天生如此：灵长类动物围产期肢体骨骼形态的差异是否能预测其成年后的运动能力？

《The Anatomical Record》：Born this way: Does variation in perinatal limb bone morphology predict adult locomotor repertoire in primates?

　　摘要

灵长类动物展现出高度多样的运动方式，这导致了它们的肢体骨骼横截面几何形状和弯曲强度的相似变化：善于跳跃的灵长类动物后肢骨骼更强壮，而善于悬荡的物种前肢骨骼更强壮。先前的研究认为，这种肢体骨骼特性的差异是由于出生后生活中骨骼受到的负荷不同所致。我们调查了这种肢体骨骼的变化是否在发育过程中就被决定了，也就是说，出生时前肢与后肢骨骼强度的可预测差异就已经存在。我们的婴儿样本包括了17种灵长类动物（包括弯曲尾猴、猴子和猿）以及一种树鼩，这些动物具有多种不同的运动方式，包括跳跃、臂行和习惯性的四足行走。我们测试了两个成年动物体位行为的基准指标——跳跃频率和臂间指数（IMI；跳跃动物的IMI通常小于100，而悬荡灵长类的IMI通常大于100）——能否预测出生前后肢体骨骼长度（例如IMI）、横截面抗弯曲能力和材料硬度的差异。正如预测的那样，我们发现出生前的IMI和前肢与后肢骨骼横截面几何形状的比例随着成年后跳跃频率的增加而显著降低，并随着成年IMI的增加而增加。成年体位行为对前肢与后肢骨骼材料硬度比例的影响则更为复杂，尽管我们发现成年后更频繁跳跃的灵长类动物其婴儿时期的股骨相对更硬。因此，之前记录的一些成年灵长类动物肢体骨骼强度的差异必须在发育过程中就已经被决定了，而这远早于出生后骨骼负荷发生显著变化的时间。

1. 引言

灵长类动物主要以树栖生活方式为主，它们在物种内部和物种之间都表现出高度多样的运动方式（Fleagle, 2013; Granatosky, 2018; Granatosky & Young, 2023; Schmitt et al., 2016）。尽管四足行走是大多数灵长类动物的主要运动方式（Rose, 1973），但许多物种还会采用其他运动策略来适应复杂的树栖环境，从跳跃和蹦跃到攀爬和悬挂移动以及臂行（Hunt et al., 1996）。这些多样的运动方式导致了灵长类动物肌肉骨骼系统在运动过程中必须产生和承受的力也有所不同。对弯曲尾猴（Demes & Jungers, 1993; Terranova, 1995）、平鼻猴（Connour et al., 2000）和窄鼻猴（Ruff, 2002; Ruff et al., 2019; Schaffler et al., 1985）的肢体骨骼横截面几何形状的研究发现，主要的运动方式与物种间前肢和后肢骨骼强度的差异密切相关（例如，面积二阶矩的比例以及其他反映弯曲强度/刚度的几何参数）。具体来说，这些研究表明，善于跳跃的灵长类动物通常具有相对更强的股骨和胫骨，而善于悬荡的灵长类动物通常具有相对更强的肱骨、桡骨和尺骨，而四足行走的灵长类动物则介于两者之间。先前的研究主要将这些前肢与后肢骨骼强度比例的差异解释为出生后生活中骨骼负荷变化的结果（Connour et al., 2000; Ruff et al., 2019; Terranova, 1995）。根据这一假设，跳跃会对后肢施加更大的负荷，因此需要在新形成的骨干中增加骨组织来减轻骨骼应力并降低骨折风险（即保持安全系数）。同样，悬荡运动（灵长类动物主要通过双手进行，尽管有些物种也会在树枝下方进行四足行走，类似于树懒（Granatosky & Schmitt, 2019; Granatosky & Young, 2023））会对前肢骨骼施加更大的负荷（Swartz et al., 1989），也需要在新形成的骨干中增加骨组织来保持安全系数。最后，四足行走同时作用于前肢和后肢（尽管强度不一定相等：Kimura, 1992; Demes et al., 1994; Hanna et al., 2006），这可能减少了前肢或后肢骨组织形成的偏倚。将运动方式的发育变化与出生后肢体骨骼横截面几何形状的变化联系起来的生物发育学研究支持了这样的观点：不同的肢体使用方式会影响前肢与后肢骨骼的沉积。例如，Sum Ruff（2003）和Cowingill与Johnston（2018）发现，在生长中的人类中，随着儿童时期习惯性双足行走和奔跑步态的发展和掌握，股骨相对于肱骨的强度比例会增加（Sutherland et al., 1980）（另见Sumner & Andriacchi, 1996）。相比之下，Ruff（2003）发现狒狒的股骨相对于肱骨的强度比例在整个发育过程中变化不大，反映了它们早期就采用了并且维持了陆地四足行走方式。同样，幼年和少年期的黑猩猩和大猩猩的肱骨相对更为强壮（Ruff et al., 2013; Saers, 2023; Sarringhaus et al., 2016），这与它们早期更频繁的悬挂运动以及后期更频繁的陆地行走相一致（Doran, 1992, 1997; Sarringhaus et al., 2014）。这些研究表明，主要的负荷模式的变化导致了肢体骨骼强度的变化，这与出生后骨骼形状反映出生后负荷环境的假设相符。然而，先前的研究也表明，骨骼形状的某些方面可能在出生前就已经确定了，远早于任何显著的负荷环境差异出现。Young等人（2020）发现，出生前的Coquerel纤尾狐猴（Propithecus coquereli）的股骨比肱骨更强壮，这与成年纤尾狐猴以后肢为主的教学跳跃特征相吻合，尽管新生的P. coquereli直到3-5周大才开始独立移动，并且直到出生后的第二个月才开始跳跃（Eaglen & Boskoff, 1978; Ross & Lehman, 2016）。相比之下，Young等人（2020）发现，出生前的环尾狐猴（Lemur catta）的股骨和肱骨强度测量值在统计上相等，这是一种与P. coquereli密切相关的四足弯曲尾猴。同样，像幼年纤尾狐猴一样，尽管人类婴儿在最初的移动方式（即爬行）中功能上是四足的，他们的股骨也总是相对于肱骨更强壮（Cowgill & Johnston, 2018; Ruff, 2003）。在这些情况中，肢体间骨骼强度的差异似乎预示了成熟运动方式中不同的肢体负荷模式。在这里，我们量化了多种灵长类动物和树鼩的前肢和后肢骨骼形态（即长度和横截面几何形状）以及组织水平的弹性模量（弯曲时的材料硬度）（图1），以测试出生前肢体骨骼形态能否可靠地预测成年后的运动方式。我们特别评估了两个预测：首先，我们预测前肢与后肢骨骼长度的比例、横截面弯曲强度和组织水平的弹性模量将与成年后跳跃频率呈负相关；其次，我们预测这些比例将与成年臂间指数（IMI；计算为肱骨+桡骨长度占股骨+胫骨长度的百分比）呈正相关，IMI是灵长类动物主要运动方式的一个标准形态学指标，其中小于100的值表明倾向于跳跃，大于100的值表明倾向于前肢主导的悬荡或攀爬，大约100的值表明倾向于更习惯性的四足行走。通过考虑我们出生前样本的横截面几何形状和组织水平的弹性模量，我们能够全面评估影响长骨抗弯曲变形的两个主要因素（即骨骼形状和材料属性；参见Turner & Burr, 1993; van der Meulen et al., 2001; Currey, 2002）。

