Geometric morphometrics as a tool to support taxonomic identification in palaeontology: A comparison with traditional morphometrics in the study of isolated fossil shark teeth
Plain Language Abstract
The study of fossil sharks is very complex due to their cartilaginous endoskeleton that only occasionally can be preserved. Contrary to skeletal elements, isolated fossil teeth are extremely abundant, but the interpretation of the morphology, body size and ecology of these fishes is still problematic since shark teeth have frequently very similar forms, making difficult the identification of the species. To support identification through qualitative characters, quantitative (morphometric) approaches can be used, since they allow detecting minimal morphological differences that are difficult to recognize with qualitative approaches. These techniques include traditional morphometrics and geometric morphometrics. We analyzed a set of isolated shark teeth using geometric morphometrics to see whether it produces the same results as traditional morphometrics when applied to the same sample. The results of this paper confirmed that geometric morphometrics, in addition to being a valid tool for identifying minimal morphological differences and so to support the separation of these fossil teeth, provides the same results as the traditional morphometrics and a larger amount of information.
Arabic
لقياسات الشكلية الهندسية كأداة لدعم التعرف التصنيفي في علم الحفريات: مقارنة مع القياسات الشكلية التقليدية في دراسة أسنان أسماك القرش الأحفورية المعزولة
المؤلفون: إدواردو باجليوتزي، جورجيو كارنوفالي، يورغن كريويت، وجوسيبي مارّاما
الملخص: تُعد الأسنان المعزولة لأسماك الإلاسموبرانك (Elasmobranch) من أكثر الأحافير شيوعًا في السجل الأحفوري. ومع ذلك، فإن الاعتماد على الخصائص النوعية فقط في التعرف التصنيفي قد يؤدي إلى نتائج غير دقيقة، نظرًا لأن العديد من الأصناف قد تُظهر تشابهًا في الشكل، مما يجعل من الصعب الكشف عن الفروقات الشكلية الدقيقة. كدعم فعّال للتصنيف النوعي، اقترحت العديد من الدراسات دمج الخصائص النوعية مع النهج الكمية، بما في ذلك كل من القياسات الشكلية التقليدية والقياسات الشكلية الهندسية. تُعد هذه الطرق فعالة بشكل خاص في اكتشاف الفروقات الدقيقة في الشكل، والتي غالبًا ما يتم تجاهلها في التحليلات النوعية البحتة.
لتقييم مدى موثوقية كل من النهجين، التقليدي والهندسي، في دعم التعرف التصنيفي النوعي، قمنا بتحليل عينة من أسنان أسماك قرش لامنيفورمية (Lamniformes) الحية والأحفورية، والتي سبق تحليلها باستخدام طرق القياسات التقليدية، وذلك باستخدام القياسات الشكلية الهندسية. يهدف هذا البحث إلى فهم ما إذا كانت كل من القياسات التقليدية والهندسية، عند تطبيقها على نفس مجموعة البيانات من الأسنان المعزولة، تتمتع بنفس القدرة على دعم التصنيفات النوعية المُسبقة، وإذا كان الأمر كذلك، فأيهما أكثر فعالية.
أظهرت نتائجنا أن القياسات الشكلية الهندسية تسترجع نفس الفصل التصنيفي الذي حددته القياسات التقليدية، بالإضافة إلى قدرتها على التقاط متغيرات شكلية إضافية لم تُؤخذ بعين الاعتبار في الطرق التقليدية. وبناءً عليه، توفر القياسات الشكلية الهندسية كمية أكبر من المعلومات حول شكل السن، مما يجعلها أداة قوية لدعم التعرف التصنيفي لأسنان أسماك القرش الأحفورية المعزولة.
الكلمات المفتاحية: أسماك القرش اللامنيفورمية؛ الأسنان الأحفورية؛ القياسات الشكلية الهندسية؛ القياسات الشكلية التقليدية؛ التصنيف.
