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Descubriendo los secretos de nuestro pasado pleistoceno
El análisis estadístico ayuda a los paleontólogos a descubrir nuevas verdades sobre la megafauna de la Edad del Hielo
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Desafío: Examine los datos de una colección de casi 5 millones de especímenes para aprender cómo los eventos climáticos influyen en la microevolución de las especies en la Tierra.
Solución: Utilice modelos estadísticos para encontrar valores atípicos en el conjunto de datos que deben volver a medirse y reclasificarse. La visualización dinámica de datos en el software de descubrimiento estadístico JMP® ayuda a los paleontólogos a detectar rápidamente anomalías que, si no se corrigen, podrían amenazar la integridad de los resultados.
Resultados: “La capacidad de interactuar con sus datos, explorar áreas problemáticas en una visualización y etiquetarlas, lo ayuda a mirar hacia atrás en la muestra y asegurarse de que los datos sean realmente correctos”, dice la paleontóloga Sherri Gust. "Todas estas características de JMP son increíblemente valiosas para esta etapa de la investigación".
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Durante decenas de miles de años, los depósitos de asfalto subterráneos naturales se han filtrado a la superficie, creando sumideros temporales de alquitrán con el poder de atrapar a cualquier criatura que se acerque demasiado. Desde entonces, estos sitios naturales se han convertido en un cementerio de especies ahora extintas cuyos huesos se hundieron profundamente en el depósito donde el petróleo pesado de los pozos los conservó desde los albores del último período glacial hasta la actualidad.
El valor científico de estos depósitos fue ampliamente reconocido cuando comenzaron las excavaciones en 1901 en el Rancho La Brea Tar Pits en lo que hoy es el centro urbano de Los Ángeles. Desde entonces, los arqueólogos en el sitio han acumulado la colección más grande del mundo de fósiles asfálticos del Pleistoceno tardío, incluidos ejemplos impresionantes de megafauna ahora extinta: mamuts, perezosos gigantes y gatos dientes de sable entre ellos. Con entre 3,5 y 5 millones de especímenes que abarcan los últimos 50.000 años, esta colección es quizás uno de los recursos más completos con los que cuentan los científicos para ayudar a reconstruir un retrato no solo de la flora y fauna de la Edad del Hielo, sino también de los principales eventos geológicos y climáticos del período.
Buscando en el registro fósil información sobre el cambio climático
Algunas de las cuestiones de investigación más importantes en el campo de la paleontología tratan hoy sobre las consecuencias microevolutivas del cambio climático. Como resultado de una mutación, selección, flujo de genes o deriva genética, la microevolución es cualquier cambio en la frecuencia de un rasgo que aparece en una población durante un período relativamente corto. Los científicos ahora plantean la hipótesis de que el cambio climático no solo puede interferir con los aspectos abióticos y bióticos de la selección, sino que también podría tener un impacto en la magnitud de factores no selectivos como la variación genética.
Al mapear los datos de fisiología de las especies del registro fósil a una línea de tiempo de eventos climáticos conocidos, los científicos esperan ver cómo el clima puede correlacionarse con las microevoluciones que observan dentro de una población determinada. Para ello, recurren a colecciones como la de La Brea, donde cada ejemplar puede ser medido minuciosamente, fechado por radiocarbono y catalogado según una larga lista de características e identificadores.
Jaw bones from the Tar Pits collectionHuesos de la mandíbula de la colección Tar Pits “Para observar realmente el cambio climático, no solo debe observar los cambios en las especies a lo largo del tiempo, sino que también debe diferenciar el cambio inducido por el clima del cambio aleatorio”, explica la paleontóloga Sherri Gust, investigadora asociada de Paleontología de Vertebrados y Rancho La Departamentos de Brea del Museo de Historia Natural del Condado de Los Ángeles.
Gust, quien también es fundador y paleontólogo principal de la empresa de gestión de recursos, Cogstone, señala que los investigadores esperan una variación fisiológica dentro de cualquier muestra debido a factores como la edad y el sexo; por ejemplo, es probable que un recién nacido sea mucho más pequeño que un adulto adulto. Pero si bien puede ser relativamente fácil tener en cuenta estos factores en estudios que involucran poblaciones de animales vivos (donde las observaciones de los investigadores en el campo les ayudan a identificar claramente el sexo y la edad al momento de la muerte), hacer estas determinaciones se vuelve mucho más difícil en los especímenes recolectados de La Brea. .