2. 材料与方法

2.1 出生前样本

我们研究了总共50只灵长类动物幼体和1只树鼩的样本（图1）。根据可用性，每个物种我们采样了1-9只个体。总体而言，我们的样本涵盖了多种运动方式，包括专门的跳跃（如Eulemur、Galago、Pithecia和Propithecus）、前肢主导的悬荡（如Hylobates），以及树栖和陆地四足行走（如Lemur、Cebus、Papio和Pan；表1）。表1展示了婴儿灵长类动物和树鼩的比较样本。

表1. 婴儿灵长类动物和树鼩的样本
| 种类 | μCT样本数量 | 弹性模量样本数量 | 主要运动方式 | 成年跳跃频率（%） | 成年IMI | 出生前IMI |
|-------------|---------|-----------|----------------|---------|---------|
| Pithecia pithecia | 1（1 Fx/0 Fr）| 1 | 跳跃 | 72.5 | 75 | 80.1 |
| Propithecus coquereli | 4（4 Fx/0 Fr）| 4 | 跳跃 | 69.9 | 59 | 76.3 |
| Galago moholid | 1（1 Fx/0 Fr）| 1 | 跳跃 | 58.3 | 54 | 56.9 |
| Galago senegalensis| 9（9 Fx/0 Fr）| 6 | 跳跃 | 58.3 | 52 | 66.1 |
| Trachypithecus francoisie| 1（1 Fx/0 Fr）| 1 | 跳跃 | 44.2 | 83 | 90.5 |
| Eulemur mongoz | 1（1 Fx/0 Fr）| 1 | 跳跃 | 37.0 | — | |
| Saguinus oedipus | 4（4 Fx/0 Fr）| 4 | 跳跃 | 35.6 | 90.6 |
| Eulemur coronatus | 2（1 Fx/1 Fr）| 2 | 四足行走 | 30.0 | 75.3 |
| Colobus guereza | 1（0 Fx/1 Fr）| 1 | 四足行走 | 26.3 | 84.8 |
| Lemur catta | 4（4 Fx/0 Fr）| 2 | 四足行走 | 22.0 | 70 | 81.8 |
| Callithrix jacchus | 1（0 Fx/1 Fr）| 1 | 四足行走 | 20.8 | 76 | 87.9 |
| Callithrix penicillata| 1（1 Fx/0 Fr）| 1 | 四足行走 | 20.8 | 76 | 86.7 |
| Saimiri boliviensis| 6（0 Fx/6 Fr）| 6 | 四足行走 | 19.8 | 80 | 86.7 |
| Tupaia belangeri | 6（0 Fx/6 Fr）| 6 | 四足行走 | 18.2 | 72 | 87.8 |
| Hylobates lar | 1（0 Fx/1 Fr）| 1 | 悬荡 | 12.3 | 130 | 118.1 |
| Cebus capucinus | 2（0 Fx/2 Fr）| 2 | 四足行走 | 10.5 | 81 | 92.6 |
| Papio hamadryas | 3（0 Fx/3 Fr）| 3 | 四足行走 | 0.5 | 95 | 97.3 |
| Pan troglodytes | 2（0 Fx/2 Fr）| 2 | 四足行走 | 0.1 | 106 | 108.9 |

注：物种按成年跳跃频率降序排列。除非另有说明，所有跳跃频率数据来自Granatosky（2018），所有关于成年臂间指数（IMI）的数据来自Fleagle（2013），所有关于出生前IMI的数据来自本研究。垂直线后的数字表示每个样本长骨的个体数量；H = 肱骨的数量；R = 桡骨的数量；U = 尺骨的数量；F = 股骨的数量；T = 胫骨的数量。

主要的移动方式根据哪种方式占据了最高频率的移动行为，被分类为跳跃、四足行走或悬垂。

移动数据和成年个体的IMI数据代表Propithecus verreauxi物种，这是一种亲缘关系密切的物种；围产期IMI数据来自Smith等人（2020年）的研究。

两种galago物种的移动数据代表Galago senegalensis，来源于Crompton（1983年）的研究。Galago senegalensis和G. moholi彼此之间关系密切（图1）。