ترجمة: عمر عبدالفتاح العيسوي (كلية العلوم - جامعة المنصورة)
Translator: Omar Isswai. Mansoura University, Egypt
Chinese
In progress
Translator: Yanzhe Fu. Nanjing Institute of Geology and Palaeontology, Chinese Academy of Sciences
Deutsche Zusammenfassung
In progress
Translator: Eva Gebauer
Resumen en Español
La morfometría geométrica como herramienta de apoyo a la identificación taxonómica en paleontología: una comparación con la morfometría tradicional en el estudio de dientes fósiles aislados de tiburones
Los dientes aislados de peces elasmobranquios son extremadamente abundantes en el registro fósil. Sin embargo, la identificación taxonómica basada únicamente en caracteres cualitativos puede conducir a resultados erróneos, ya que varios taxones pueden presentar morfologías similares, lo que dificulta la detección de diferencias morfológicas significativas. Como apoyo válido para la identificación taxonómica cualitativa, un número creciente de estudios ha propuesto complementar los rasgos cualitativos con enfoques cuantitativos, incluyendo tanto la morfometría tradicional como la geométrica. Estos métodos son particularmente eficaces para detectar diferencias morfológicas mínimas que a menudo pasan desapercibidas en análisis puramente cualitativos. Para evaluar si los enfoques morfométricos tradicionales y geométricos pueden respaldar de manera fiable las identificaciones taxonómicas cualitativas, utilizamos morfometría geométrica para examinar una muestra de dientes aislados de tiburones lamniformes actuales y fósiles que previamente habían sido investigados mediante enfoques morfométricos tradicionales. El objetivo del presente estudio es entender si la morfometría geométrica y la tradicional, cuando se aplican al mismo conjunto de datos de dientes aislados de tiburón, son igualmente fiables para respaldar identificaciones taxonómicas cualitativas a priori y, en tal caso, cuál de los dos enfoques es más eficaz. Nuestros resultados muestran que la morfometría geométrica recupera la misma separación taxonómica identificada por la morfometría tradicional, al tiempo que capta variables adicionales de forma que los métodos tradicionales no consideran. En consecuencia, la morfometría geométrica proporciona una mayor cantidad de información sobre la morfología dental, representando una herramienta poderosa para apoyar la identificación taxonómica de dientes fósiles aislados de tiburón.
Palabras clave: tiburones lamniformes; dientes fósiles; morfometría geométrica; morfometría tradicional; taxonomía
Traducción: Francisco Gascó Lluna. Grupo de Biología Evolutiva, UNED y Sociedad Española de Paleontología, Madrid, Spain
Résumé en Français
In progress
Translator: Denis Audo. Centre de Recherche en Paléontologie - Sorbonne Université
Greek
Η γεωμετρική μορφομετρία ως εργαλείο υποστήριξης της ταξινομικής ταυτοποίησης στην παλαιοντολογία: Μια σύγκριση με την παραδοσιακή μορφομετρία στη μελέτη απομονωμένων απολιθωμένων δοντιών καρχαριών
Τα απομονωμένα δόντια των ελασμαβράγχιων ψαριών είναι εξαιρετικά άφθονα στο αρχείο απολιθωμάτων. Ωστόσο, η ταξινομική ταυτοποίηση που βασίζεται αποκλειστικά σε ποιοτικά χαρακτηριστικά μπορεί να οδηγήσει σε λανθασμένα αποτελέσματα, διότι αρκετά taxa μπορεί να παρουσιάζουν παρόμοιες μορφολογίες, καθιστώντας δύσκολη την ανίχνευση σημαντικών μορφολογικών διαφορών. Ως έγκυρη υποστήριξη της ποιοτικής ταξινομικής ταυτοποίησης, ένας αυξανόμενος αριθμός μελετών έχει προτείνει την συμπλήρωση των ποιοτικών χαρακτηριστικών με ποσοτικές προσεγγίσεις, συμπεριλαμβανομένων τόσο της παραδοσιακής όσο και της γεωμετρικής μορφομετρίας. Αυτές οι μέθοδοι είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικές