Computational biomes: The ecometrics of large mammal teeth

Esther Galbrun, Hui Tang, Mikael Fortelius, and Indrė Žliobaitė

Plain Language Abstract

Plant eating animals obtain their energy from plant food, which they process using their teeth. Different kinds of plants grow in different environments. Therefore, species surviving in different environments require different kinds of teeth. Here we use data mining techniques to analyze what types of teeth associate with what environments.

Resumen en Español

Biomas computacionales: la ecometría de los dientes de grandes mamíferos

Como los organismos están adaptados a sus entornos, las asociaciones de taxones se pueden utilizar para describir entornos del presente y del pasado. Aquí se utiliza un método de extracción de datos (data mining), concretamente extracción de redescripción (redescription mining), para descubrir y analizar patrones de asociación entre grandes mamíferos herbívoros y sus entornos a partir de sus características funcionales. Nos centramos en las propiedades funcionales de los dientes de animales, caracterizadas dentro de un esquema de puntuación del rasgo dental que ha sido recientemente desarrollado. Los dientes de los mamíferos herbívoros sirven de medio para obtener energía de los alimentos y, por lo tanto, se espera que coincidan con los tipos de alimentos vegetales disponibles en sus entornos. Según esto, se espera que los rasgos dentales proporcionen evidencias de las condiciones ambientales. Analizamos un conjunto de datos global de los registros de grandes mamíferos herbívoros y de condiciones bioclimáticas. Identificamos patrones comunes de asociación entre las distribuciones de los rasgos dentales y las condiciones bioclimáticas y discutimos sus implicaciones. Cada patrón se puede considerar como un bioma computacional. Nuestro análisis distingue tres zonas globales, a las que nos referimos como la zona húmeda boreal-templada, la zona húmeda tropical y la zona seca tropical-subtropical. La zona húmeda boreal-templada se caracteriza principalmente por temperaturas frías estacionales, una falta de hipsodoncia y una alta proporción de especies con lofos obtusos. La zona húmeda tropical se caracteriza principalmente por altas temperaturas, alta isotermia, abundante precipitación y una gran proporción de especies con lofos agudos en lugar de obtusos. Finalmente, la zona seca tropical se caracteriza principalmente por una alta estacionalidad de las temperaturas y las precipitaciones, así como una alta hipsodoncia y horizodoncia (horizodonty). Encontramos que la marca dental para los bosques tropicales africanos es bastante diferente de la marca dental de sitios climáticamente similares en América del Norte y Asia, donde las especies hipsodontas y las especies con lofos obtusos están ausentes en su mayoría. En términos climáticos y de marcas dentales, los trópicos estacionales africanos comparten muchas similitudes con las localidades de Asia Central y del Sur. Curiosamente, la meseta tibetana está cubierta tanto por redescripciones del grupo seco tropical-subtropical como por redescripciones del grupo húmedo boreal-templado, lo que sugiere una combinación de características de ambas zonas en sus características dentales y en el clima.

Palabras clave: ecometría; extracción de redescripción; rasgos dentales; grandes mamíferos; extracción de datos

Traducción: Enrique Peñalver (Sociedad Española de Paleontología)

Résumé en Français

Biomes statistiques : les traits indicateurs d’écologie des dents de grands mammifères

Comme les organismes sont adaptés à leurs environnements, des assemblages de taxons peuvent être utilisés pour décrire les environnements dans le présent et dans le passé. Dans cet article, nous utilisons une méthode d’exploration des données, la fouille de redescriptions, pour découvrir et analyser des schémas d’association des grands mammifères herbivores et de leurs environnements via leurs traits fonctionnels. Nous nous concentrons sur les propriétés fonctionnelles des dents des animaux, caractérisées en utilisant un système de classification des traits dentaires récemment développé. Les dents des mammifères herbivores servent d’interface pour obtenir l’énergie à partir de la nourriture, et il est donc attendu qu’elles correspondent aux types de plantes disponibles dans leur environnement. Ainsi, il est attendu que les traits dentaires portent un signal des conditions environnementales. Nous analysons une compilation globale des occurrences de grands mammifères herbivores et de leurs conditions bioclimatiques. Nous identifions des schémas communs d’association entre les distributions des traits dentaires et les conditions bioclimatiques et nous discutons leurs implications. Chaque schéma peut être considéré comme un biome statistique. Notre analyse distingue trois zones globales : la zone humide boréale-tempérée, la zone humide tropicale, et la zone sèche tropicale-subtropicale. La zone humide boréale-tempérée est principalement caractérisée par des températures froides et saisonnières, un manque d’hypsodontie, et une forte proportion d’espèces avec des lophes obtus. La zone humide tropicale est principalement caractérisée par des températures élevées, une isothermalité forte, des précipitations abondantes, et une forte proportion d’espèces avec des lophes aigus plutôt qu’obtus. Enfin, la zone sèche tropicale est principalement caractérisée par une saisonnalité forte des températures et des précipitations, ainsi qu’une hypsodontie et une horizodontie fortes. Nous observons que la signature des traits dentaires des forêts tropicales humides africaines est assez différente de celle des sites d’Amérique du Nord et d’Asie situés sous des climats similaires, sites dans lesquels les espèces hypsodontes et les espèces avec des lophes obtus sont généralement absentes. En termes de signatures dentaires et climatiques, les tropiques saisonniers en Afrique partagent de nombreuses similarités avec les sites d’Asie centrale et d’Asie du Sud. De manière intéressante, le plateau tibétain est couvert à la fois de redescriptions du groupe tropical-subtropical sec et de redescriptions du groupe boréal-tempéré humide, suggérant une combinaison de caractères des deux zones dans les traits dentaires et le climat.