Archeological dig site at La Brea Tar Pits Sitio de excavación arqueológica en La Brea Tar Pits
Los fenómenos geológicos naturales que preservaron los huesos excavados en La Brea, explica Gust, estratificaron los esqueletos a lo largo del depósito y su ADN se degradó con el tiempo. Por lo tanto, puede ser una tarea onerosa determinar no solo el sexo y la edad de un animal en el momento de la muerte, sino también la especie y el período de tiempo en el que vivió el animal. Si bien las innovaciones tecnológicas modernas permiten a Gust y sus colegas realizar estas identificaciones con mayor precisión, el desafío adicional de la colección La Brea es que muchos de sus 5 millones de huesos individuales se midieron y catalogaron hace casi un siglo antes del advenimiento de esta tecnología.
Poniendo un mito a descansar
El más prolífico de los animales del Pleistoceno tardío descubierto en La Brea Tar Pits es el lobo terrible, Canis dirus , un ancestro carnívoro del lobo gris moderno, Canis lupus, que una vez vagó por una vasta franja de tierra en América del Norte. Ahora extinta, los científicos creen que la especie alcanzó su final evolutivo hace aproximadamente 9.500 años. Con más de 4.000 individuos de lobo terrible representados en las colecciones de La Brea, la especie se ha convertido en un actor clave en la investigación global del Pleistoceno de América del Norte.
La Brea's del perro Sin embargo, la colección contiene algunos de los primeros especímenes que los arqueólogos catalogaron en el sitio a principios de los años 20. th siglo. Los datos registrados de cada espécimen en este momento probablemente se vieron afectados no solo por la falta de precisión tecnológica, sino también por la idea ahora desacreditada de que el lobo terrible era mucho más grande que su contraparte moderna. Esta caracterización errónea, explica Gust, puede haberse originado, e incluso perpetuada, una mitología que rodea a los lobos terribles: la de un gigante amenazador y temible. Aunque no es raro leer que los lobos terribles son entre un 8% y un 25% más grandes que los lobos modernos, dice, esto no es cierto: los científicos ahora saben que los lobos terribles adultos, como sus contrapartes modernas, pesaban alrededor de 150 libras.
Pero el predominio de tales conceptos erróneos llevó a 20 th arqueólogos del siglo para caracterizar esqueletos más grandes Canis dirus y esqueletos más pequeños Canis lupus . Como resultado, explica Gust, es probable que algunos especímenes en La Brea estén mal etiquetados. “Los científicos originales aquí en La Brea hace casi cien años estaban trabajando con tamaños de muestra muy pequeños”, dice ella. “No tenían la variación en sus datos que les hubiera permitido ser mucho más claros. Y no tenían acceso a una muestra de datos de lobos grises [para comparar las muestras de lobo terrible] ".
“Como investigador, debe tener los criterios correctos e identificar las muestras por sí mismo para que sepa que lo que está diciendo en los hallazgos de su investigación es realmente correcto”, dice Gust. Pero con una colección tan enorme y un tiempo y recursos limitados, no es práctico para los investigadores volver a medir y volver a registrar cada espécimen en el conjunto de datos.
Es por eso que Gust está utilizando un enfoque estadístico en el software JMP® para identificar valores atípicos. “Una de las primeras cosas que hacen la mayoría de los estadísticos es observar la distribución de sus datos”, explica, señalando una visualización de datos con una curva de campana inclinada. Gust está mirando un conjunto de datos de longitud de la mandíbula, notando valores atípicos en los pequeños picos y protuberancias en el ajuste. Cuando detecta un pico inesperado, primero mira los datos para ver si hay una explicación; tal vez este espécimen deba volver a medirse.
Tomarse el tiempo para verificar la calidad de su muestra de datos subyacente, dice, conduce a resultados más precisos, incluso si esos resultados pueden llevar solo a más preguntas. “Con las estadísticas, ahora tenemos la oportunidad de plasmar en forma impresa los criterios para ser un Canis dirus versus un Canis lupus . Anteriormente, eso realmente no existía ”, explica.
