Phylogenetic pattern and functional morphology of the musculo-skeletal architecture of the shoulder girdle in frogs (Lissamphibia: Anura)

• Applicant: Professor Dr. Alexander Haas
• Subject Area: Systematics and Morphology (Zoology)
• Term: from 2017 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 387723284

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Die muskulo-skelettale Architektur des Brust-Schultergürtels der Froschlurche (Anura) ist erstaunlich divers. Unterschiedliche Muskelanordnungen werden auf unterschiedliche ausgeformten skelettalen Elementen verankert. Das Projekt untersuchte, welche Zusammenhänge es zwischen dieser anatomischen Vielfalt, der Stammesgeschichte (Phylogenie) und den Lebensweisen, in Form von Kategorien der Fortbewegungsmodi, geben könnte. Um die Fragen anzugehen wurden Arten aus 31 der 52 derzeit unterschiedenen Froschfamilien im Projekt untersucht. Ihre Brust-Schultergürtel wurden aufwendig mittels micro-Computertomographie (µCT) rekonstruiert und nach Methoden der geometrischen Morphometrie mit Hilfe von gesetzten Landmarken virtuell dreidimensional vermessen. Hierzu wurden aufwendige Voruntersuchung angestellt, um zu klären, ob Messfehler eine Gefahr für die Analysen und Schlussfolgerungen darstellen konnten. In Messreihen wurde die Genauigkeit von 3D-Landmarkensetzungen untersucht und geprüft, in wie weit der Schritt vom Volumendatensatz (µCT) zur messbaren Oberfläche zur Varianz beiträgt und standardisiert werden muss. Es konnten hier Erkenntnisse gewonnen und Empfehlungen formuliert werden, die bei ähnlichen Studien zur 3D-geometrischen Morphometrie von CT Daten zur Verminderung von Varianz genutzt werden können. Die nach standardisierten Aufbereitungsschritten charakterisierten und vergleichbar gemachten Formen des Brust-Schultergürtels wurden statistisch ausgewertet und in einer Suche nach Mustern mit der existierenden Stammbaumhypothese sowie den Fortbewegungsweisen der Froschlurche abgeglichen. Besonders deutlich unterschieden sich grabende von nicht-grabenden Arten in Bau und Form des Schultergürtels. Diese Unterschiede waren auch bei nahe verwandten Arten feststellbar. Grabende Arten zeigen die Tendenz das Drehmoment der Kraftwirkung durch Hebelarme zu erhöhen, die die Kraftwirkung begünstigen. Andere Fortbewegungsweisen (hüpfen, springen, schreiten, schwimmen) waren oft mit unterschiedlichen Schultergürtel-Ausformungen realisiert. Das heißt, eine gewissen Bandbreite von strukturellen Lösungen kann geeignet sein, eine bestimmte Funktion (z. B. hüpfenden Fortbewegung) zu leisten. Eine Funktion bedingt nicht zwingend nur eine strukturelle Lösung. Dennoch zeigen verwandte Arten oft auch Ähnlichkeit in skelettalen Merkmalen, wie zum Beispiel in der Form des Schulterblatts (Scapula)—ein Effekt gemeinsamer Abstammung. Die hier untersuchten Fortbewegungsmodi sind nur ein Teil des Funktionsspektrums des Brust-Schultergürtels der Froschlurche. Andere Funktionen (Fortpflanzung, Nahrungsaufnahmen) könnten zur beobachten strukturellen Vielfalt beitragen.

Publications

• (2018) A simple setup for episcopic microtomy and a digital image processing workflow to acquire high-quality volume data and 3D surface models of small vertebrates. Zoomorphology 137, 213–228
  Engelkes, Karolin; Friedrich, Frank; Hammel, Jörg U. & Haas, Alexander
  
• (2019) Measurement error in μ CT‐based three‐dimensional geometric morphometrics introduced by surface generation and landmark data acquisition. Journal of Anatomy 71, 5–22
  Engelkes, Karolin; Helfsgott, Jennice; Hammel, Jörg U.; Büsse, Sebastian; Kleinteich, Thomas; Beerlink, André; Gorb, Stanislav N. & Haas, Alexander
  
• (2020) Ecomorphology of the pectoral girdle in anurans (Amphibia, Anura): Shape diversity and biomechanical considerations. Ecology and Evolution 10, 11467–11487
  Engelkes, Karolin; Kath, Lena; Kleinteich, Thomas; Hammel, Jörg U.; Beerlink, André & Haas, Alexander
  
• (2021) Accuracy of bone segmentation and surface generation strategies analyzed by using synthetic CT volumes. Journal of Anatomy 238, 1456–1471
  Engelkes, Karolin
  
• (2021) Anomalies in the vertebral column and ilio-sacral articulation of some anuran amphibians. Salamandra 57, 53–64
  Haas, A., Schwippert, S., Büsse, S., Kleinteich, T., Beerlink, A., Hammel, J.U., Köhnk, S. & Engelkes, S.G.K.
  
• (2021) Ontogenetic development of the shoulder joint muscles in frogs (Amphibia: Anura) assessed by digital dissection with implications for interspecific muscle homologies and nomenclature. Zoomorphology, 1–24
  Engelkes, Karolin; Panpeng, Supak & Haas, Alexander