στην ανίχνευση ελάχιστων μορφολογικών διαφορών που συχνά παραβλέπονται από τις καθαρά ποιοτικές αναλύσεις. Για να αξιολογήσουμε κατά πόσο οι παραδοσιακές και οι γεωμετρικές μορφομετρικές προσεγγίσεις μπορούν αξιόπιστα να υποστηρίξουν τις ποιοτικές ταξινομικές ταυτοποιήσεις, χρησιμοποιήσαμε γεωμετρική μορφομετρία σε ένα δείγμα απομονωμένων δοντιών ζωντανών και απολιθωμένων καρχαριών της τάξης Lamniformes, τα οποία είχαν προηγουμένως εξεταστεί με παραδοσιακές μορφομετρικές μεθόδους. Ο στόχος της παρούσας μελέτης είναι να κατανοήσουμε αν η γεωμετρική μορφομετρία και η παραδοσιακή μορφομετρία, όταν εφαρμόζονται στο ίδιο σύνολο δεδομένων απομονωμένων δοντιών καρχαριών, είναι εξίσου αξιόπιστες στην υποστήριξη προϋπάρχουσας ποιοτικής ταξινομικής ταυτοποίησης και, αν ναι, ποια μέθοδος είναι πιο αποτελεσματική. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η γεωμετρική μορφομετρία αποκαθιστά την ίδια ταξινομική διαχωριστική ικανότητα που εντοπίζεται από την παραδοσιακή μορφομετρία, ενώ ταυτόχρονα συλλαμβάνει επιπλέον μεταβλητές σχήματος που οι παραδοσιακές μέθοδοι δεν εξέτασαν. Κατά συνέπεια, η γεωμετρική μορφομετρία παρέχει μεγαλύτερη ποσότητα πληροφοριών σχετικά με τη μορφολογία του δοντιού, αντιπροσωπεύοντας ένα ισχυρό εργαλείο για την υποστήριξη της ταξινομικής ταυτοποίησης απομονωμένων απολιθωμένων δοντιών καρχαριών.
Λέξεις-κλειδιά: lamniform sharks, απολιθωμένα δόντια, γεωμετρική μορφομετρία, παραδοσιακή μορφομετρία, ταξονομία
Translator: Evangelos Vlachos
Italiano
La morfometria geometrica come strumento per supportare l'identificazione tassonomica in paleontologia: Un confronto con la morfometria tradizionale nello studio di denti isolati di squali fossili
I denti isolati di elasmobranchi sono estremamente abbondanti nel record fossile. Tuttavia, l'identificazione tassonomica basata unicamente sui caratteri qualitativi potrebbe portare a risultati errati poiché diversi taxa potrebbero presentare morfologie simili, rendendo difficile l'individuazione di differenze morfologiche significative. Come valido supporto all'identificazione tassonomica qualitativa, un numero crescente di studi ha proposto di integrare le caratteristiche qualitative con approcci quantitativi, che includono sia la morfometria tradizionale che la morfometria geometrica. Questi metodi sono particolarmente efficaci nell'individuare minime differenze morfologiche che vengono spesso trascurate dalle analisi puramente qualitative. Per valutare se gli approcci di morfometria tradizionale e di morfometria geometrica possano supportare in modo affidabile le identificazioni tassonomiche qualitative, utilizzando la morfometria geometrica abbiamo esaminato un campione di denti isolati di squali lamniformi attuali e fossili precedentemente studiati utilizzando approcci di morfometria tradizionale. L'obiettivo di questo studio è quello di comprendere se la morfometria geometrica e la morfometria tradizionale, quando applicate sullo stesso dataset di denti isolati di squali, siano ugualmente affidabili nel supportare le identificazioni tassonomiche qualitative condotte a priori e, in caso affermativo, quale approccio sia più efficace. I nostri risultati mostrano che la morfometria geometrica individua la stessa separazione tassonomica identificata dalla morfometria tradizionale, catturando allo stesso tempo ulteriori variabili di forma che i metodi tradizionali non hanno considerato. Di conseguenza, la morfometria geometrica fornisce una maggiore quantità di informazioni sulla morfologia dei denti, rappresentando un potente strumento per supportare l'identificazione tassonomica dei denti isolati di squali fossili.
