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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.41.2010.tde-02022011-154408
Document
Author
Full name
Harley Sebastião da Silva
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2010
Supervisor
Committee
Zambonato, Gabriel Henrique Marroig (President)
Machado, Glauco
Moraes, Diego Astúa de
Prado, Paulo Inácio de Knegt López de
Silva, Rui Cerqueira
Title in Portuguese
Evolução morfológica de marsupiais (Didelphimorphia, Didelphidae) do Novo Mundo
Keywords in Portuguese
Crânios
Evolução
Genética quantitativa
Integração morfológica
Matriz de covariância
Morfometria
Abstract in Portuguese
Dentro da biologia evolutiva, uma das questões centrais é a compreensão de como os processos evolutivos, em particular a seleção e o acaso (deriva genética) moldaram a diversidade obervada nos organismos. Dentro deste contexto, a utilização de abordagens como a integração morfológica e a genética quantitativa nos fornecem poderosas ferramentas. Enquanto a primeira descreve os padrões de relação entre caracteres e testa hipóteses sobre as relações de desenvolvimento e/ou funções subjacentes, a segunda possui ferramentas para investigar as forças que podem ter gerado os fenótipos atuais. Utilizando como modelo de estudo os gêneros de marsupiais da Ordem Didelphimorphia, analisei a evolução morfológica craniana unindo estas duas linhas de pesquisa. Central a genética quantitativa está a matriz de covariância genética (G) que descreve a porção da variância que é efetivamente herdada (no sentido de transmissão de valor entre gerações) e conseqüentemente serve como substrato à seleção. Apesar de ter sido desenvolvida inicialmente para estudos em escala microevolutiva, o arsenal matemático da genética quantitativa pode ser estendida a escalas macroevolutivas caso a matriz G permaneça relativamente estável. Entretanto, como a estimativa de uma matriz G requer um número grande de espécimes aparentados e com genealogia conhecida, utilizei ao longo deste trabalho sua correspondente fenotípica (P). Desta forma, no primeiro capítulo demonstrei a similaridade das matrizes de covariância e correlação P dos marsupiais Didelphimorphia. Em contrapartida, as magnitudes de integração morfológica, que medem o grau de associação entre os caracteres, se mostraram mais variáveis dentro do grupo. A história evolutiva (filogenia) e as distâncias morfológicas entre os gêneros não parecem ter tido influência sobre os padrões nem as magnitudes, já que não se correlacionaram significativamente a eles. No segundo capítulo, estendi estas análises para os gêneros ao longo do seu desenvolvimento e novamente os padrões se mostraram semelhantes, tanto quando comparei a ontogenia de um único gênero, quando analisei diferentes gêneros para diferentes classes etárias. Em contrapartida, as magnitudes de integração se mostraram mais variáveis, com uma tendência a diminuírem com o aumento da idade. Por conta destes resultados, comparei as matrizes de correlação empíricas com matrizes teóricas que expressam hipóteses de modularidade baseadas no desenvolvimento/função compartilhada pelas regiões do crânio. Testei para similaridade das duas regiões principais (face e neurocrânio), cinco sub-regiões (base e abóboda craniana, oral, nasal e zigomático), uma matriz 198 de integração somática (caracteres neurais vs. faciais) e uma de integração total, concatenando as cinco sub-regiões. Foram encontradas somente correlações significativas para as regiões da face e suas sub-regiões nasal e oral. Apesar das variações nas magnitudes de integração observadas nestes dois primeiros capítulos, as respostas evolutivas obtidas para estes gêneros foram todas muito similares. Este resultado, associado a constatação de que grande parte da variação entre os espécimes é devida ao tamanho, ou variações de forma associadas a ele (alometria), me levaram a analisar as conseqüências evolutivas associadas a estas variações alométricas. Assim, no terceiro capítulo analisei as direções de resposta à seleção simulada antes e após a remoção do tamanho. Variações alométricas exercem forte influência sobre estes crânios tornando-os muito integrados morfologicamente, ou seja, a percepção dos módulos que os compõem é muito difícil (baixa modularidade). Isto se reflete em uma maior variação ao longo da linha de menor resistência evolutiva (que resume o eixo de maior variação disponível entre os espécimes), já que os módulos não podem responder a seleção de forma independente (alta integração morfológica). Em marsupiais, esta linha é está alinhada na direção de variações de tamanho. Desta forma, não importa em que direção a seleção esteja atuando, as respostas evolutivas serão usualmente na direção desta linha de menor resistência e conseqüentemente de tamanho. Uma vez que o tamanho é removido, as magnitudes de integração diminuem e a modularidade do crânio aumenta. Por conseguinte, ele passa a ser capaz de responder à seleção em uma gama maior de direções porque aumenta também a relativa independência destes módulos em relação aos demais. Como estes resultados indicam que variações entre os Didelphimorphia são direcionadas a variações no tamanho, devido justamente às restrições impostas pela linha de menor resistência evolutiva, analisei as trajetórias ontegenéticas de dois gêneros irmãos, Didelphis e Philander, separando os efeitos da forma e tamanho nesta diversificação. Para tanto empreguei análises de morfometria tradicional, morfométrica e análises de coeficientes alométricos que apontaram para uma maior diferenciação no tamanho entre eles. Apesar da similaridade entre as trajetórias ontogenéticas destes dois gêneros, espécimes de Didelphis nascem maiores e crescem por mais tempo, como indicado pela sua trajetória mais longa.
