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Morphological Covariance and Onset of Foot Prehensility as Indicators of Integrated Evolutionary Dynamics in the Herons (Ardeidae)

2023; Oxford University Press; Volume: 5; Issue: 1 Linguagem: Inglês

10.1093/iob/obad010

2517-4843

Mark Riegner, Ronald D. Bassar,

Paleontology and Evolutionary Biology

The ultimate form an organism attains is based, in part, on the rate and timing of developmental trajectories and on compensatory relationships between morphological traits. For example, there is often an inverse correlation between the relative size of an organism's head and the length of its legs. Avian examples with a disproportionately small head and long legs include ostriches (Struthionidae), flamingos (Phoenicopteridae), cranes (Gruidae), and stilts (Recurvirostridae). To determine whether a possible compensatory relationship exists between relative head size and hind-limb length in a typically long-legged family of birds-the Ardeidae-we measured and analyzed skull dimensions (length, width, and height of cranium, and bill length) and skeletal hind-limb dimensions (femur, tibiotarsus, and tarsometatarsus) of the 12 North American species (north of Mexico) and of 12 additional taxa, including the morphologically divergent Agamia and Cochlearius. We found that Ardea species exhibit the smallest relative head sizes associated with the longest legs, while Butorides, Nycticorax, Nyctanassa, and Cochlearius have among the largest heads relative to hind-limb length. Furthermore, both positive and negative allometries occur in paired comparisons between the three hind-limb bones, expressed in tall morphotypes having disproportionately short femurs while short-legged morphotypes exhibit disproportionately long femurs; we show that this relationship has implications for foraging behavior. Moreover, the nestlings of short-legged herons exhibit functional precociality of the hind limbs through an early onset of prehensile ability of the feet to grasp branches, which is later expressed in adult foraging mode. This developmentally accelerated prehensile function in small-bodied species may be attributed, in part, to selection for predator avoidance in the early nestling stage.Resumen [Spanish]La forma final que determina a un organismo esta basada, en parte, por la velocidad y los tiempos de las trayectorias dentro de su desarrollo biológico, asi como en las relaciones compensatorias entre los rasgos morfológicos. Por ejemplo, a menudo existe una correlación inversa entre el tamaño de la cabeza de un organismo en relacion a la longitud de sus patas. Entre algunos ejemplos de aves con cabeza desproporcionadamente pequeña y patas largas se incluyen a las avestruces (Struthionidae), los flamencos (Phoenicopteridae), las grullas (Gruidae) y las cigüeñuelas (Recurvirostridae). Para determinar si existe una posible relación compensatoria entre el tamaño de la cabeza y la longitud de las extremidades traseras en una familia de aves típicas de patas largas—las Ardeidae—medimos y analizamos las dimensiones del cráneo (la longitud, el ancho y la altura), la longitud del pico, asi como las dimensiones esqueléticas de las extremidades posteriores (el fémur, el tibiotarso y el tarsometatarso). Estas medidas fueron aplicadas a las 12 especies de America del Norte (excluyendo a México) y de 12 especies adicionales, incluyendo a morfológicamente divergentes como lo son los Agamia y Cochlearius. Descubrimos que las especies de Ardea que exhiben los tamaños de cabeza más pequeños estan asociados con las patas más largas. Por el contrario, las especies de Butorides, Nycticorax, Nyctanassa y Cochlearius presentan cabezas más grandes en relación a la longitud de las patas traseras. Asimismo, las alometrías tanto positivas como negativas se presentan en comparaciones pareadas entre los tres huesos de las extremidades posteriores, expresadas en morfotipos altos con fémures desproporcionadamente cortos. Por el contrario, los morfotipos de patas cortas exhiben fémures desproporcionadamente largos, con lo cual mostramos que esta relación contiene implicaciones para el comportamiento en la búsqueda de alimento. Adicionalmente, los polluelos de garzas de patas cortas exhiben una precocidad funcional en las patas traseras a través de un desarollo biologico prematuro en la capacidad prensil de los pies para sujetar las ramas, que posteriormente se expresa en el modo de forrajeo del adulto. Esta capacidad prensil acelerada en especies de cuerpo pequeño, se puede atribuir, en parte, a la selección para evitar a depredadores en esta temprana etapa del desarrollo biologico de la cría.Kurzfassung [German]Die endgültige Form, die ein Organismus erreicht, basiert zum Teil auf der Geschwindigkeit und dem zeitlichen Ablauf von Entwicklungsbahnen sowie auf kompensatorischen Beziehungen zwischen morphologischen Merkmalen. Beispielsweise besteht oft eine umgekehrte Korrelation zwischen der relativen Größe des Kopfes eines Organismus und der Länge seiner Beine. Vogelbeispiele mit einem unverhältnismäßig kleinen Kopf und langen Beinen sind Strauße (Struthionidae), Flamingos (Phoenicopteridae), Kraniche (Gruidae) und Stelzen (Recurvirostridae). Um festzustellen, ob bei einer typisch langbeinigen Vogelfamilie—den Ardeidae—eine mögliche kompensatorische Beziehung zwischen der relativen Kopfgröße und der Länge der Hinterbeine besteht, haben wir die Schädelabmessungen (Länge, Breite und Höhe des Schädels und die Schnabellänge) sowie die Skelettmaße der Hinterbeine (Femur, Tibiotarsus und Tarsometatarsus) der 12 nordamerikanischen Arten (nördlich von Mexiko) und von 12 weiteren Taxa, einschließlich der morphologisch abweichenden Agamia und Cochlearius, gemessen und analysiert. Wir fanden heraus, dass Ardea-Arten die kleinsten relativen Kopfgrößen in Verbindung mit den längsten Beinen aufweisen, während Butorides, Nycticorax, Nyctanassa und Cochlearius die größten Köpfe relativ zur Länge der Hinterbeine haben. Darüber hinaus treten sowohl positive als auch negative Allometrien bei paarweisen Vergleichen zwischen den drei Hintergliedmaßenknochen auf, wobei hochbeinige Morphotypen überproportional kurze Oberschenkelknochen aufweisen, während kurzbeinige Morphotypen überproportional lange Oberschenkelknochen haben. Wir zeigen, dass diese Beziehung Auswirkungen auf das Futtersuchverhalten hat. Darüber hinaus weisen die Nestlinge von kurzbeinigen Reihern eine funktionelle Frühreife der hinteren Gliedmaßen auf, indem die Füße schon früh Äste ergreifen können, was später bei der Futtersuche der Erwachsenen zum Ausdruck kommt. Diese in der Entwicklung beschleunigte Greiffunktion bei Arten mit kleinem Körper kann teilweise auf die Selektion zur Vermeidung von Raubtieren im frühen Nestlingsstadium zurückgeführt werden.