Femoral functional adaptation: a comparison between hunter gatherers and farmers using geometric morphometrics / Adaptación funcional del fémur: una comparación entre cazadores-recolectores y agricultores usando morfometría geométrica

ABSTRACT

The transition from hunting and gathering to agriculture has been associated with a gracilization in human form, especially in long bones. This has been interpreted as result of an increasingly sedentary lifestyle and reduced workload in the farming populations. However the majority of these evidences have been based on the application of different biomechanical techniques or the qualitative assessment of distinct morphological traits on attachment sites. Hence, this study tried to address whether is possible to distinguish between two different populations (hunter-gatherers and farmers) by quantifying their femoral morphology applying geometric morphometrics. We compared 16 male left femora belonging to two populations of Native Americans from the same geographic region, yet temporally and behaviorally distinct, in order to test if geometric morphometrics were able to differentiate these based solely on the quantitative analysis of shape. The femora were scanned and then small portions of them were segmented in order to generate comparable 3D models. Hundred twelve equidistant landmarks were collected over the whole femoral sections and a Procrustes analysis was performed in order to obtain shape variables. Several PCAs were carried out to elucidate morphometric associations and cross-validated DAs were applied to distinguish between hunter-gatherers and farmers. These procedures were sequentially repeated using different landmarks subsets in order to try to establish the anatomical locations where bone functional adaptation mostly occurs a) femoral cortex; b) medullary cavity; c) complete femoral section. The results here presented, showed that geometric morphometrics were able to distinguish between the two distinct lifestyles. Moreover, the contrasting results obtained from the analysis of the femoral cortex and the medullary cavity, suggest that long bone remodelling caused by lifestyle differences, mostly occurs on the outer surface of the femoral shaft. This study also showed a relative gracilization of the farmer as compared to the hunter-gatherers.

RESUMEN

La transición desde la caza y la recolección a la agricultura ha sido asociada con una gracilización en la forma humana, especialmente en los huesos largos. Esto ha sido interpretado como resultado de un estilo de vida más sedentario y con menor carga de trabajo en las poblaciones agricultoras. Sin embargo, la mayoría de estas evidencias se han basado en técnicas biomecánicas o en la evaluación cualitativa de rasgos morfológicos en los sitios de inserción muscular. Este estudio intentó distinguir entre dos poblaciones diferentes (cazadores-recolectores y agricultores) mediante la cuantificación de su morfología femoral aplicando morfometría geométrica. Dieciséis fémures masculinos pertenecientes a dos poblaciones nativo americanas de la misma región geográfica, aunque temporal y conductualmente diferentes, fueron comparadas con la finalidad de probar si la morfometría geométrica era capaz de distinguirlas. Los fémures fueron escaneados y pequeñas porciones fueron segmentadas para generar modelos 3D. Se colectaron 112 hitos equidistantes sobre toda la superficie femoral y luego se realizó un análisis de Procusto para obtener variables de la forma. Diversos análisis de componentes principales se llevaron a cabo para establecer asociaciones morfométricas, así como también análisis discriminantes con validación cruzada para distinguir entre cazadores-recolectores y agricultores. Estos procedimientos fueron repetidos utilizando diferentes subconjuntos de hitos para establecer donde ocurre mayoritariamente la adaptación funcional del hueso a) corteza femoral; b) cavidad medular; c) sección femoral completa. Los resultados aquí presentados mostraron que la morfometría geométrica permite distinguir entre ambos modos de vida. Además, los contrastantes resultados obtenidos del análisis de la corteza femoral y cavidad medular, sugieren que el remodelamiento óseo debido a diferentes estilos de vida ocurren mayoritariamente en la superficie de la diáfisis del fémur. Este estudio también mostró una relativa gracilización de la población agricultora al ser comparada con los cazadores-recolectores.