Title in English
Morphologic evolution of New World marsupials (Mammalia, Didelphimorphia)
Keywords in English
Covariance matrix
Evolution
Morphologic integration
Morphometry
Quantitative genetics
Skull
Abstract in English
One of the central goals in evolutionary biology is related to how evolutionary processes, mainly natural selection and genetic drift, shaped living organisms. The combined use of Morphologial Integration and Quantitative Genetics give us powerful tools to accomplish this goal. Morphological Integration is concerned of how characters are related, as well as their underlying genetics/developmental relationship, while Quantitative Genetics have methodologies designed to explore the phenotypic forces underlying diversity among organisms. Using Didelphimorphia marsupials as a study group, I combined these two approaches to study its morphologic cranial diversification. In Quantitative Genetics, the genetic additive covariance matrix (G) resume the genetic variation underlying resemblance among relatives, which is the portion of the variance responsive to selection. Initially developed to microevolutionary scale studies, it can be extended to a macroevolutionary scale if it remains relatively similar in that time scale. However, as G matrix estimations require a huge number of related specimens with known genealogy, I used its phenotypic (P) counterpart which was more easily obtained. In the first chapter I showed high similarities among Didelphimorphia marsupials covariance and correlation P matrices. On the other hand, integration magnitudes (which measure the average correlation among traits) vary among taxa. Neither phylogeny nor morphologic distances showed any association with the similarity in patterns and magnitudes of integration. In the second chapter, I did these same analyses, but throughout genera ontogeny. Again, there was a high similarity among taxa in patterns of integration, both when I analyzed the ontogeny for each genus separately or against each other (at different age class). Morphological integration magnitudes showed the same variation obtained for adults, with a tendency to decrease at older ages. Taking these results into account, I compared the phenotypic correlation matrices to theoretical matrices, based on hypotheses of shared developmental and functional units. I searched for modularity in the two main skull regions (face and neurocranium) and five sub regions (cranium base and vault, face, nasal, and oral). I also looked for modularity concerning somatic development (Neurocranium vs. Face) and total modularity, as the 200 summation of the five sub-regions. Only Face and its sub-regions nasal and oral, showed significant correlations to the phenotypic genera matrices. Despite integration magnitude differences, all evolutionary responses produced by taxa were highly similar. These results, combined with a huge size variation (or size related variation - allometry) across taxa, lead me to search for the evolutionary consequences due to size variation. In the third chapter, I compared evolutionary response directions produce by each genera matrices before and after size removal under a random selection simulation. Allometry strongly affect these skulls, turning them into highly integrated structures with lower modularity (skull modules are not easily distinguished). Because of this, modules cannot evolve relatively independent of other modules and evolutionary responses will strongly affect the whole cranium. This is related to the variation along the lines of least evolutionary resistance. This line is the multivariate direction of greatest genetic or phenotypic variation (the combination of a suite of traits that displays the maximum within-population variance). In Didelphimorphia marsupials, this line is aligned with size variation and regardless the selection direction, evolutionary change is usually aligned to this least resistance line. The removal of size variation diminish the magnitude of integration while increases modularity. Consequently, skulls become able to respond to selection in more directions as modules become relatively more independent of each other. In the last chapter I compared size and shape differences between ontogenetic trajectories of two sister genera Didelphis and Philander. Using traditional and geometric morphometric analysis plus allometric coefficient analysis, I could show that bigger differences between them are size related. Despite similarities, ontogenetic trajectory in Didelphis is longer, leading to bigger specimens.
 
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Harley_silva.pdf (2.60 Mbytes)
Publishing Date
2011-02-08
 
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