成年个体的IMI数据代表Trachypithecus obscuris物种，这是一种亲缘关系密切的物种。

移动数据代表Saguinus geoffroyi物种，来源于Garber和Sussman（1984年）的研究。

围产期IMI数据来自Smith等人（2020年）的研究。

移动数据来源于Zaluar等人（2014年）的研究。

移动数据代表Callithrix jacchus物种，这是一种亲缘关系密切的物种（图1）。

移动行为数据来源于Granatosky等人（2022年）的研究，成年个体的IMI数据来源于Sargis（2002年）的研究。

移动数据代表Papio anubis物种，这是一种亲缘关系密切的物种。标本来自多个机构，包括杜克大学和杜克狐猴中心（北卡罗来纳州达勒姆）、克利夫兰大都会公园动物园（俄亥俄州克利夫兰）、亚利桑那州立大学人类进化和社会变迁学院的收藏（亚利桑那州坦佩）、新英格兰灵长类动物研究中心（马萨诸塞州索斯伯勒）、Michale E. Keeling比较医学和研究中心（德克萨斯州巴斯托普）以及东北俄亥俄医科大学比较医学部门（俄亥俄州鲁茨敦）。仅包括了因自然原因死亡（例如死产）的圈养动物。所有标本均为围产期（0-7天或体型与已知新生个体相似）或更老的婴儿（30天或更小，且未出现第一磨牙）。根据已发布的灵长类动物运动发育时间表（Smith等人，2020年；Young & Shapiro，2018年），所有婴儿都太年轻，无法进行独立的移动。关于特定物种样本的详细信息，包括可用于微计算机断层扫描（即μCT）的骨骼数量和材料测试的详细分解，见表1。大多数个体（27/50）在死亡后浸泡在10%的中性缓冲福尔马林中，其余的（23/50）则被新鲜冷冻。福尔马林保存可能会影响骨骼材料的性质，通过诱导胶原纤维内和纤维间的交联来增加弹性模量，并从骨基质中去除羟基磷灰石，导致轻微的脱矿和材料强度下降（Currey等人，1995年；Turner & Burr，1993年）。然而，这些效应相对较快地稳定下来，溶液中的弹性模量在30天后变化不大（Kikugawa & Asaka，2004年）。由于本研究中的所有尸体标本都固定时间超过了这个阈值，因此可以认为福尔马林的效应在样本中是一致的，与固定时间无关。此外，因为所有的最终结果指标都是基于个体内部的肢体比率计算的，所以固定时间引入的任何 residual 偏差都在个体层面得到了控制。通过大体解剖，取出了巨头足（肱骨、股骨）和次轴足（桡骨、尺骨、胫骨）的肢体骨骼，并在μCT扫描和材料测试前清洁了组织。使用数字卡尺将骨骼长度测量到最接近的0.01毫米，以计算每个个体的IMI。我们最早的数据收集中的一些strepsirrhines物种没有骨骼长度数据（Young等人，2020年），但在现有文献中大多数物种都有平均围产期IMI数据（例如Smith等人，2020年）。来自固定尸体的骨骼被放回福尔马林中直到测试，而来自新鲜冷冻尸体的骨骼则用浸有磷酸盐缓冲盐水的纱布包裹后重新冷冻，除非它们需要立即进行扫描和测试。对于我们围产期婴儿样本中的每个物种，成年移动时的跳跃频率数据和成年IMI数据均来自文献（表1）。对于大多数物种，跳跃频率数据来源于Granatosky（2018年）对灵长类动物移动多样性的综述。尽管在汇总由不同研究人员进行的多项研究中的位置行为数据时不可避免地会有一定的方法学差异，但在所采样的研究中，“跳跃”通常被定义为一种主要依靠后肢伸展的肌肉驱动的跨间隙行为，频率是基于在多个焦点动物中基于时间或基于事件的移动样本中跳跃行为的普遍程度来计算的。大多数关于成年灵长类动物IMI的数据来源于Fleagle（2013年）。表1中注明了这些资源的例外情况。

2.2 截面几何的测量与分析

通过μCT扫描，评估了我们样本中所有个体的肱骨、桡骨、尺骨、股骨和胫骨的截面几何形状。样本在70 kV下以20.5 μm/体素的分辨率进行μCT扫描，使用的是vivaCT 75μCT扫描仪（Scanco USA, Inc.，宾夕法尼亚州东南部）。每次骨骼扫描都集中在骨干中部，总共扫描了骨骼总长度的10%用于分析。我们选择骨骼的骨干中部是因为这是哺乳动物弯曲应力最大的位置（Biewener & Taylor，1986）。此外，我们使用了一系列位于骨干中部的切片进行测量，而不是单个切片，因为断裂力不太可能仅限于骨干中部的某个精确切片（Doube等人，2009）。然后将截面图像堆栈上传到Fiji（Schindelin等人，2012）中，使用BoneJ插件（Doube等人，2010）进行分析。在BoneJ中，我们使用了“Slice Geometry”子程序来量化极向截面模量（Zpol），这是一种衡量骨骼偏离截面质心的平均分布的指标（即大约是髓腔的中心）。尽管Zpol可以用来量化截面抵抗扭转载荷的能力（Daegling，2002），但它也等于骨骼截面的任意两个正交面积二阶矩之和，因此它有效地总结了多个平面上平均截面抵抗弯曲的能力（Ruff，2003；Young等人，2014；Young等人，2020）。为了量化肢体间的相对截面弯曲强度变化，我们计算了肱骨Zpol相对于股骨Zpol的百分比、桡骨Zpol相对于胫骨Zpol的百分比以及尺骨Zpol相对于胫骨Zpol的百分比。

2.3 弹性模量的测量与分析

前肢骨骼（肱骨、尺骨、桡骨）和后肢骨骼（股骨、胫骨）使用材料测试机进行了三点弯曲测试。我们样本中的大多数骨骼使用Instron ElectroPuls E3000材料测试机进行测试（Instron，马萨诸塞州诺伍德）（图2a）。我们样本中的一些最小骨骼使用专门为量化小鼠和其他小型动物骨骼材料特性而定制的材料测试装置进行测试（Saunders & Donahue，2004）。在每种情况下，骨骼都被固定在弯曲夹具中，并以1.24-2 mm/min的位移速率和10 Hz的数据采集速率进行三点弯曲测试。骨骼在定制的三点弯曲夹具中固定。每个骨骼的支撑跨度都进行了调整，以确保支撑位于近端和远端干骺端。大多数标本在测试过程中没有断裂；因此，在骨骼发生足够变形以量化弹性模量后，测试手动停止。

