Geometric morphometrics in ammonoids based on virtual modelling
Plain Language Abstract
Linear morphometry is based on the quantitative analysis of shapes using simple linear measurements (e.g., lengths, widths, heights). In ammonoids and other cephalopods bearing an external shell like the modern Nautilus, these measurements are widely applied to study the shape of their shells, which are often preserved in the Earth’s rock record. Because this technique depends on few measurements, it cannot be used to describe complex structures, and consequently, part of the variation, important to recognize species, is overlooked. On this subject, the sometimes-complex ammonoid whorl cross-section cannot be accurately characterized using linear measurements. We describe a new technique based on virtual modelling that allows us to study the shape variation of the whorl cross-section using a geometric morphometric approach. In landmark-based geometric morphometrics, the spatial information missing from linear morphometrics is contained in the x and y (and sometimes z) coordinates of discrete anatomical points that are proposed to be equivalent in all individuals of a distinct group (here cephalopods with an external shell). These points are called landmarks or semi-landmarks depending on their specific quality. We apply this method to 50 ammonoid specimens belonging to 48 general and exhibiting a wide range of whorl shapes to study their variation. Results show that this new technique can be used to describe and evaluate the shape variation of whorl cross-sections, recognizing distinct biological patterns (e.g., the tendency to converge to the same shapes) that could be associated with ecological constraints found by other authors. Additionally, this technique can be integrated into other analyses and used to create the basic segment required for the elaboration of the virtual models employed in hydrostatic and hydrodynamic studies.
Resumen en Español
Morfometría geométrica en amonoideos basado en modelado virtual
La morfometría lineal es la técnica más ampliamente usada para estudiar la variación de la morfología de la conchilla en amonoideos y otros cefalópodos ectocócleos. Sin embargo, debido a que este método depende de unas pocas mediciones lineales, carece del poder explicativo para caracterizar de manera precisa la forma de la sección de la vuelta, por lo que en su lugar es discutida únicamente en base a términos descriptivos, e.g., elíptica, triangular, o subcuadrada. En este trabajo, presentamos un método basado en morfometría geométrica para estudiar la sección de la vuelta, derivada de los parámetros morfométricos usados regularmente en cefalópodos. Esta nueva técnica emplea el modelado virtual para generar las configuraciones de semilandmarks, y modelos de la sección de la vuelta. Dicho método fue usado para estudiar 50 especímenes de amonoideos pertenecientes a 48 géneros, los cuales abarcan un amplio rango de morfologías y de edades. Los resultados indican que este nuevo método es apropiado para describir la forma de la sección de la vuelta en amonoideos, permitiéndonos construir un morfoespacio que exhibe numerosos patrones biológicos (e.g., agrupamientos y homeomorfismo), y transformaciones morfológicas complejas que, en algunos casos, correlacionan con tendencias evolutivas descritas por autores previos. Adicionalmente, esta técnica puede ser usada para generar el segmento básico requerido para la elaboración de modelos virtuales empleados en los estudios hidrostáticos e hidrodinámicos.
Palabras clave: Cefalópoda, Ammonoidea, Amonites, morfometría geométrica, conchilla
Traducción: Author
Résumé en Français
In progress
Translator: Antoine Souron
Deutsche Zusammenfassung
In progress
Translator: Eva Gebauer
Arabic
Translator: Ashraf M.T. Elewa
Polski
Morfometria geometryczna amonitowatych oparta na modelowaniu wirtualnym
Morfometria liniowa jest najszerzej stosowaną techniką badania zmienności morfologii muszli amonitów i innych głowonogów o muszli zewnętrznej. Ponieważ jednak metoda ta często opiera się na kilku pomiarach liniowych, brakuje jej mocy wyjaśniającej, aby dokładnie scharakteryzować kształt przekroju skrętu; omawia się go wyłącznie w kategoriach opisowych, np. eliptyczny, trójkątny lub prawie kwadratowy. Tu przedstawiamy geometryczne podejście morfometryczne do badania przekrojów skrętu amonitów, wywodzące się z regularnie stosowanych parametrów morfometrycznych u głowonogów. Ta nowa technika wykorzystuje wirtualne modelowanie do generowania konfiguracji pół-punktów orientacyjnych i wirtualnych modeli przekrojów skrętu. Zastosowaliśmy go do zbadania 50 okazów amonitowatych należących do 48 rodzajów o szerokim zakresie morfologii i wieku. Wyniki wskazują, że nowa metoda jest odpowiednia do opisania kształtu przekrojów skrętu amonitów, umożliwiając skonstruowanie morfoprzestrzeni wykazującej kilka wzorców biologicznych (np. grupowanie i homeomorfia) oraz złożone transformacje morfologiczne, które w niektórych przypadkach korelują z ewolucyjnymi tendencjami opisanymi przez poprzednich autorów. Ponadto technikę tę można wykorzystać do wygenerowania podstawowego segmentu wymaganego do opracowania modeli wirtualnych stosowanych w badaniach hydrostatycznych i hydrodynamicznych.
