Modafferi, Maria (2023) Morfologie cerebrali e socialità nei grandi mammiferi. [Tesi di dottorato]

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Abstract

La presente tesi si occupa dello studio sui rapporti che intercorrono tra morfologia cerebrale e socialità nei mammiferi di grossa taglia, viventi ed estinti, con una particolare attenzione all’Ordine Carnivora. L’obbiettivo è verificare quanto propinato dalla SBH (The social brain hypothesis, Dunbar, 1998). Per l’antropologo inglese, un ruolo sostanziale nell’evoluzione della morfologia cerebrale e nello sviluppo della neocorteccia negli animali, uomo compreso, è fornito dalla socialità e non tanto dalla sola ecologia. Dunque, l’approccio alla problematica di ricerca presentata si è sostanzialmente articolato in due fasi distinte: raccolta dei dati ed il loro processamento. Per la raccolta dei dati, ho messo a punto un database con 643 mesh 3D di crani appartenenti a diversi gruppi tassonomici, sia viventi che estinti, avendo cura di selezionare un maschio ed una femmina qualora possibile. La scelta di campioni di entrambi i sessi è stata fondamentale per motivi legati al dimorfismo sessuale. Le banche dati a cui ho attinto per il reperimento delle superfici 3D sono state: Digimorph, KUPRI, Morphosource, Phenome10K, Sketchfab. Tali oggetti, messi a disposizione da enti pubblici e/o privati, sono usufruibili a scopi scientifici in modo gratuito e open source. Per effettuare analisi successive, le mesh 3D dovevano essere tutte necessariamente in formato .ply. Perciò, ho dovuto talvolta estrarre le superfici a partire direttamente dalle CT-scan, utilizzando i seguenti software: Amira (version 5.4.5, Visualization Sciences Group, © 20132) e Mimics research 21.0. Amira visualizza, analizza e modella i dati tridimensionali, rappresentati come volumi di immagini o superfici geometriche (di forma triangolare o poliedrica). Mimics invece si serve delle DICOM (Digital Imaging and COmmunications in Medicine), che permettono la comunicazione,visualizzazione, archiviazione e stampa di informazioni di tipo biomedico, quali ad esempio immagini radiologiche. Sono state quindi applicate tecniche di morfometria geometrica (GMM) e metodi filogenetici comparativi (PCMs) sui dati di input al fine di realizzare studi destinati a riviste impattate. Si è rivelato necessario il software RStudio, e soprattutto i pacchetti Arothron (Profico et al., 2021) ed RRphylo (Castiglione et al., 2018). Del primo, la funzione che più ho utilizzato è stata endomaker (Profico et al., 2020) che permette l’estrazione di endocast, ovvero calchi delle cavità cerebrali, a partire da superfici 3D (in formato .ply, .obj, .stl) ed il calcolo dei volumi cerebrali (ECV). La funzione si basa sull’algoritmo AST-3D (automatic segmentation tool for 3D object, Profico et al., 2018) che, grazie ad una nuova implementazione (Profico et al., 2020) è in grado di riconoscere automaticamente la cavità endocranica, posizionare i POVs (point of views) in completa autonomia senza intervento dell’utente. RRphylo (Castiglione et al., 2018) rientra nei metodi filogenetici comparativi (PCMs). Si sviluppa sulla phylogenetic ridge regression (Kratsch & Mchardy 2014; Gubry-Rangin et al. 2015) che, lavorando sulle filogenesi, consente di stimare i tassi di variazione fenotipica lungo i rami degli alberi filogenetici sia per specie viventi che per i fossili. L’evoluzione del tratto è descritta attraverso un'equazione che considera i seguenti elementi: β = coefficiente di regressione del branch (ramo) dell’albero considerato nel percorso dal root (radice) al tip (parte finale). l = lunghezza del branch. La presente tesi è articolata in sei capitoli, di cui uno introduttivo. L’introduzione si occupa, in una prima parte, di una rapida panoramica su paleontologia virtuale e morfometria geometrica con annessi vantaggi e tecniche di acquisizione, seguita da un excursus sull'evoluzione dell'Ordine Carnivora. La fine della parte introduttiva riprende nuovamente i materiali e metodi utilizzati al fine dell’elaborazione dei dati campionati, per poi discutere sugli scopi di ricerca perseguiti durante il triennio. I rimanenti capitoli della tesi sono incentrati ciascuno su un articolo pubblicato su riviste impattate. Il primo articolo, in via di definizione, analizza la variazione fenotipica nel cranio e negli endocast dei mammiferi carnivori. Il secondo lavoro: “One among many: the enigmatic case of the Miocene mammal, Kolponomos newportensis” (Modafferi et al., 2022) riguarda lo studio sulla presenza di convergenza evolutiva tra un enigmatico mammifero del Miocene, Kolponomos newportensis, e diverse specie di sabre-tooth: Barbourofelis fricki, Homotherium serum, Hoplophoneus primaevus, Smilodon fatalis e Smilodon californicus. Tale studio mira a verificare l’ipotesi secondo cui le tecniche di caccia di queste specie filogeneticamente lontane presentassero in realtà palesi elementi di convergenza. Il focus del terzo lavoro: “Human face-off: a new method for mapping evolutionary rates on three-dimensional digital models” (Castiglione et al., 2022) riguarda lo studio dell’evoluzione dello splancnocranio negli Hominoidea. Per farlo, sono stati condotti studi di morfometria geometrica e filogenetici. In particolare, è stata proposta una nuova implementazione del pacchetto RRphylo (Castiglione et al., 2018): rate.map, che stima i tassi evolutivi del cambiamento dei fenotipi per ogni ramo dell’albero filogenetico considerato. Parimenti al terzo lavoro, anche per il quarto; “A method for mapping morphological convergenze on three-dimensional digital models: the case of the mammalian sabre-tooth” (Melchionna et al., 2021) la morfometria geometrica e l’utilizzo di un’altra implementazione, conv.map, presente nel pacchetto RRphylo (Castiglione et al., 2018) ne hanno costituito l’ossatura. A differenza però di rate.map, quest’ultimo rileva la presenza di pattern di convergenza evolutiva tra specie diverse filogeneticamente; pertanto, ci ha permesso capire che la convergenza evolutiva nelle diverse specie di sabre-tooth sia particolarmente evidente nella parte posteriore del cranio. Tale carattere si è rivelato strategico ai fini dell’uccisione di prede di taglia medio-grande. Nel quinto ed ultimo articolo: “A major change in rate of climate niche envelope evolution during hominid history”, (Mondanaro et al., 2020) applicando dati paleoclimatici, filogenetici ed archeologici si è focalizzato su come Homo sapiens sia stata l’unica specie ad essere in grado di adattarsi ad ogni ambiente e clima sulla Terra. Dai risultati ottenuti si è evinto che in realtà questa sua capacità è dovuta non tanto a pura filogenesi, quanto all’innovazione tecnologica.

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