2.4 围产期标本中长骨弹性模量的测量与分析。(a) 骨骼被放入三点弯曲夹具中，其中移动的钢制十字头以1.24-2 mm/min的速率移动，从而在倚靠在竖直钢支撑上的长骨上产生弯曲应力。这张照片中的婴儿黑猩猩股骨即将接受测试。(b) 婴儿黑猩猩（Pan troglodytes）股骨在三点弯曲测试中的应力-应变曲线示例。测试过程中观察到的应力-应变关系用红色显示。黑色虚线表示用于计算弹性模量的应力-应变的最小二乘线性回归拟合。原始的载荷和位移数据被导入MATLAB（Mathworks，马萨诸塞州纳蒂克）中，使用JWY编写的自定义程序进行分析。首先，变形被转换为应变（?），载荷被转换为应力（σ），使用空心圆柱体的三点弯曲的标准公式（Turner & Burr，1993）：

其中c代表骨骼的骨髓表面到弯曲中性轴的最大距离（以米为单位），d是位移（以米为单位），L是弯曲载荷的力臂（以米为单位；等于弯曲夹具支撑之间的距离），F是弯曲载荷（以牛顿为单位），I是相对于弯曲中性轴的面积二阶矩（以m^4为单位）。c和I都是使用Fiji的BoneJ插件从μCT图像中测量的（如上所述）。理想情况下，c和I应该在垂直于弯曲方向的平面上测量。然而，由于围产期长骨的形状不规则，无法将标本精确放置在弯曲夹具中以确保沿着解剖轴加载。因此，我们计算c为cmin（平行于截面最窄直径测量）和cmax（平行于截面最宽直径测量）的平均值。类似地，我们计算I为Imin和Imax的平均值。然后我们计算弹性模量（即材料硬度），作为应力-应变曲线初始部分的迭代线性最小二乘回归拟合的中位斜率。用于计算这些回归的数据集的下限定义为应力-应变曲线的前10个数据点。回归数据集的上限设置为整个测试过程中记录的极限应力（即峰值）的25%。初步数据探索确定这些参数可以确保得到的回归线可靠地捕捉到材料屈服前的线性（即弹性）部分（图2b）。为了量化肢体间的弹性模量变化，我们计算了肱骨Zpol相对于股骨Zpol的百分比、桡骨Zpol相对于胫骨Zpol的百分比以及尺骨Zpol相对于胫骨Zpol的百分比。

2.4 评估数据集中的系统发育信号

在统计测试研究假设之前，我们首先估计了我们的预测变量（即成年个体的跳跃频率和成年IMI）和响应变量（即围产期IMI、前肢-后肢Zpol比率以及前肢-后肢弹性模量比率）的系统发育信号，考虑到我们样本中各分类单元之间的进化关系可能会影响它们之间的统计独立性。对于系统发育树，我们使用了从VertLife项目（Upham等人，2019；www.vertlife.org）下载的500棵随机样本的最大支系可信度树。我们使用了两个参数来估计这些变量中的系统发育信号：Pagel的λ和Blomberg的K（Kamilar & Cooper，2013）。Pagel的λ是一个缩放参数，用于量化给定特征的系统发育方差-协方差矩阵的非对角线元素与布朗运动模型下的特征进化期望的匹配程度，在这种模型下，两个物种之间的特征相关性应该与它们最后一次共享共同祖先的时间成反比。Pagel的λ值为1.0表示强烈的系统发育信号（符合布朗运动模型），而值为0表示特征独立于系统发育进化，即密切的系统发育亲属之间的相似性并不比远亲更高。与Pagel的λ类似，Blomberg的K量化了相对于布朗运动模型下的物种间特征方差。Blomberg的K值为1表示完美符合布朗运动模型，而K=0表示树梢处的系统发育独立性。我们使用R中的“phytools”包中的“phylosig”函数来估计λ和K的幅度和显著性。

2.5 统计分析

我们通过两种方式测试了我们的主要假设，即围产期肢体形态的差异可以预测成年动物的运动行为范围。首先，我们使用非参数的Kendall's τ相关系数（Sokal & Rohlf, 2011）检验了个体内部四肢比例与成人运动能力指标（即跳跃频率和成人IMI）之间的广义双变量关联。在每种情况下，我们预测前肢与后肢比例与跳跃频率之间存在显著负相关，而前肢与后肢比例与成人IMI之间存在显著正相关。这些测试的分析单位是单个婴儿样本，忽略了物种间的系统发育关系。其次，我们使用系统发育广义最小二乘法（PGLS）回归来检验物种间的围产期四肢比例均值与两个成人运动能力指标之间的双变量关联。在这些测试中，分析单位是单个物种，并通过建模残差误差的方差-协方差结构来明确包括物种间的系统发育关系，以反映系统发育树拓扑结构（图1）。与现代PGLS应用中的标准做法一样，通过估计回归残差的Pagel's λ值来缩放系统发育方差-协方差矩阵（Revell, 2010）。如上所述，Pagel's λ值不显著不同于0表示模型残差中没有系统发育信号，因此可能不需要使用PGLS建模（即PGLS估计值不会偏离普通最小二乘估计值）。所有统计测试都是双尾的，显著性水平为p < 0.05。统计分析是在R统计平台v. 4.5.2 “Part in a Rumble”（R Core Team, 2025）中进行的，包括了ape（Paradis et al., 2004; Paradis & Schliep, 2019）、phangorn（Schliep, 2011）、phytools（Revell, 2012）、readxl（Wickham & Bryan, 2025）和tidyverse（Wickham et al., 2019）等附加包。

**3 结果**

**3.1 系统发育信号**

表2总结了每个预测变量和响应变量的系统发育信号测试结果。Pagel's λ的估计值表明，在四个特征中存在显著的系统发育信号，包括成人IMI、围产期IMI、桡骨-胫骨Zpol比例和肱骨-股骨弹性模量比例。尺骨-胫骨Zpol比例的Pagel's λ接近统计显著性（p = 0.081）。Blomberg's K的估计值表明在六个特征中存在系统发育信号，包括成人跳跃频率、成人IMI、围产期IMI、桡骨-胫骨Zpol比例、尺骨-胫骨Zpol比例和桡骨-胫骨弹性模量比例。最后，肱骨-股骨Zpol比例的Blomberg's K接近统计显著性（p = 0.072）。表2显示了本研究中所有预测变量和响应变量的系统发育信号。

