Differentiating convergent pathologies in turtle shells using computed tomographic scanning of modern and fossil bone
Plain Language Abstract
A variety of processes can mark or modify the surfaces of bones, and each type of damage can provide information on how the affected animals lived, died, and were fossilized. Unfortunately, some of these processes result in superficially similar modifications, which can complicate their correct identification. Among turtles, round or elongate pits are common on the surfaces of shells, caused by either impact damage made when the turtle is bitten by another animal or immune system responses, which are collectively called shell disease. We looked at the internal patterns of bone damage to help differentiate these two processes, first by observing modern examples of known shell disease and bite marks, and then by comparing those results to suspected examples of these two types of modifications in fossils. Even though shell disease and bite marks are similar when observed at the surface, internal damage patterns are quite different. Bitten bones were fractured and compressed under crushing teeth, while shell disease lacked compression and instead appeared spongey and eroded in the subsurface. Similar methods should be explored to help identify other types of bone surface damage that cannot be reliably differentiated from surface examination alone.
Resumen en Español
Diferenciando patologías convergentes en caparazones de tortuga mediante tomografía computarizada de hueso actual y fósil
Los patrones de daño óseo pueden proporcionar información sobre la paleobiología y la paleoecología de los grupos extintos, pero el acceso a estos datos depende de identificaciones precisas. Entre las tortugas, persiste la preocupación de que las enfermedades del caparazón y los rastros de alimentación de vertebrados converjan de manera confusa. Aunque los casos extremos de enfermedad del caparazón y las marcas de mordeduras más penetrantes se diferencian más fácilmente, los ejemplos más sutiles de cada uno pueden exhibir morfologías muy similares. Dadas las diferentes formas en que se forman estos dos tipos de daño óseo, uno a través del daño por compresión e impacto y el otro a través de la respuesta del sistema inmunitario a cuerpos extraños o infecciones, las texturas internas del hueso deberían proporcionar datos útiles para diferenciar estas patologías convergentes. Aquí utilizamos la exploración por microtomografía computarizada (µCT) para visualizar el daño óseo interno en ejemplos conocidos de marcas de mordeduras modernas y enfermedad del caparazón en elementos de caparazón y plastrón de Trachemys. Luego, los patrones observados se comparan con ejemplos fósiles de supuestas marcas de mordeduras y enfermedades del caparazón de fragmentos de caparazón de tortuga del Cenomaniano del Grupo Woodbine del centro-norte de Texas, EE.UU.
Los ejemplos actuales y fósiles de la enfermedad del caparazón exhiben una textura irregular, similar a una burbuja en la sección transversal que erosiona el subsuelo debajo de las marcas superficiales, mientras que las marcas de mordedura exhibieron muescas más regulares en forma de U o V en la sección transversal, sustentadas por hueso fracturado y comprimido. Nuestro estudio demuestra que, si bien diferentes procesos de modificación ósea pueden producir patrones superficiales similares, los patrones de daño interno pueden proporcionar un método alternativo para diferenciarlos. Esto sugiere que las técnicas de visualización interna han sido subutilizadas al intentar desenredar las modificaciones superficiales afectadas por la equifinalidad.
