11 aprile 2021

Possiamo predire "matematicamente" la presenza delle labbra nei fossili?

Due ricostruzioni alternative della bocca di Tyrannosaurus. A sinistra, versione con labbra (opera di M. Witton), a destra, versione senza labbra (opera di A. Palmer). Esiste un criterio matematico per decidere quale delle due opzioni sia più valida? Forse, sì... [immagine presa da YouTube]

Nel precedente post, ho discusso un metodo alternativo per categorizzare i crani fossili in base a caratteristiche della loro superficie esterna, caratteristiche che nelle specie attuali sono associate a differenti tipi di tessuto molle e tegumentario della regione orale.

L'analisi concludeva che le specie estinte considerate (dinosauri) non siano riconducibili in modo netto ai modelli viventi oggi, ma che esse si distribuiscano lungo regioni intermedie tra le condizioni che osserviamo negli uccelli, nei coccodrilli e nei lepidosauri.

Ho espanso il campione dell'analisi, includendo alcuni mammiferi moderni, compreso il delfino fluviale Platanista, che si distingue dai mammiferi di terraferma per avere una condizione inusuale, in cui le labbra della parte anteriore del muso sono ridotte e la dentatura è esposta permanentemente (ringrazio Ivan Iofrida per avermi suggerito di includere quel cetaceo). 

L'analisi ha dato risultati molto interessanti: nel grafico basato sulle componenti principali calcolate dalle distanze euclidee dei parametri morfologici, i mammiferi terrestri si collocano difatti nella medesima regione dei lepidosauri, mentre Platanista si dispone in una zona intermedia prossima a uccelli e tartarughe terrestri. Inoltre, è interessante constatare che anche la tartaruga acquatica Apalone, che è dotata di labbra carnose, si collochi nella zona dei lepidosauri e dei mammiferi. Questo risultato mi ha molto colpito, perché sia i mammiferi terrestri che i lepidosauri sono dotati di labbra (sebbene non omologhe), mentre uccelli, tartarughe terrestri e coccodrilli ne sono privi. Pertanto, la distribuzione delle specie (che, ripeto, è stata ricavata unicamente dalla loro reciproca somiglianza in base a caratteristiche delle ossa, senza tenere in considerazione la parti molli) collima fedelmente con la presenza di labbra nelle medesime specie: le specie con labbra (indipendentemente dalla omologia dei tessuti che le formano) si raggruppano assieme nella medesima zona, mentre quelle senza labbra si raggruppano assieme in un'altra zona del grafico.

Ho quindi "chiesto" al programma di suddividere le specie risultate in due categorie (usando la funzione K-means tra quelle di clustering, con K = 2 categorie), in base alla loro distanza euclidea reciproca calcolata dalla matrice delle caratteristiche osteologiche usate per l'analisi.

L'analisi di clustering raggruppa le specie viventi in due gruppi che sono perfettamente corrispondenti con la presenza/assenza delle labbra: mammiferi terrestri, lepidosauri e Apalone formano un gruppo, mentre uccelli, tartarughe terrestri, coccodrilli e Platanista formano un altro gruppo. Ovvero: il programma è in grado di discriminare le specie con labbra da quelle senza labbra!

Ho quindi allargato ulteriormente il campione di dinosauri analizzati, includendo un ornitischio basale (Heterodontosaurus) e due sauropodomorfi triassici (Eoraptor e Plateosaurus), e ho ripetuto l'analisi, chiedendo al programma di classificare le specie incluse ancora in base a due categorie.

Le specie viventi sono confermate essere distinguibili in due categorie legate alla presenza/assenza di labbra:

Puffin : Lips absent

Condor : Lips absent

Albatros : Lips absent

Cassowary : Lips absent

Varanus : Lips present

Iguana : Lips present

Sphenodon : Lips present

Tegu : Lips present

Crocodylus : Lips absent

Gavialis: Lips absent

Soft shelled turtle : Lips present

African spurred tortoise : Lips absent

Equus : Lips present

Panthera : Lips present

Hippopotamus : Lips present

Platanista : Lips absent


Ripeto, il programma predice perfettamente la presenza delle labbra nelle specie viventi:

Tutte le specie con labbra sono collocate nel gruppo 1, nessuna nel gruppo 2.

Tutte le specie senza labbra sono collocate nel gruppo 2, nessuna nel gruppo 1.

 Pertanto, non c'è motivo per dubitare che l'analisi non sia in grado di fare altrettanto per le specie fossili.

