que la compacité observée du fémur, le paramètre
Le test de régressions multiples permutées confirme que la longueur axiale (
Deux modèles permettant d'inférer le mode de vie ont été produits par régression logistique avec pondération phylogénétique
L'application du modèle fondé sur les urodèles à quatre stégocéphales anciens donne des résultats généralement cohérents avec le mode de vie attribué à ces taxons dans la littérature
Le petit temnospondyle
L'amphibien du Permien d'Amérique du Nord,
On attribue généralement un mode de vie terrestre au petit parareptile
L'augmentation de compacité du fémur des lissamphibiens aquatiques confirme les résultats de nombreuses études précédentes sur divers groupes de stégocéphales
Les résultats obtenus sur le fémur des lissamphibiens laissent présager la grande utilité des données microanatomiques pour reconstituer l'histoire de la conquête de l'environnement terrestre par les vertébrés. En plus des quatre stégocéphales anciens discutés ci-dessus, le mode de vie du grand temnospondyle du Trias marocain
La petite taille corporelle de la plupart des lissamphibiens rend les modèles que nous avons développés inutilisables pour déterminer le mode de vie de nombreux stégocéphales anciens, qui étaient de taille souvent nettement plus grande. En effet, la taille des individus est une riable ayant une grande importance pour l'inférence de l'habitat des individus. Pour pouvoir reconstituer l'histoire de la conquête de l'environnement terrestre par les vertébrés, il faut donc étudier la relation entre microstructure osseuse et mode de vie chez des taxons de plus grande taille corporelle, comme les amniotes
Un doute subsiste quant à la validité de l'application d'un modèle fondé sur les urodèles pour inférer le mode de vie de stégocéphales qui se situent à l'extérieur de ce clade (
Nous remercions Sabine Renous (MNHN) et Armand de Ricqlès (Collège de France) pour nous avoir invités à présenter ce travail dans le cadre du congrès
Sections transversales diaphysaires d'os longs de tétrapodes actuels aquatiques (
Fig. 1. Diaphyseal cross-sections of long bones of extant aquatic (
Modèle mathématique du profil de compacité. Les quatre paramètres sont illustrés. Un tel profil, avec un
Fig. 2. Mathematical model of the compactness profile. The four parameters are shown. The profile shown, with a positive
Modalité d'échantillonnage de la compacité sur une section utilisée par Bone Profiler. La compacité est évaluée sur 60 secteurs de 6° chacun (S 1–60); seuls quelques-uns sont identifiés ici), subdivisés en 51 zones (les zones 1–7, près du centre de croissance, n'ont pas été dessinées, faute d'espace). Les 3060 valeurs de compacité résultantes sont ensuite utilisées pour établir 60 profils de compacité qui interviennent dans le calcul du profil global de la section. Adapté de Laurin et al.
Fig. 3. Sampling method used by Bone Profiler. The compactness is evaluated in 60 sectors measuring 6° each (1 1–60; only a few are identified), each of which is subdivided into 51 zones (zones 1–7, near the centre, were not drawn). The resulting 3060 compactness values are used to calculate 60 compactness profiles that are used to produce the global compactness profile of the section. Reproduced from Laurin et al.
Phylogénie des lissamphibiens inclus dans l'analyse. Les chiffres situés à la base des branches indiquent l'âge minimum des divergences. L'évolution du mode de vie et celle du produit de la compacité osseuse et de la longueur axiale sont tracées sur l'arbre afin de montrer la corrélation entre les deux. Les branches grisées représentent des taxons aquatiques ; les branches noires représentent des taxons amphibies ou terrestres. Les temps géologiques et âges de divergence sont exprimés en millions d'années avant le présent. Légende : CL, augmentation du produit de la compacité fémorale et du logarithme naturel (ln) de la longueur axiale (cm) au-dessus de 1.8 ; Aq, acquisition d'un mode de vie aquatique. Aucune différence n'est faite entre les taxons amphibies et terrestres, car les différences entre ces deux catégories écologiques ne sont pas statistiquement significatives. Adapté de Laurin et al.
Fig. 4. Phylogeny of the lissamphibians included in this analysis. The numbers near the base of the branches indicate the minimal age of divergence. The evolution of lifestyle and that of the product of femoral compactness and axial length are optimized to show their correlation. Grey branches represent aquatic taxa; black branches represent amphibious or terrestrial taxa. The geological ages and divergence times are expressed in million years before present. Legend: CL, increase in the product of femoral compactness and logarithm (ln) of axial length (cm) to a value greater than 1.8; Aq, acquisition of an aquatic lifestyle. No difference is drawn between amphibious and terrestrial taxa because the differences between these two ecological categories are not statistically significant. Redrawn from Laurin et al.
Exemple montrant comment les matrices de distances phénotypiques et phylogénétiques nécessaires au test de régressions multiples permutées peuvent être calculées. Dans cet exemple, un seul caractère phénotypique est illustré, ainsi que la phylogénie. Les matrices de distances correspondantes sont données (en bas). Notez que comme ces matrices sont symétriques et que la distance entre un taxon et lui-même est toujours nulle, seule une moitié de la matrice (ici, la supérieure) sans la diagonale doit être codée.
Fig. 5. Example showing how to compute the phenotypic and phylogenetic distance matrices required to perform permuted multiple linear regressions. In this example, a single phenotypic character and the phylogeny are shown. The corresponding distance matrices are given below. Note that since these matrices are symmetrical, and that the distance between a taxon and itself is always 0, only half of the matrix (here, the upper one) without the diagonal needs to be coded.
Phylogénie de quatre stégocéphales anciens, dont le mode de vie a été inféré à l'aide du modèle logistique
Fig. 6. Phylogeny showing the four early stegocephalians whose lifestyle has been inferred using a logistic model