| 特征 | Pagel's λ | p | Blomberg's K | p |
|-----------------|-------------|-----------------|-----------------|-----------------|
| 成人跳跃频率 | 0.315 | 0.149 | 0.350 | 0.009 |
| 成人肢间距指数 | 1.00 | <0.001 | 1.02 | 0.001 |
| 围产期肢间距指数 | 0.920 | <0.001 | 0.551 | 0.007 |
| 肱骨-股骨Zpol比例 | 0.329 | 0.192 | 0.357 | 0.072 |
| 桡骨-胫骨Zpol比例 | 0.999 | 0.039 | 0.510 | 0.004 |
| 尺骨-胫骨Zpol比例 | 0.959 | 0.081 | 0.462 | 0.013 |
| 肱骨-股骨弹性模量比例 | 0.913 | 0.001 | 0.306 | 0.278 |
| 桡骨-胫骨弹性模量比例 | 0.716 | 0.118 | 0.602 | 0.048 |
| 尺骨-胫骨弹性模量比例 | <0.001 | 1.00 | 0.113 | 0.756 |

注释：p值表示参数估计值显著不同于零的概率，其中零表示该特征的分布中没有系统发育信号。粗体文本表示在p < 0.05的水平上具有显著性。

**3.2 围产期肢间距指数**

围产期IMI的个体值在Galago moholi中为56.9，在Hylobates lar中为118.1，大致反映了成熟IMI的变化范围，即Galago senegalensis中的52到H. lar中的130（表1）。非参数的Kendall's τ相关系数表明，个体婴儿的IMI与成人跳跃频率显著负相关（p < 0.001；图3a），并与成人IMI显著正相关（p < 0.001；图3b）。物种均值的PGLS回归也得出了类似的结果，显示围产期IMI与成人跳跃频率之间存在显著负相关（p < 0.05；表3），以及围产期IMI与成人IMI之间存在显著正相关（p < 0.001；表3）。Pagel's λ表明，仅在跳跃频率模型中存在显著的残差误差系统发育信号。图3展示了成人运动能力指标显著预测了灵长类和树鼩的围产期肢间距指数（IMI）。

**3.3 前肢-后肢极截面模量比例**

我们的婴儿样本中，围产期肱骨-股骨Zpol比例的个体值范围从28.5%到191.6%，物种均值范围从56.9%到191.6%。Zygopod比例的峰值始终低于Stylopod比例，桡骨-胫骨Zpol比例的范围从14.4%到131.3%（物种均值范围为14.4%–79.1%），尺骨-胫骨Zpol比例的范围从13.2%到108.5%（物种均值范围为18.4%–69.1%）。非参数的Kendall's τ相关系数表明，在整个婴儿样本中，所有三个前肢-后肢Zpol比例都与成人跳跃频率显著负相关（所有p ≤ 0.026；图4a–c），并与成人IMI显著正相关（所有p ≤ 0.001；图4d–f）。相比之下，物种均值的PGLS回归显示前肢-后肢Zpol比例与成人跳跃频率和成人IMI之间的关系不显著（表3），尽管物种均值桡骨-胫骨Zpol比例与成人IMI之间的正相关接近显著性（p = 0.052）。Pagel's λ对所有前肢-后肢Zpol比例的残差误差的系统发育信号估计值没有显示出显著性。

**3.4 前肢-后肢弹性模量比例**

围产期肱骨-股骨弹性模量的个体值范围从5.5%到149.8%，物种均值也显示出类似的范围（7.8%–149.8%）。在婴儿样本中，非参数的Kendall's τ相关系数表明肱骨-股骨弹性模量比例与成人跳跃频率显著负相关（p < 0.001；图5a），并与成人IMI显著正相关（p < 0.001；图5d）。只有在物种均值的PGLS回归中，这种关系才显著（p < 0.001；表3），尽管Pagel's λ未能在回归的残差误差中检测到系统发育信号。相比之下，在围产期肱骨-股骨弹性模量与成人跳跃频率的回归残差误差中存在显著的系统发育信号。

**4 讨论**

总体而言，我们的假设得到了中等程度的支持，即四肢骨骼强度的差异可以预示成熟运动过程中不同的肢体负荷模式，因此“功能性”的前肢-后肢骨骼形状变化可能是发育上被规范化的，在骨骼负荷的显著个体差异出现之前就已经显现。即使在婴儿灵长类和树鼩中，几个指示成人运动能力的功能指标——包括肢间距指数、尺骨与胫骨的Zpol比例以及肱骨与股骨和桡骨与胫骨的弹性模量比例——也显示出显著的系统发育信号。在我们样本中的婴儿灵长类中，成人跳跃频率和成人IMI成功预测了四肢横截面抗弯强度的差异。那些成年后经常跳跃且后肢相对较长的物种（例如Galago和Colobus）在婴儿时期往往具有相对较大的后肢骨骼截面模量。相比之下，跳跃较少且成年后前肢占主导行为的物种（例如Pan和Hylobates）在出生时往往具有相对较大的前肢骨骼截面模量。同样，以后肢跳跃为主的物种在出生时具有较硬的股骨材料，而以前肢跳跃为主的物种在出生时具有较硬的肱骨材料。系统发育校正减轻了在婴儿中观察到的大多数显著关系。然而，我们有理由认为，PGLS回归中观察到的显著性缺失并不必然否定非系统发育相关分析中记录的广泛生物学趋势的真实性。在使用PGLS进行预测的14个回归中，只有两个案例的残差误差显示出显著的系统发育信号，这由Pagel's λ值显著不同于零来指示（表3）。在残差误差没有显示系统发育信号的情况下（即λ = 0），PGLS回归在数学上等同于普通最小二乘（Model I）回归（Revell, 2010; Symonds & Blomberg, 2014）。因此，我们将表3中列出的PGLS斜率估计值的非显著性更多地解释为统计功效低（即II型错误），而不是系统发育校正本身的问题。由于PGLS回归需要将数据简化为物种均值，这些回归的自由度必然最多减少到16（即18个物种减去2个自由度用于回归截距和斜率）。在某些情况下，由于某些物种的数据缺失或不可用，我们无法计算出感兴趣的结果参数（表1），自由度进一步减少。此外，在所有我们发现Kendall的τ相关性存在显著趋势的情况下，计算出的PGLS线的斜率与该相关性的极性相匹配（即正相关性对应正斜率，负相关性对应负斜率），这加强了我们的假设：非显著性更多反映了统计功效低，而不是缺乏生物信号。基于所有这些原因，下面的讨论集中在使用Kendall的τ相关性结果来评估我们预测的有效性上。

