Age and species related variation in the development of growth plates of the knee and implications for the locomotion of Australopithecus afarensis

Abstract

Comprendre l'évolution de la bipédie est un élément essentiel à la recherche en paléoanthropologie, car ce comportement est le trait le plus important utilisé pour identifier les fossiles comme appartenant à la lignée des hominines. La topographie de la surface infradiaphysaire du fémur et du tibia pourrait donner un aperçu du comportement locomoteur des espèces fossiles, mais n'a pas été étudiée de façon approfondie. Ce trait reflète directement les différences dans la locomotion, puisque la surface change de topographie pour mieux résister aux charges encourues par les mouvements réguliers. Le plan infradiaphysaire du fémur chez les humain est relativement plat, tandis que la surface est plus irrégulière chez les grands singes.

Dans ce projet, les métaphyses du genou ont été étudiées d’une manière quantifiée afin de percevoir les différences entre espèces et mieux comprendre le développement ontogénique de ces traits. Les angles formés par les protrusions et les creux de ces surfaces ont été mesurés à partir de points de repère enregistrés en trois-dimensions sur les métaphyses du genou chez les humains, chimpanzés, gorilles, et orangs-outans, et chez trois fossiles Australopithecus afarensis, afin d’observer de l’effet de facteurs tel le stade de croissance et l’appartenance à une espèce sur la topographie des plaques de croissance du genou. Les angles d’obliquité du fémur et du tibia ont aussi été mesurés et analysés. Les résultats ont révélé que le stade développemental et l’appartenance à une espèce et, par association, le mode de locomotion, ont un effet significatif sur les métaphyses du genou. Il a également été constaté que les mesures d'Australopithecus afarensis chevauchent les valeurs trouvées chez les humains et chez les grands singes, ce qui suggère que cette espèce avait possiblement conservé une composante arboricole dans son comportement locomoteur habituel.

Understanding the evolution of bipedality is a critical part of research in paleoanthropology, as it is the single-most important trait used to identify fossils as belonging to the hominin lineage. The topography of the infradiaphyseal plane could provide insight into the locomotor behaviour of fossil species, but has not been studied extensively. This trait directly reflects differences in locomotion, as the surface changes to resist loads incurred by regular movement. Humans have an infradiaphyseal plane that is relatively flat, while this feature is very convoluted in great apes.

This project studied this feature in the femur and tibia quantifiably to allow for statistical comparisons between species and to provide a better understanding of its ontogenic development. Three-dimensional landmarks were recorded from the metaphyses of the knee in humans, chimpanzees, gorillas, orang-utans, and three Australopithecus afarensis fossils. Using these landmarks, angles formed by the salient points of these planes were analyzed to confirm observations that development and species have a significant effect on the topography of growth plates of the knee. Carrying angles of the femur and tibia were also measured and analyzed. Results revealed that development and species, and by extension, mode of locomotion, have a significant effect on the overall metaphyses of the knee, especially on the sagittal plane. It was also found that A. afarensis have values that overlap human and great ape ranges, suggesting this species had probably retained an arboreal component in its regular locomotion.