Palabras clave: tafonomía; paleopatología; crocodilia; testudines; cenomaniano; Cretácico
Traducción: Francesco Gascó (Grupo de Biología Evolutiva, UNED y Sociedad Española de Paleontología)
Deutsche Zusammenfassung
Unterscheidung konvergenter Pathologien bei Schildkrötenpanzern durch computertomografisches Scannen von modernen und fossilen Knochen
Muster von Knochenschäden können Einblicke in die Paläobiologie und Paläoökologie ausgestorbener Gruppen geben, aber der Zugang zu diesen Daten hängt von genauen Identifizierungen ab. Bei Schildkröten gibt es immer wieder Bedenken, dass Panzerkrankheiten und Fraßspuren von Wirbeltieren verwirrend konvergent sind. Obwohl extreme Fälle von Panzerkrankheiten und penetranteren Bisswunden leichter zu unterscheiden sind, können subtilere Beispiele von beiden sehr ähnliche Morphologien aufweisen. Angesichts der unterschiedlichen Art und Weise, wie sich diese beiden Arten von Knochenschäden bilden, nämlich einerseits durch Druck- und Schlagschäden und andererseits durch die Reaktion des Immunsystems auf Fremdkörper oder Infektionen, sollten die inneren Strukturen des Knochens hilfreiche Daten zur Unterscheidung dieser konvergenten Pathologien liefern. Hier verwenden wir mikrocomputertomografische (µCT) Scans, um interne Knochenschäden in bekannten Beispielen von modernen Bisswunden und Erkrankungen von Carapax- und Plastronelementen in Trachemys zu visualisieren. Die beobachteten Muster werden dann mit fossilen Beispielen von mutmaßlichen Bisswunden und Panzerkrankheiten an Schildkrötenpanzerfragmenten aus dem Cenoman aus der Woodbine-Gruppe in Nord-Zentral-Texas, USA, verglichen. Moderne und fossile Beispiele von Panzerkrankheiten weisen im Querschnitt eine unregelmäßige, blasenartige Textur auf, die den Untergrund unter den oberflächlichen Bisswunden abträgt, während Bisswunden im Querschnitt regelmäßigere U- oder V-förmige Vertiefungen aufweisen, die von zerbrochenem, komprimiertem Knochen unterlegt sind. Unsere Studie zeigt, dass verschiedene knochenverändernde Prozesse zwar ähnliche, oberflächliche Muster hervorrufen können, dass aber interne Schädigungsmuster eine alternative Methode zu ihrer Unterscheidung bieten können. Dies deutet darauf hin, dass interne Visualisierungstechniken nicht ausreichend genutzt wurden bezüglich oberflächlicher Veränderungen, die von Äquifinalität beeinflusst sind.
Schlüsselwörter: Taphonomie; Paläopathologie; Crocodylia; Testudines; Cenoman; Kreide
Translator: Eva Gebauer
Arabic
Translator: Ashraf M.T. Elewa
Polski
Różnicowanie konwergentnych patologii w skorupach żółwi za pomocą tomograficznego skanowania kości współczesnych i kopalnych
Wzorce uszkodzeń kości mogą dostarczyć wglądu w paleobiologię i paleoekologię wymarłych grup, ale dostęp do tych danych opiera się na dokładnych identyfikacjach. Wśród żółwi utrzymują się obawy, że choroby skorupy i ślady żerowania kręgowców są często mylące. Chociaż skrajne przypadki chorób skorup i bardziej penetrujące ślady ugryzień są łatwiejsze do rozróżnienia, bardziej subtelne przykłady każdego z nich mogą wykazywać bardzo podobne morfologie. Biorąc pod uwagę różne sposoby, w jakie te dwa rodzaje uszkodzeń kości tworzą się, jeden przez kompresję i uszkodzenia uderzeniowe, a drugi przez reakcję układu odpornościowego na ciała obce lub infekcję, wewnętrzna tekstura kości powinna dostarczyć pomocnych danych do rozróżnienia tych zbieżnych patologii. Tutaj używamy tomografii mikrokomputerowej (µCT) do wizualizacji wewnętrznych uszkodzeń kości w znanych przykładach współczesnych śladów ugryzień i chorób skorupy w elementach pancerza i plastronu Trachemys. Zaobserwowane wzorce są następnie porównywane ze kopalnymi przykładami domniemanych śladów ugryzień i chorób muszli pochodzących z cenomanu fragmentów skorupy żółwia z grupy Woodbine w północno-środkowym Teksasie w USA. Współczesne i kopalne przykłady chorób skorupy wykazują nieregularną, przypominającą bąbelki teksturę w przekroju poprzecznym, która powoduje erozję podłoża poniżej śladów powierzchownych, podczas gdy ślady ugryzień wykazywały bardziej regularne wgłębienia w kształcie litery U lub V w przekroju poprzecznym, pod spodem pęknięcia i ściśniętą kość. Nasze badanie pokazuje, że podczas gdy różne procesy modyfikacji kości mogą dawać podobne, powierzchowne wzory, wzorce uszkodzeń wewnętrznych mogą stanowić alternatywną metodę ich różnicowania. Sugeruje to, że wewnętrzne techniki wizualizacji nie były w pełni wykorzystywane przy próbach rozwikłania powierzchownych modyfikacji, na które wpływa ekwifinalność.