4.1 系统发育信号

无论是Pagel的λ、Blomberg的K还是两者结合，在本研究检查的大多数特征中都显示出了显著的系统发育信号（即9个特征中的7个；表2）。先前关于λ和K在模拟系统发育树中估计系统发育信号的研究表明，这两个指标倾向于相互关联，但并不完全如此，因为它们基于不同的计算方法，这些计算方法考虑了在布朗运动演化模型下的特征方差（Münkemüller等人，2012）。尽管如此，我们的结果表明，婴儿灵长类的肢体骨骼比例在某种程度上是系统发育排序的，即亲缘关系密切的类群即使在开始独立移动之前也倾向于具有相似的四肢比例。系统发育信号在臂长指数（IMI）上尤为明显。Pagel的λ对于成年和婴儿的IMI都非常接近1.0，Blomberg的K对于成年IMI也是如此。总体而言，这些结果表明，我们样本中物种间的四肢比例分布与布朗运动演化过程一致，特别是对于成年个体。Foister和Felice（2021）在最近一项关于成年狭鼻猴IMI变异的研究中计算出了类似的λ值（即0.95）。更广泛地说，O'Neill和Dobson（2008）表明，灵长类动物肱骨和股骨的长度在质量比例上显示出中等强度的（且显著的）系统发育信号（即肱骨长度的K = 0.74，股骨长度的K = 0.47）。灵长类动物四肢比例的强系统发育信号可能反映了系统发育对整体体型大小的类似强烈影响。无论是在灵长类目内还是在（几乎所有）个别灵长类科内，IMI都随着体重的增加而增加（Jungers，1985）。这种一致的IMI正向异速生长很可能是因为无爪树栖动物在垂直攀爬过程中需要保持稳定性所受的生物力学压力（Cartmill，1974；Cartmill，1985；Jungers，1978；Jungers，1985），尽管也存在其他解释，包括小型树栖动物更容易跳跃，而大型物种则更倾向于悬空移动（Fleagle，1985；Graham & Socha，2020；Napier，1967；Rollinson & Martin，1981）。无论原因是什么，下面的讨论都集中在使用Kendall的τ相关性结果来评估我们预测的有效性上。

4.2 臂长指数

我们发现，围产期的IMI与成年运动行为的基准有显著关联，随着成年跳跃频率的增加而减少，随着成年IMI的增加而显著增加。因此，我们的数据证实了先前关于跳跃类人猿（Ravosa等人，1993；Wolf，2016）和四足/悬空类人猿（Lumer，1939）的研究，这些研究发现四肢比例在出生时已经基本固定。因此，正如预测的那样，我们发现围产期的四肢比例似乎预示了成年后的运动需求。然而，虽然婴儿的四肢比例大致跟随成年个体的比例，但应该注意的是，两者并不完全相同（图3c）——婴儿并不只是成年个体的缩小复制品。相反，我们发现围产期IMI对成年IMI的PGLS回归斜率比等同线更平缓，并且y截距更高。这种关系的结果是，实证的缩放趋势在接近100的值附近穿过等同线，即成年IMI < 100的物种往往拥有相对较长的前肢（即IMI大于成年个体），而成年IMI > 100的物种往往拥有相对较长的后肢（即IMI小于成年个体）。因此，所有灵长类动物，从主要依靠后肢跳跃的到主要依靠前肢移动的，在年轻时前肢和后肢的长度更为相似。这一模式与现有的灵长类运动发育数据非常吻合。到目前为止，所有研究的婴儿灵长类动物的初始运动模式都是四足移动，而更专业的运动形式——如跳跃、臂摆和双足移动——只在必要的肌肉骨骼和神经运动成熟后才会出现（Smith等人，2020；Young & Shapiro，2018）。

4.3 横截面维度

与我们预测的一致，我们发现，在婴儿灵长类和树鼩中，四肢横截面决定因素的变异可以预测成年后的运动能力。前肢与后肢的Zpol比率与成年跳跃频率显著负相关，与成年IMI显著正相关（图4）。换句话说，成年后频繁跳跃的后肢主导物种出生时股骨相对较强，而前肢主导且不频繁跳跃的物种出生时肱骨相对较强。现有研究表明，出生时的一些发育机制可以解释这些功能差异。对啮齿类（Klein等人，2002）和灵长类模型（Hansen等人，2009）的研究表明，长骨横截面尺寸的变异是可遗传的，实验室饲养（近交）小鼠的股骨强度遗传率在0.70到0.75之间，而圈养（杂交）狒狒的遗传率在0.36到0.50之间。尽管强烈的遗传性不一定意味着这种可遗传的变异会在出生时就存在，但这些发现确实表明，成年横截面几何形状的某些部分是由独立于环境的遗传机制决定的（即出生后的负载历史）。虽然在对长骨长度的发育调控方面已经取得了很大进展（Cooper，2019；Rolian，2020），但对长骨横截面尺寸的发育生物学研究相对较少。在一定程度上，整体骨骼大小（因此也是宽度）是在肢体芽的间充质前体细胞最初形成软骨原基时决定的（Galea等人，2021）。除了这一最初的骨骼几何形状指定外，实证研究（Sharir等人，2011）和建模方法（van Der Meulen等人，1993）都表明，发育中的骨骼需要定期负载，通常是由子宫内的胎儿活动和内在肌肉活动引起的（尽管母亲和同窝幼崽的外部活动也可能有影响：Nowlan等人，2010），才能获得其特征性的环形横截面。例如，通过研究一种因缺乏骨骼肌肉兴奋-收缩耦合而永久瘫痪的突变小鼠品系的胚胎骨骼生长，Sharir等人（2011）得出结论，如果没有子宫内的定期肌肉负载，长骨将无法形成其特征性的横截面形状。野生型小鼠的股骨横截面通常是椭圆形的，主轴与副轴的比率约为1.5。相反，Sharir等人（2011）研究的mdg突变小鼠的股骨实际上是圆形的，主轴与副轴的比率约为1。这些结果支持这样一个观点：肢骨横截面几何形状是由环境中的加载机制决定的——正如许多关于成年灵长类肢骨形态的研究所主张的（Connour等人，2000；Demes & Jungers，1993；Ruff，2002；Ruff & Runestad，1992）——需要注意的是，其中一些加载发生在运动开始之前的产前阶段。此外，这一发现可能解释了为什么频繁跳跃的灵长类动物出生时后肢相对较强。Atzeva等人（2007）发现，树懒（Bradypus variegatus和Choelepus hoffmani）和树栖灵长类动物——即绿猴（Chlorocebus aethiops）和吼猴（Alouatta caraya）——的弹性模量较低，峰值弯曲强度也较低。总体而言，需要更多的研究来理解灵长类和其他哺乳动物长骨材料特性的多样性及其系统发育分布。