Mots-clés : traits indicateurs d’écologie ; fouille de redescriptions ; traits dentaires ; grands mammifères ; exploration des données

 

Translator: Antoine Souron

Deutsche Zusammenfassung

Rechnergestützte Biome: die Ökometrie großer Säugetierzähne

Da Organismen ihrer Umwelt angepasst sind, können vergangene und heutige Milieus anhand von Taxa-Assemblagen beschrieben werden. In dieser Untersuchung arbeiten wir mit einem Data-Mining-Verfahren, dem Redescription Mining, mit dem wir Assoziationsmuster zwischen großen herbivoren Säugern und deren Umwelt über funktionale Merkmale herausfinden und analysieren. Der Fokus liegt auf den funktionellen Eigenschaften von Tierzähnen, die durch ein kürzlich entwickeltes Merkmalbewertungsschema charakterisiert wurden. Die Zähne herbivorer Säugetiere sind die Schnittstelle zur Energiegewinnung aus Nahrung und daher wird erwartet, dass sie mit den in der Umgebung vorkommenden Pflanzen übereinstimmen. Demzufolge sollten die Zahnmerkmale einen Hinweis auf die Umweltbedingungen liefern. Wir analysieren eine globale Erfassung von Vorkommen großer herbivorer Säuger und bioklimatischer Bedingungen. Wir identifizieren allgemeine Verbindungsmuster zwischen der Verteilung von Zahnmerkmalen und bioklimatischen Konditionen und diskutieren die Zusammenhänge. Jedes Muster kann als computergestütztes Biom angesehen werden. Unsere Analyse unterscheidet drei globale Zonen, die wir die boreal-temperierte Feuchtzone, die tropische Feuchtzone und die tropische-subtropische Trockenzone nennen. Die boreal-temperierte Feuchtzone ist hauptsächlich durch saisonale kühle Temperaturen, das Fehlen von Hypsodontie und einem hohen Anteil an Arten mit stumpfen Jochzähnen gekennzeichnet. Die tropische Feuchtzone ist hauptsächlich durch hohe Temperaturen, hohe Isothemalität, ergiebige Niederschläge und einen hohen Anteil an Arten mit eher scharfen als stumpfen Jochzähen charakterisiert. Die tropische Trockenzone schließlich zeichnet sich hauptsächlich aus durch eine ausgeprägte Saisonalität bezüglich der Temperaturen und der Niederschläge als auch durch starke Hypsodontie und Horizodontie. Wir stellen fest, dass sich die Zahnmerkmalssignatur nordafrikanischer Regenwälder deutlich von der Signatur klimatisch ähnlicher Standorte in Nordamerika und Asien unterscheidet, wo hypsodonte Arten und Arten mit stumpfen Jochzähnen zumeist fehlen. Bezüglich Kima-und Zahnsignaturen weisen die afrikanischen saisonalen Tropen viele Parallelen mit den zentralen südasiatischen Standorten auf. Interessanterweise ist das Tibetische Plateau sowohl bedeckt mit Redescriptionen aus der tropisch-subtropischen Trockengruppe als auch mit solchen aus der boreal-temperierten Feuchtgruppe, was auf eine Kombination von Merkmalen aus beiden Zonen bezüglich der Zähne und des Klimas hinweist.

Schlüsselwörter: Ökometrie; Redescription Mining; Zahnmerkmale; große Säugetiere; Data Mining

Translator: Eva Gebauer

Arabic

Translator: Ashraf M.T. Elewa