Słowa kluczowe: tafonomia; paleopatologia; Crocodylia; Testudines; Cenomanian; Kreda
Translator: Krzysztof Stefaniak
Ukrainian
Диференціація конвергентних патологій панцирів черепах за допомогою комп’ютерного томографічного сканування сучасних і викопних кісток
Особливості пошкодження кісток можуть допомогти краще зрозуміти палеобіологію та палеоекологію вимерлих груп, однак доступ до цих даних залежить від точної ідентифікації матеріалу. У випадку з черепахами існує імовірність сплутати сліди на панцирі, обумовлені хворобою та погризами, оскільки вони дуже схожі. Хоча крайні випадки ракової хвороби та проникаючі сліди укусів легше відрізнити один від одного, більш тонкі приклади кожного з цих варіантів можуть мати схожу морфологію. Враховуючи різні способи формування цих двох типів пошкоджень кісток, один через стиснення та пошкодження від удару, а інший через реакцію імунної системи на сторонні тіла або інфекцію, внутрішні текстури кістки повинні надавати корисні дані для диференціації цих конвергентних патологій. У рамках нашого дослідження ми використовували мікрокомп’ютерне томографічне (мкКТ) сканування, щоб візуалізувати внутрішні пошкодження кісток у відомих прикладах сучасних слідів укусів і ракових захворювань на елементах карапакса і пластрона Trachemys. Спостережувані візерунки порівнювалися з відповідними слідами на поверхні уламків панцира сеноманської черепахи з групи Вудбайн (Woodbine Group) у північно-центральному Техасі, США. Сліди захворювання, що зачепило панцир сучасних та викопних черепах, демонструють неправильну, пухирчасту текстуру в поперечному перерізі, з нечітким поверхневим рисунком, тоді як сліди укусів представлені у вигляді більш правильних U- або V-подібних заглиблень, добре помітних у поперечному перерізі, під якими лежить зламана, стиснута кістка. Наше дослідження демонструє, що в той час як різні процеси модифікації кістки можуть створювати подібні поверхневі візерунки, вивчення внутрішніх пошкоджень може забезпечити альтернативний метод їхньої диференціації. Це свідчить про те, що методи внутрішньої візуалізації досі були недостатньо використані при спробі розплутати поверхневі модифікації, на які впливає еквіфінальність.
Ключові слова: тафономія; палеопатологія; Crocodylia; Testudines; сеноман; крейда.
Translator: Oleksandr Kovalchuk
Chinese
利用现代和化石骨骼的计算机断层扫描区分龟壳中的趋同病理
骨骼损伤的模式可以提供对已灭绝类群的古生物学和古生态学的深入了解, 但使用这些数据依赖于准确的鉴定。在龟鳖目中,人们一直担心龟甲病和脊椎动物的摄食痕迹混杂在一起。虽然壳病的极端病例和更具穿透性的咬痕更容易区分, 但每一种的更细微的例子则表现出非常相似的形态。鉴于这两种类型的骨损伤形成的不同方式, 一种是通过压缩和冲击损伤,另一种是通过免疫系统对异物或感染的反应，骨骼的内部纹理应该提供有用的数据来区分这些趋同病理。本文利用计算机断层扫描 (µCT) 对Trachemys 甲壳和腹甲元素中已知的现代咬痕和壳病的内部骨损伤进行可视化。然后将观察到的模式与来自美国得克萨斯州中北部Woodbine群的森诺曼期的龟壳碎片的假定咬痕和甲壳病的化石实例进行比较。现代和化石的甲壳病实例在横截面上表现出不规则的气泡状结构，侵蚀掉表层印痕之下表面，而咬痕在横截面上则表现出更规则的 U 或 V 形凹痕, 其下为裂且压缩的骨骼。该研究表明, 虽然不同的骨骼改变过程可以产生相似的表面模式, 但内部损伤模式可以提供一种区分它们的方法。这表明在试图解开受等同结果影响的表面改变时, 内部可视化方法没有得到充分利用。
关键词: 埋葬学; 古病理学; 鳄目; 龟鳖目; 森诺曼期; 白垩纪
Translator: Hongshan Wang
French
Différencier des pathologies convergentes de carapace de tortues par l’utilisation numérisations d’os actuels et fossiles par tomographie assistée par ordinateur
Les patrons de dommages osseux peuvent fournir des informations sur la paléobiologie et la paléoécologie de groupes disparus, mais comprendre ces données repose sur des identifications exactes. En ce qui concerne les tortues, différencier les maladies de la carapace et les traces de prédation et charognage par des vertébrés est un souci constant car ces traces sont étonnamment convergentes. Bien évidemment, les cas extrêmes de maladie de carapace et les traces de morsures profondes aisément différenciés, mais les cas plus subtils de ces deux processus peuvent assumer des morphologies très similaires. Étant donné les grandes différences de