4.2 臂长指数

我们发现，围产期的IMI与成年运动行为的基准有显著关联，随着成年跳跃频率的增加而减少，随着成年IMI的增加而显著增加。因此，我们的数据证实了先前关于跳跃类人猿（Ravosa等人，1993；Wolf，2016）和四足/悬空类人猿（Lumer，1939）的研究，这些研究发现四肢比例在出生时已经基本固定。因此，正如预测的那样，我们发现围产期的四肢比例似乎预示了成年后的运动需求。然而，尽管婴儿的四肢比例大致跟随成年个体的比例，但需要注意两者并不完全相同（图3c）——婴儿并不是父母的缩小复制品。相反，我们发现围产期IMI对成年IMI的PGLS回归斜率比等同线更平缓，并且y截距更高。这种关系的结果是，实证的缩放趋势在接近100的值附近穿过等同线，即成年IMI < 100的物种往往拥有相对较长的前肢（即IMI大于成年个体），而成年IMI > 100的物种往往拥有相对较长的后肢（即IMI小于成年个体）。因此，所有灵长类动物，从主要依靠后肢跳跃的到主要依靠前肢移动的，在年轻时前肢和后肢的长度更为相似。这一模式与现有的灵长类运动发育数据非常吻合。到目前为止，所有研究的婴儿灵长类的初始运动模式都是四足移动，而更专业的运动形式——如跳跃、臂摆和双足移动——只在必要的肌肉骨骼和神经运动成熟之后才会出现（Smith等人，2020；Young & Shapiro，2018）。

4.3 横截面维度

与我们的预测一致，我们发现，在婴儿灵长类和树鼩中，四肢横截面决定因素的变异可以预测成年后的运动能力。前肢与后肢的Zpol比率与成年跳跃频率显著负相关，与成年IMI显著正相关（图4）。换句话说，成年后频繁跳跃的后肢主导物种出生时股骨相对较强，而前肢主导且不频繁跳跃的物种出生时肱骨相对较强。现有研究表明，出生时的一些发育机制可以解释这些功能差异。对啮齿类（Klein等人，2002）和灵长类模型（Hansen等人，2009）的研究表明，长骨横截面尺寸的变异是可遗传的，实验室饲养（近交）小鼠的股骨强度遗传率在0.70到0.75之间，而圈养（杂交）狒狒的遗传率在0.36到0.50之间。尽管强烈的遗传性并不一定意味着这种可遗传的变异会在出生时就存在，但这些发现确实表明，成年横截面几何形状的某些部分是由独立于环境的遗传机制决定的（即出生后的负载历史）。虽然在对长骨长度的发育调控方面已经取得了很大进展（Cooper，2019；Rolian，2020），但对长骨横截面尺寸的发育生物学研究相对较少。在某种程度上，整体骨骼大小（因此也是宽度）是在肢体芽的软骨原基最初形成期间决定的（Galea等人，2021）。除了这个初步的骨骼几何形状指定外，实证研究（Sharir等人，2011）和建模方法（van Der Meulen等人，1993）都表明，发育中的骨骼需要定期负载，通常是由于胎儿在子宫内的运动和内在肌肉活动（尽管母亲和同窝幼崽的外部运动也会产生影响：Nowlan等人，2010），才能获得其特征性的环形横截面。例如，通过研究一种因缺乏骨骼肌肉兴奋-收缩耦合而永久瘫痪的突变小鼠品系的胚胎骨骼生长，Sharir等人（2011）得出结论，如果没有子宫内的定期肌肉负载，长骨将无法形成其特征性的横截面形状。野生型小鼠的股骨横截面通常是椭圆形的，主轴与副轴的比率约为1.5。相比之下，Sharir等人（2011）研究的mdg突变小鼠的股骨几乎是圆形的，主轴与副轴的比率约为1。有趣的是，这些结果支持了这样一个观点：肢骨横截面几何形状是由环境中的加载机制决定的——正如许多关于成年灵长类肢骨形态的研究所主张的（Connour等人，2000；Demes & Jungers，1993；Ruff，2002；Ruff et al., 2019；Ruff & Runestad，1992）——不过需要注意的是，其中一些加载发生在运动开始之前的产前阶段。此外，这一发现可能解释了为什么成年后频繁跳跃的灵长类动物出生时后肢相对较强。Atzeva等人（2007）发现，新生原始灵长类动物的后肢肌肉质量分布与成年个体大致相似。例如，在新生和成年跳跃的粉猴（Carlito syrichta）和丝狐猴（Propithecus verreauxi）中，股四头肌占大腿肌肉质量的60%–70%，而在四足类动物中——如小鼠狐猴（Microcebus murinus）、侏儒狐猴（Cheirogaleus medius）和卷毛狐猴（Varecia variegata）中，这一比例只有约40%–50%。如果这种模式在灵长类中普遍存在，那么围产期跳跃动物的较大肌肉质量可能解释了它们出生时后肢骨骼的更强韧性。较大的肌肉会导致子宫内的更强收缩，从而促进周向生长。