Słowa kluczowe: głowonogi; amonity; morfometria geometryczna; muszla; skręt
Translator: Krzysztof Stefaniak
Russian
Геометрическая морфометрия аммоноидей на основе виртуального моделирования
Линейная морфометрия – наиболее широко применяемый метод изучения изменчивости морфологии раковин у аммоноидей и других внешнераковинных головоногих моллюсков. Однако, поскольку этот метод часто основан на нескольких линейных измерениях, ему не хватает объяснительной силы, чтобы точно охарактеризовать форму поперечного сечения завитка, которое вместо этого обсуждается исключительно в описательных терминах, например, эллиптическая, треугольная или субквадратная. Здесь мы представляем основанный на ориентирах геометрический морфометрический подход для изучения поперечных сечений завитка аммоноидей, полученных из регулярно используемых морфометрических параметров у головоногих моллюсков. Этот новый метод использует виртуальное моделирование для создания конфигураций полу-ориентиров и виртуальных моделей поперечных сечений завитков. Мы применили его для изучения 50 экземпляров аммоноидей, принадлежащих к 48 родам, которые имеют широкий диапазон морфологии и возраста. Результаты показывают, что этот новый метод подходит для описания формы поперечных сечений завитка аммоноидей, что позволяет нам построить морфопространство, показывающее несколько биологических паттернов (например, кластеризацию и гомеоморфию), а также сложные морфологические преобразования, которые в некоторых случаях коррелируют с эволюционными. тенденциями, описанными предыдущими авторами. Кроме того, этот метод может быть использован для создания базового сегмента, необходимого для разработки виртуальных моделей, используемых в гидростатических и гидродинамических исследованиях.
Ключевые слова: Cephalopoda; Ammonoidea; геометрическая морфометрия; раковина; завиток
Translator: Oleksandr Kovalchuk
Ukrainian
Геометрична морфометрія аммоноідей на основі віртуального моделювання
Лінійна морфометрія – найбільш широко застосовуваний метод вивчення мінливості морфології раковин у аммоноідей та інших зовнішньораковинних головоногих молюсків. Однак, оскільки цей метод часто заснований на декількох лінійних вимірах, йому не вистачає пояснювальної сили, щоб точно охарактеризувати форму поперечного перерізу завитка, яке замість цього обговорюється виключно в описових термінах, наприклад, еліптична, трикутна або субквадратна. Тут ми представляємо заснований на орієнтирах геометричний морфометричний підхід для вивчення поперечних перерізів завитка аммоноідей, отриманих з регулярно використовуваних морфометричних параметрів у головоногих молюсків. Цей новий метод використовує віртуальне моделювання для створення конфігурацій напів-орієнтирів і віртуальних моделей поперечних перерізів завитків. Ми застосували його для вивчення 50 зразків аммоноідей, що належать до 48 родів, які мають широкий діапазон морфології і віку. Результати показують, що цей новий метод підходить для опису форми поперечних перерізів завитка аммоноідей, що дозволяє нам побудувати морфопростір, який показує кілька біологічних патернів (наприклад, кластеризація і гомеоморфія), а також складні морфологічні перетворення, які в деяких випадках корелюють з еволюційними. тенденціями, описаними попередніми авторами. Крім того, цей метод може бути використаний для створення базового сегмента, необхідного для розробки віртуальних моделей, що використовуються у гідростатичних і гідродинамічних дослідженнях.
Ключові слова: Cephalopoda; Ammonoidea; геометрична морфометрія; раковина; завиток
Translator: Oleksandr Kovalchuk
Chinese
基于虚拟建模的菊石几何形态计量
线性形态计量学是研究菊石类和其它外壳头足类动物的卷壳形态变化的最广泛应用的技术。然而, 由于该方法经常依赖于几个线性测量数据, 因此它缺乏准确表达螺旋横截面形状的解释力，因对其讨论仅限于使用描述性术语如椭圆形、三角形或近方形。本文介绍了一种基于地标的几何形态测量方法来研究菊石类螺旋横截面, 该方法源自头足类动物中经常使用的形态测量参数。这种新技术使用虚拟建模来生成半地标形状和螺旋横截面的虚拟模型。我们用它来研究属于48个属的 50 个菊石标本, 这些标本具有很大的形态变化和年龄跨度。结果表明, 这种新方法适用于描述菊石类螺旋横截面形状, 使我们能够构建显示几种生物模式(如聚类和异物同形)和复杂形态变换的形态空间, 及在某些情况下与其他作者描述的进化趋势进行对比。此外, 该技术可用于详尽细化流体静力学和流体动力学研究中使用的虚拟模型所需的基本段。
关键词: 头足类; 菊时亚冠纲; 几何形态测量; 卷壳; 螺旋纹
Translator: Hongshan Wang