formation de ces lésions osseuses, l’une par compression et dégât d’impact, l’autre en raison de réactions immunitaires aux corps étrangers et infections, la texture interne de l’os devrait être en mesure de différencier ces pathologies convergentes. Ici, nous utilisons les méthodes de microtomographie assistée par ordinateur (µCT) pour visualiser la structure interne de l’os dans des cas actuels connus de traces de morsures et de maladie de carapace sur des éléments de carapaces et de plastrons de Trachemys. Les motifs observés sont comparés à des cas supposés de morsures et maladies de carapaces observées sur des fragments de carapaces de tortues fossiles cénomaniennes du Groupe Woodbine du centre-nord to Texas, U.S.A. Les exemples modernes et fossiles de maladie de carapaces ont une texture irrégulière, bulleuse, en section, ayant une action d’érosion juste sous la surface, sous les marques superficielles ; par contre, les traces de morsures présentent des indentations plus régulières en forme de U ou en V section, sous lesquelles se trouve de l’os fracturé et comprimé. Notre étude montre que bien des processus modifiant les os peuvent produire des traces superficielles similaires, les motifs d’altérations internes peuvent fournir une autre méthode permettant de les distinguer. Ceci suggère que les méthodes permettant la visualisation de l’intérieur de l’os n’ont pas assez utilisées pour distinguer les altérations de surfaces affectées par de l’équifinalité.
Mots-clés : taphonomie ; paléopathologie ; Crocodylia ; Testudines : Cénomanien ; Crétacé
Translator: Denis Audo
Russian
Дифференциация конвергентных патологий панцирей черепах с использованием компьютерной томографии современных и ископаемых костей
Паттерны повреждения костей могут дать представления о палеобиологии и палеоэкологии вымерших групп, но доступ к этим данным зависит от точности идентификации. Для черепах существуют опасения, что проявления болезней панциря и следы питания позвоночных невероятно конвергентны. Хотя крайние случаи проявления заболеваний панциря и наиболее проникающие следы укусов легче отличить, более тонкие примеры каждого из них могут иметь очень похожую морфологию. Учитывая разные способы формирования этих двух типов повреждения костей, один из которых возникает в результате сжатия и ударного повреждения, а другой, в результате реакции иммунной системы на инородные тела или инфекцию, внутренние структуры костей должны давать полезную информацию для разделения этих конвергентных патологий. Здесь мы используем микрокомпьютерную томографию (µCT) для визуализации внутренних повреждений костей в известных примерах современных следов укусов и заболеваний панциря в элементах карапакса и пластрона Trachemys. Наблюдаемые закономерности сравнивались с ископаемыми примерами предполагаемых следов укусов и заболеваний панциря по фрагментам панцирей сеноманских черепах из свиты Вудбайн (Woodbine Group) Техаса, США. Современный и ископаемые примеры заболеваний панциря в поперечном сечении показывают неровные, пузырчатые текстуры, эродирующие структуры под поверхностью повреждения, тогда как следы укусов имеют более правильные U- или V-образные углубления в поперечном сечении, лежащие под сломанной, сжатой костью. Наше исследование показывает, что в то время как различные процессы модификации костей могут давать сходные поверхностные паттерны, паттерны внутренних повреждений могут предоставить альтернативный метод их различения. Это говорит о том, что методы внутренней визуализации недооценивались при попытке разобрать сходные ('эквифинальные') поверхностные модификации.
Ключевые слова: тафономия; палеопатология; Crocodilia; черепахи; синоман; меловой период
Translator: Leonid Voyta