4.4 弹性模量

对围产期前肢与后肢弹性模量比率与成年运动行为基准之间的关联测试部分支持了我们的预测。具体来说，围产期肱骨与股骨弹性模量的比率与成年运动行为有很高的预测性，与成年跳跃频率显著负相关，与成年IMI显著正相关（图5）。后者在PGLS回归中也具有显著性（表3）。成年后频繁跳跃的灵长类动物在婴儿时期往往具有相对较硬的股骨，而较少跳跃且更多进行悬空运动的灵长类动物在婴儿时期往往具有相对较硬的肱骨。鉴于弹性模量与横截面几何形状一起是决定整体肢骨抗弯强度的主要因素之一（van der Meulen等人，2001），这些数据再次表明，至少对于肢体的远端部分，婴儿灵长类的肢骨形态似乎“预先适应”了成年后的运动压力。此外，关于肢体骨骼发育的现有研究表明，一些可能的机制可以解释出生时股骨和肱骨材料硬度的功能差异。首先，对小鼠模型的基因组定位研究已经确定了几个与股骨和胫骨强度变异相关的数量性状位点（QTLs）（Jiao等人，2010；Li等人，2002）。总体而言，这些研究估计遗传变异解释了小鼠股骨弯曲强度变化的68%，以及小鼠胫骨弯曲强度变化的90%。因此，类似的遗传机制可能也在解释灵长类动物出生时四肢骨骼材料性质的差异中起作用。尽管我们记录了围产期肱骨-股骨弹性模量比中的显著运动信号，但围产期后肢骨骼（即桡骨-胫骨或尺骨-胫骨）的比率与成年动物的运动范围基准无关。先前关于哺乳动物骨骼适应性的研究表明，有腿的哺乳动物可能没有动力在四肢远端添加非常致密（因此也很僵硬）的主要骨骼，因为这会增加四肢的回转半径，从而可能增加运动成本（Lieberman等人，2003年；Plochocki等人，2008年）。这种选择压力在灵长类动物中可能尤为明显，因为它们由于需要发达的抓握肌肉，已经拥有了相对较重的四肢（Raichlen，2006年）。换句话说，为了优化出生时的四肢设计以适应未来的运动需求，我们研究中的灵长类动物可能更多地依赖于增加弯曲强度的几何手段（这些手段本身取决于从截面重心分布的骨骼量，而不是骨骼的总量），而不是依赖于增强材料性质（参见Alexander，1998年）。

4.5 限界和未来研究的方向

我们的研究必然存在某些局限性。首先，尽管我们能够收集到广泛的围产期灵长类动物样本，但我们通常只能研究每个物种中的一个个体。获取用于破坏性采样的围产期灵长类动物骨骼非常困难，但未来的工作应尽可能扩大样本规模。此外，由于可用研究物种的数量有限，我们测试这些数据中的系统发育趋势的能力也受到了限制。虽然我们的样本包括了17种灵长类动物和1种树鼩，但模拟研究表明，通常需要20-30个物种才能有足够的统计能力来检测系统发育趋势（Freckleton等人，2002年；Münkemüller等人，2012年）。最后，很少有研究探讨成年灵长类动物长骨材料性质的种间差异。了解成年灵长类动物是否表现出与此处研究的围产期样本相似的四肢材料性质差异模式将是很有趣的。

5 结论

在这项研究中，我们发现了几项关于围产期灵长类动物四肢骨骼强度的种间变异的测量指标显示出系统发育信号，并且能够广泛预测成年动物的运动范围。我们的发现对于解释成年灵长类动物功能性肢体骨骼适应的信号具有重要意义。如上所述，以前关于成年灵长类动物前肢-后肢骨骼强度相关因素的种间变异的研究主要集中在出生后生活期间骨骼负荷潜力对肢间相对骨骼强度差异的影响（Connour等人，2000年；Demes & Jungers，1993年；Ruff，2002年；Ruff等人，2019年；Ruff & Runestad，1992年；Schaffler等人，1985年；Terranova，1995年）。我们的结果清楚地表明，这种功能性变异在发育过程中就被定向到出生时出现，远在运动开始之前，更不用说肢体负荷环境的差异了。尽管如此，我们也注意到，可预测的围产期肢体相对骨骼强度差异并不一定意味着出生后的负荷环境对最终成年骨骼形态的贡献不重要。大量研究表明，骨骼能够通过生长过程中的增加建模和成熟期的重塑来响应增加的负荷（Robling等人，2006年综述）。此外，几项关于成长中的灵长类动物的研究显示，肢间负荷变化会引起肢体骨骼强度的比率的可预测变化，支持了出生后的骨骼形状部分反映了出生后负荷环境的假设（Ruff，2003年；Ruff等人，2013年；Saers，2023年；Sarringhaus等人，2016年；Sumner & Andriacchi，1996年）。尽管如此，我们的结果表明，这些变化的起始环境并非前肢骨骼强度完全相同的“白板”，并且其中一些变异是发育过程中编程好的。

作者贡献

Angela M. Mossor：调查；概念化；撰写——初稿；撰写——审阅和编辑；数据管理；监督。
Jeremy Busken：调查；撰写——审阅和编辑。
Lorna Benden：调查。
Ethan Mardovin：撰写——审阅和编辑；调查。
Andrew Bostick：调查；撰写——审阅和编辑。
Grégoire Boulinguez-Ambroise：撰写——审阅和编辑；调查。
Timothy D. Smith：概念化；资金获取；撰写——审阅和编辑；数据管理；资源。
Jesse W. Young：概念化；调查；资金获取；撰写——初稿；撰写——审阅和编辑；可视化；软件；数据分析；项目管理；数据管理；监督；方法论；资源。

致谢

我们感谢Nicole Torres-Tamayo和Timothy Smith邀请我们向《Anatomical Record》的这个特刊投稿。我们还要感谢NEOMED肌肉骨骼研究焦点领域期刊俱乐部对本文先前版本提出的有益评论。本研究得到了美国国家科学基金会项目BCS-0959438、BCS-1231717、BCS-1231350和BCS-12-1728263以及东北俄亥俄医科大学生物医学科学系的支持。

数据可用性声明

所有数据集（.RData格式）和分析脚本均可在Figshare上获取。下方提供了私有链接。公开可访问的DOI将在发表时提供。
数据集：https://figshare.com/s/984513712a7f036c1dbd
脚本：https://figshare.com/s/17a50cf9b63b695978a1