Dientes y uñas
Parte de la información más valiosa recopilada de cualquier espécimen de lobo se encuentra en la mandíbula. “Debido a que el hueso es un tejido tan sensible, cuanta más presión se ejerza sobre él, más grueso debe ser el hueso”, explica Gust. Al tomar 3 mediciones de la profundidad del esmalte: el segundo molar hasta la parte inferior de la mandíbula, el cuarto premolar y la longitud de la mandíbula en sí, ella y su equipo obtienen más información sobre la edad del animal en el momento de su muerte. También puede observar las cicatrices, las crestas y las crenulaciones de los músculos para comprender mejor; los animales más viejos tendrán una mayor diferenciación, mientras que los animales más jóvenes tendrán huesos más suaves. Todas estas características ayudan al equipo de Gust a desarrollar una secuencia de edades y definir la estadificación por edades para cada muestra.
Otra opción es la datación por radiocarbono, una técnica que mide el grado de desintegración por radiocarbono para determinar el tiempo que ha pasado desde la muerte de un animal; cuanto más antigua sea la muestra, menos isótopo radiactivo se detectará. Debido a que el método requiere un análisis destructivo, explica Gust, los técnicos de La Brea utilizan imágenes 3D y una impresora 3D para crear una réplica, de modo que se pueda perforar la muestra real sin perder el registro físico.
Después de reclasificar los valores atípicos en el Canis dirus datos, Gust luego analiza conjuntos de datos de sexo conocido de organizaciones como Yellowstone Wolf Project y Parks Canada. “Ahora podemos comparar las dos [especies] y el resultado es muy interesante”, dice, y explica que en el momento en que graficó los dos conjuntos de datos juntos en JMP, notó algo sorprendente. 
“Saqué todos los datos, los miré y dije 'guau, ¿por qué es así?' No esperaba que ningún ejemplar de Yellowstone estuviera en el medio del rango de los lobos terribles. Pero de eso se trata JMP, ¿verdad? Descubriendo lo inesperado ".
Corriendo por las madrigueras del conejo con exploración de datos en JMP
Desde que aprendió por primera vez sobre JMP hace varios años, Gust ha utilizado el software para crear visualizaciones interactivas donde los valores atípicos se vuelven visualmente evidentes. Y con la interfaz dinámica de la herramienta, puede interactuar con las distribuciones de datos. "Me encanta JMP", dice Gust. “Ha sido una herramienta maravillosa para analizar estos cambios y tratar de averiguar qué está sucediendo en los datos. La interactividad es una de mis cosas favoritas; puedes decir: "Me gustaría explorar eso más". Y puedes correr por las madrigueras de los conejos muy fácilmente con JMP, lo cual es algo maravilloso de poder hacer ".
Una de las características que ayuda con esta exploración, dice Gust, es la capacidad de adjuntar fotos de muestras y especificaciones a cada punto de datos en una visualización, o incluso usar el número de muestra en lugar de un punto. Demostrando una distribución de los datos de la mandíbula, Gust coloca el cursor sobre uno de los valores atípicos cuando aparece una foto. “Tener estas fotos es realmente útil porque si, por ejemplo, me hubiera olvidado de medir un diente, todo lo que tendría que hacer es recuperar esta foto en [nuestro software de medición] y actualizar la medición. Esa ha sido una parte importante de nuestro proceso de verificación de datos ”, dice.
“La capacidad de interactuar con sus datos, explorar áreas problemáticas en una visualización y etiquetarlas, lo ayuda a mirar hacia atrás en la muestra y asegurarse de que los datos sean realmente correctos. Todas estas características en JMP son increíblemente valiosas para esta etapa de la investigación, cuando está tratando de averiguar cuál es la variación. Y averigüe la fuente de la variación que estamos viendo en estos gráficos ".
A medida que avanza su investigación, las posibilidades son infinitas y Gust está explorando qué más puede hacer para utilizar los datos comparativos. Por ejemplo, dice, los datos de individuos de Yellowstone de sexo conocido (cuyo sexo se puede determinar mediante muestreo de ADN) se pueden utilizar para clasificar las incógnitas mediante una función discriminante. Los resultados podrían transformar el pensamiento de los científicos sobre cómo el tamaño está (o no) correlacionado con el sexo y la edad.