Ecco quindi cosa predice il medesimo programma in merito alla presenza di labbra nei dinosauri fossili:

Dromaeosaurid : Lips absent

Tyrannosaurid : Lips absent

Spinosaurid : Lips absent

Abelisaurid : Lips absent

Therizinosaurid : Lips present

Ceratopsid : Lips present

Iguanodontid : Lips present

Heterodontosaurus : Lips present

Diplodocid : Lips absent

Plateosaurus : Lips present

Eoraptor : Lips present


Ovviamente, il metodo che ho qui sviluppato (almeno nella sua forma attuale) non è in grado di prevedere se le labbra saranno di tipo lacertiliano o mammaliano, né se l'assenza di labbra implichi un muso da uccello piuttosto che un muso da coccodrillo (ma questo si può in parte dedurre dalla posizione delle specie nel grafico basato sull'analisi delle componenti principali), ma perlomeno mostra che è possibile distinguere le specie con labbra da quelle senza labbra usando un approccio matematico che calcola il grado di somiglianza generale nei pattern di distribuzione delle caratteristiche esteriori delle ossa.

Forse a qualcuno questo metodo non piacerà... ma funziona.

10 commenti:

  1. a me il metodo sembra molto bello oltre che utile, mi domando se abbia dei punti deboli in relazione alle specie fossili. mi spiego: è possibile che ci siano delle caratteristiche biologiche ignote e non prevedibili che rendano meno affidabile il modello? si tratta di animali che non hanno equivalenti moderni, potrebbero esserci delle variabili (magari fisiologiche) non prevedibili sulla base della testimonianza fossile?
    Emiliano

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    1. L'analisi si basa su elementi visibili nei fossili per dedurre qualcosa che è legata a quegli elementi visibili. La realtà è più complessa, ma lo scopo del modello è di spiegarla semplificandola in modo a noi utile. Ovvero, il modello è - come tutti i modelli - una descrizione parziale del sistema ma che usa elementi a noi utili per dedurre qualcosa. Se esistono "caratteristiche biologiche ignote" non possiamo saperlo, per definizione... e quindi non possono essere analizzate dal modello. Quindi, non ha senso domandarsi come incidano sul modello. Nella Scienza si analizza ciò che è noto, non ciò che non può essere determinato.

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    2. si certo, grazie, molto logico in effetti - il punto è non confondere i modelli con la realtà, credo.
      Emiliano

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  2. Interesting, the dinosaurs with "lips" weighs heavily in Ornithischia. In particular, animals that presumably did a lot of chewing. "Lips" instead of cheeks?

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  3. Il fatto che animali dotati di apparati boccali atti alla masticazione e “generalmente” considerati come provvisti di guance carnose risultino (in questo modello)provvisti di labbra potrebbe dare ulteriore robustezza al modello stesso?

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  4. Come mai hai divulgato questa tua ricerca sul blog? Non temi che altri scienziati la possano usare per firmare un articolo scientifico senza coinvolgerti?
    Diego Fondacaro

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    1. Perché non è una mia ricerca ma solo una suggestione, che va bene per il blog. Non è qualcosa per cui - almeno per ora - vale la pena spendere energie per un articolo. Ho lavori ben più importanti in cantiere, quindi non mi dedicherei comunque per tradurlo in un articolo. Intanto, qui c'è la prova che ho avuto questa idea.
      Se qualcuno ne ricaverà un articolo, perlomeno qui c'è la prova che l'idea iniziale è stata mia.

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  5. So, it is possible that most Therapods had beaks after all? My point is that the weakness of the model is it assumes that the absence or presence of fleshy lips is the only variable, when this is just not the case. The difference between the skin covered lips of a Crocodilian are very different from the horny sheath of a Avian Dinosaur. The same goes for Mammalian elastic lips versus largely immobile Squamate lips.

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    1. The model DOES NOT assume absence/presence of lips as a variable, that's an interpretation of the result. The variables are skull bone features and not soft tissue or lips.
      So, do you suggest an alternative explanation of the results? If so, it is welcome.

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  6. Molto interessante il fatto che le labbra siano presenti nei saurischi più primitivi, come eoraptor e plateosaurus e negli ornitischi analizzati. Questo potrebbe implicare che le labbra fossero la condizione di partenza, persa poi in diversi teropodi. Ci sono ipotesi sul perché questo possa essere successo?

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