Reconstruction of the musculoskeletal system in an extinct lion

Andrew R Cuff, Anjali Goswami, and John R. Hutchinson

Plain Language Abstract

Soft tissues seldom preserve in fossils, therefore accurately rebuilding extinct species is incredibly difficult. Here we present a method for reconstructing the muscles of the extinct North American lion, Panthera atrox using published scaling equations from dissections of modern cat species, and CT scans of a modern lion (P. leo). By using a wrapping function that surrounds the muscles and skeleton, we are able to more accurately reconstruct the limbs (in terms of masses and centres of mass) for P. atrox than any previous method, as proved by a validation test on P. leo. We are also better able to estimate the body composition of P. atrox, not just in terms of muscles and bones, but also the viscera and fat content. Finally, the method presented here could be carried out on many more extant and extinct species using the same freely available software to produce more accurate digital reconstructions.

Resumen en Español

Reconstrucción del sistema músculo-esqueletal de un león extinto

Panthera atrox, un león extinto del Pleistoceno de América del Norte, es uno de los félidos más grandes que haya existido. Reconstrucciones previas han sido dependientes de especímenes compuestos y no se conocen especímenes que preserven tejidos blandos. Aquí presentamos una reconstrucción del espécimen más completo de P. atrox descubierto al día de hoy, a partir del cual hemos calculado parámetros biológicos clave incluyendo masa corporal. Usando ecuaciones de redimensionamiento previamente publicadas, estimamos el tamaño de la musculatura de los miembros y columna vertebral. Los músculos de un león moderno fueron modificados en escala a los tamaños esperados y colocados en el esqueleto. El cuerpo y los miembros fueron reconstruidos digitalmente (usando un método de hulling convexo) a partir del esqueleto antes de que este método fuera repetido con los segmentos de miembros musculados. Nuestros resultados de la repetición de este enfoque para un león moderno muestran que las reconstrucciones de hull convexo de músculo y hueso combinadas son las más precisas para reproducir las dimensiones de los miembros, incluyendo los centros de masa, de félidos grandes. A partir de las reconstrucciones también es posible estimar la composición corporal de P. atrox, lo cual permite realizar la reconstrucción de tejidos blandos más completa de esta especie extinta, incluyendo las propiedades biomecánicas de los miembros.

Palabras clave: reconstrucción de un fósil; músculos; Felidae; Panthera atrox, redimensionamiento

Traducción: Diana Elizabeth Fernández

Résumé en Français

Reconstitution du système musculosquelettique d’un lion éteint

Panthera atrox est un lion éteint du Pléistocène d’Amérique du Nord. C’était un des plus grands félidés qui ait jamais existé. Les reconstitutions précédentes se sont toujours basées sur des spécimens composites, et aucun spécimen connu ne préserve de tissus mous. Nous présentons dans cet article une reconstitution du spécimen le plus complet de P. atrox jamais découvert, à partir duquel nous calculons des paramètres biologiques clés, notamment la masse corporelle. En utilisant les équations de mise à l’échelle précédemment publiées, nous estimons la taille de la musculature des membres et de la colonne vertébrale. Les muscles d’un lion actuel ont été mis à l’échelle aux tailles attendues et placés sur le squelette. Le corps et les membres ont été reconstitués numériquement (en utilisant une méthode d’enveloppe convexe) à partir du squelette avant que cette méthode soit répétée avec les segments des membres avec les muscles. D’après la répétition de cette approche sur un lion actuel, nos résultats montrent que les reconstitutions en enveloppe convexe des muscles et os combinés sont les plus précises pour reproduire les dimensions des membres, notamment les centres de masse, des grands félidés. Il est également possible, d’après les reconstitutions, d’estimer la composition corporelle de P. atrox, ce qui permet la reconstitution la plus complète des tissus mous de cette espèce éteinte, notamment les propriétés biomécaniques des membres.

Mots-clés : reconstitution fossile ; muscles ; Felidae ; Panthera atrox ; mise à l’échelle

Translator: Kenny J. Travouillon or Antoine Souron

Deutsche Zusammenfassung

Rekonstruktion des Bewegungsapparates eines ausgestorbenen Löwen

Panthera atrox, ein ausgestorbener Löwe aus dem Pleistozän von Nordamerika, ist einer der größten Feliden der je gelebt hat. Vorherige Rekonstruktionen beruhten immer auf zusammengesetzten Fundstücken und es gibt keine Funde mit Weichteilerhaltung. Hier präsentieren wir eine Rekonstruktion des bisher vollständigsten P. atrox Fundes, von dem wir die wichtigsten biologischen Parameter inklusive Körpermasse berechnen. Mithilfe von bereits veröffentlichten Skalierungsgleichungen kalkulierten wir die Größe der Extremitäten – und Wirbelsäulenmuskulatur. Die Muskeln eines heutigen Löwen wurden auf die angenommene Größe skaliert und auf dem Skelett platziert. Der Körper und die Extremitäten wurden vom Skelett digital rekonstruiert (mit einer konvexen Hülle Methode) bevor diese Methode mit den bemuskelten Beinsegmenten wiederholt wurde. Wir haben diesen Ansatz bei einem modernen Löwen angewandt und die Ergebnisse zeigen, dass die kombinierten Muskel und Knochen konvexe Hüllen Rekonstruktionen die Dimensionen der Extremitäten am genauesten reproduzieren, inklusive der Massenschwerpunkte bei großen Katzen. Mit den Rekonstruktionen können wir auch den Körperaufbau von P. atrox kalkulieren, was die umfassendste Weichteilrekonstruktion dieser ausgestorbenen Art ermöglicht, inklusive biomechanischer Eigenschaften der Extremitäten.

Schlüsselwörter: Fossilrekonstruktion; Muskeln; Felidae; Panthera atrox; Skalierung

Translator: Eva Gebauer

Arabic

Translator: Ashraf M.T. Elewa