Keywords: squali lamniformi; denti fossili; morfometria geometrica; morfometria tradizionale; tassonomia
Translator: Authors
Polski
In progress
Translator: Krzysztof Stefaniak
Russian
Геометрическая морфометрия как инструмент поддержки таксономической идентификации в палеонтологии: сравнение с традиционной морфометрией при изучении изолированных ископаемых зубов акул
Изолированные зубы пластиножаберных рыб хорошо представлены в палеонтологической летописи. Вместе с тем, таксономическая идентификация, основанная исключительно на качественных признаках, может привести к ошибочным результатам, поскольку несколько таксонов могут демонстрировать подобную морфологию, что затрудняет выявление значительных морфологических различий. Как веское подтверждение качественной таксономической идентификации, все большее количество исследований предлагает дополнять качественные признаки количественными подходами, включая как традиционные, так и методы геометрической морфометрии. Эти методы особенно эффективны для выявления минимальных морфологических различий, часто не замечаемых в рамках чисто качественного анализа. Чтобы оценить, могут ли традиционные и новые подходы надежно поддерживать качественные таксономические определения, мы, с помощью геометрической морфометрии, исследовали выборку изолированных зубов рецентных и ископаемых ламнообразных акул, ранее исследовавшихся с помощью традиционных морфометрических подходов. Целью этого исследования является понять, являются ли геометрическая и традиционная морфометрия, применяемые к одному и тому же набору изолированных зубов, одинаково надежными для поддержки априорных качественных таксономических идентификаций, и если да, то какой подход более эффективен. Наши результаты показывают, что геометрическая морфометрия восстанавливает то же самое таксономическое разделение, определенное традиционной морфометрией, а также фиксирует дополнительные формы изменчивости, которые не были учтены традиционными методами. Таким образом, геометрическая морфометрия предоставляет больший объем информации о морфологии зубов, являющейся мощным инструментом для поддержания таксономической идентификации изолированных зубов ископаемых акул.
Ключевые слова: ламнообразные акулы; ископаемые зубы; геометрическая морфометрия; традиционная морфометрия; таксономия
Translator: Leonid Voyta
Ukrainian
Геометрична морфометрія як інструмент для підтримки таксономічної ідентифікації у палеонтології: порівняння з традиційною морфометрією при вивченні ізольованих викопних зубів акул
Ізольовані зуби пластинозяберних риб добре представлені у палеонтологічному літописі. Разом з тим таксономічна ідентифікація, що ґрунтується виключно на якісних ознаках, може призвести до помилкових результатів, оскільки кілька таксонів можуть демонструвати подібну морфологію, що ускладнює виявлення значних морфологічних відмінностей. Як вагоме підтвердження якісної таксономічної ідентифікації, все більша кількість досліджень пропонує доповнювати якісні ознаки кількісними підходами, включаючи як традиційні, так і методи геометричної морфометрії. Ці методи особливо ефективні для виявлення мінімальних морфологічних відмінностей, які часто не помічаються у рамках суто якісного аналізу. Щоб оцінити, чи можуть традиційні та нові підходи надійно підтримувати якісні таксономічні ідентифікації, за допомогою геометричної морфометрії ми дослідили вибірку ізольованих зубів рецентних і викопних ламіноподібних акул, які раніше досліджувалися за допомогою традиційних морфометричних підходів. Метою цього дослідження є зрозуміти, чи є геометрична морфометрія та традиційна морфометрія, застосовувані до одного й того ж набору ізольованих зубів, однаково надійними для підтримки апріорних якісних таксономічних ідентифікацій, і якщо так, то який підхід є ефективнішим. Наші результати показують, що геометрична морфометрія відновлює те саме таксономічне розділення, визначене традиційною морфометрією, а також фіксує додаткові форми мінливості, які не були враховані традиційними методами. Таким чином, геометрична морфометрія надає більший обсяг інформації про морфологію зубів, що є потужним інструментом для підтримки таксономічної ідентифікації ізольованих зубів викопних акул.
Ключові слова: ламноподібні акули; викопні зуби; геометрична морфометрія; традиційна морфометрія; таксономія.
Translator: Oleksandr Kovalchuk
