Reconstructing life history traits from bone histology in extant and fossil ruminants

Abstract

El estudio de las life histories es de vital importancia porque proporciona evidencias sobre las condiciones ecológicas, biodiversidad, demografía, vulnerabilidad y otros muchos aspectos de la biología de las especies. La histología ósea es utilizada como herramienta para reconstruir las life histories de vertebrados, analizando el tejido óseo primario o contando el número de marcas de crecimiento (esqueletocronología). Sin embargo, se ha considerado que los endotermos, al contrario que en ectotermos, muestran un crecimiento óseo no cíclico, invalidando la histología ósea para inferir las life histories de mamíferos. El objetivo general de esta tesis es proporcionar las bases de la histología ósea en mamíferos para inferir estrategias de life history. Los objetivos concretos son: i) analizar la fiabilidad de la esqueletocronología ósea en mamíferos, ii) explorar la asociación entre las características del tejido óseo y el ambiente, fisiología, ontogenia y life history y, iii) reconstruir las características de life history en mamíferos fósiles y actuales para obtener datos sobre la evolución de las life histories y biología de la conservación. Se han analizado 274 láminas transversales de hueso de 225 individuos pertenecientes a lirones actuales (Gliridae) y rumiantes actuales y fósiles (Bovidae, Cervidae, Moschidae y Tragulidae). Se han llevado a cabo tanto análisis cualitativos como cuantitativos. Los análisis cualitativos el tejido óseo primario muestran que, en los estadios tempranos de la ontogenia, los rumiantes forman un tejido fibrolamellar (FLC), mientras que los lirones depositan generalmente un tejido parallel fibered bone (PFB). Cuando son adultos, tanto lirones como rumiantes depositan un hueso lamelar denso (External Fundamental System, EFS). Los resultados también muestran que los Lines of Arrested Growth (LAGs) están presentes de forma universal en los mamíferos analizados. Los LAGs están presentes tanto en el tejido de formación rápido (FLC) así como el tejido de formación lento (EFS). El número de líneas de crecimiento en el hueso concuerda con la edad de los animales, proporcionando la evidencia de la periodicidad anual de los LAGs en estos mamíferos. El fémur es el hueso más conservador para aplicar la esqueletocronología ya que registra el mayor número de LAGs. La remodelación y reabsorción ósea puede eliminar o enmascarar los primeros LAGs depositados durante la ontogenia. Esta investigación muestra que el crecimiento óseo se detiene durante el periodo adverso (pocos recursos), acoplado con la variación fisiológica estacional. Estos resultados apoyan que la parada de crecimiento forma parte de una estrategia termometabólica de conservación energética. Además, este trabajo muestra que las características vasculares y celulares del tejido óseo primario sufre una importante variación ontogenética asociada al descenso de la tasa de crecimiento al acercarse la madurez. La densidad vascular y celular decrece mientras que la proporción de canales longitudinales en relación a los circulares incrementa a lo largo de la ontogenia hasta alcanzar la madurez, lo cual podría estar relacionado con la madurez fisiológica. El cambio más significativo durante la ontogenia ocurre durante la transición entre el FLC o PFB a EFS, lo cual está relacionado con la madurez reproductiva. Este trabajo evidencia que esta transición registra el trade-off entre crecimiento y reproducción en rumiantes. De acuerdo con estos hallazgos, la edad de madurez reproductiva puede determinarse contando el número de ciclos de crecimiento antes del EFS. Los resultados comparando las características histológicas cuantitativas entre bóvidos sugiere que los parámetros vasculares y celulares están relacionados con la masa corporal y el metabolismo. De esta forma, el hueso FLC de grandes bóvidos tiende a mostrar más canales circulares (lo cual estaría reflejando mayores tasas de deposición de hueso perióstico) y menores densidades celulares (lo cual estaría reflejando una menor tasa metabólica específica de masa) que los pequeños.

Bone histology is a widely used tool to reconstruct vertebrate life histories, either by analysing primary bone tissue or by counting the number of growth marks (skeletochronology). However, it has long been considered that endotherms, unlike ectotherms, display a continuous or noncyclical bone growth, disabling bone histology for life history inferences in mammals. The general purpose of the research presented in this PhD Thesis is to challenge this statement, contributing to the foundations of mammalian bone histology as a tool for inferences on life history strategies. A sample of 274 bone cross-sections from 225 individuals belonging to extant dormice (Gliridae) and extant and fossil ruminants (Bovidae, Cervidae, Moschidae and Tragulidae) have been analysed under polarized and transmitted light microscopy. The results show that Lines of Arrested Growth (LAGs) are universally present in both mammalian groups analysed in this work. These growth marks are present throughout both, the fast-growing bone tissue deposited during growing period (fibrolamellar bone, FLC or parallel fibered bone, PFB) as well as the slow-growing dense lamellar tissue deposited during the adulthood (External Fundamental System, EFS). The number of rest lines in cortical bones fits well with chronological age of the animals, providing evidence of the annual periodicity of bone growth marks in these mammals. The femur is clearly the most reliable bone for skeletochronology analyses because it records the greatest number of LAGs. Despite this, bone remodelling and resorption can potentially delete or obscure the earliest ontogenetic record, especially in large ruminants. This research further indicates that bone growth is arrested during the energetically challenging period (low resource supply), coupled with physiological seasonal variation. These findings provide support that growth arrest forms part of a thermometabolic strategy for energy conservation. Moreover, this work shows that vascular and cellular features of primary bone tissue undergo strong ontogenetic variation associated with a decrease on growth rate as maturity approaches in mammals. Specifically, vascular and cellular densities decrease whereas the proportion of longitudinal canals in relation to circular ones increases throughout ontogeny until reach maturity, which may be related to physiological maturity. However, the most significant change along ontogeny occurs during the transition between the main primary tissues, from FLC/PFB to EFS, which is related to reproductive maturity. This work provides evidence that this transition reliable records the trade-off between growth and reproduction in ruminants. According to these findings, the age at reproductive maturity can be determined by counting the number of growth cycles within the fast growing tissue before the EFS. The result of comparing histological quantitative features between bovids suggests that vascular and cellular parameters are related to body mass and metabolism rather than to extrinsic factors, such as climate. Accordingly, the FLC bone of larger bovids tends to show more circular canals canals (which may reflect higher rates of periosteal bone deposition) and lower cellular densities (which may reflect lower mass-specific metabolic rate according to Kleiber’s law) than the smaller ones. Finally, the findings on fossil species provide evidence that bone histology is a valuable tool to explore evolutionary trends in mammalian life histories. Moreover, the results of bone histology to get some life history traits in endangered mammals highlight its usefulness on the field of conservation biology. To conclude, the findings of this work provide evidence that, in mammals, bone growth is mainly regulated by endogenous rates and synchronized with seasonal resource availability. The evidence of cyclical bone growth debunks the classical assumption that homeothermic endotherms grow continuously until they attain maturity, providing a clear support to the usefulness of bone histology to reconstruct life history traits in extinct and extant mammals.