Evolution of modularity in the mammalian skull

A integração morfológica refere-se à organização modular das relações e conexões entre os caracteres, a qual influencia a direção e velocidade da mudança evolutiva, seja restringindo ou facilitando esta ao longo das diferentes direções do morfoespaço. Desta forma, a descrição de padrões e magnitudes de integração e a análise de suas conseqüências evolutivas são aspectos centrais do estudo da evolução de morfologias complexas. Aqui analisamos a integração morfológica no crânio de diferentes famílias de mamíferos, abordando as seguintes questões. Existem padrões de integração comuns a todos os grupos? Seriam esses padrões compatíveis com hipóteses a priori baseadas em ontogenia e função compartilhadas? Que tipos de respostas evolutivas á seleção poderiam ser produzidas por estes padrões? Para isso, digitalizamos representantes de 20 ordens e 40 famílias de mamíferos e então estimamos as matrizes de correlação e variância/covariância correspondentes, comparando-as entre si. Também comparamos cada um dos padrões de integração estimados a hipóteses a priori baseadas em ontogenia e função compartilhadas. Por fim, analisamos as repostas de cada uma das matrizes V/CV a vetores de seleção simulados. Nossos resultados apontam para um padrão de integração amplamente compartilhado entre todas as famílias, indicando que a diversidade morfológica deste grupo foi produzida usando uma estrutura de covariação compartilhada, a qual se manteve similar durante pelo menos 65 milhões de anos. Comparações com uma matriz V/CV genética de roedores sugerem que esta similaridade se estende aos fatores genéticos subjacentes à variação fenotípica. Diversos módulos funcionais/ontogenéticos foram detectados nos táxons amostrados. A principal diferença entre os grupos foram observadas nas magnitudes de integração: as famílias de metatérios e duas das famílias de roedores apresentaram alto nível de integração geral e módulos pouco distintos, enquanto as famílias de primatas e quirópteros apresentaram o padrão de inverso. Nossos dados fornecem evidência de que a evolução da morfologia craniana em mamíferos pode ser vista como marcada por alterações no nível de integração entre caracteres, na qual os módulos ficaram mais evidentes. A consequência evolutiva retirada destas observações foi a de que as linhagens e famílias com menor integração são menos restritas, do ponto de vista evolutivo, e capazes de lidar com pressões seletivas com maior flexibilidade.Morphological integration refers to the modular structuring of intertrait relationships in an organism, which could bias the direction and rate of morphological change, either constraining or facilitating evolution along certain dimensions of the morphospace. Therefore, the description of morphological integration patterns and its magnitude and the analysis of their evolutionary consequences are central to understand the evolution of complex traits. Here we analyze morphological integration in the skull of several mammalian orders, addressing the following questions: are there common patterns of inter-trait relationships? Are these patterns compatible with hypotheses based on shared development and function? What kind of responses to evolutionary forces could be generated by these patterns? We digitized more than 2000 specimens in 20 mammalian orders and 40 families. We then estimated the correspondent correlation and covariance matrices among traits and compared those matrices among the families. We also compared observed patterns of integration to theoretical expectations based on common development and function. Finally, we analyzed the responses of each covariance matrix to simulated selection vectors. Our results pointed to a largely shared pattern of inter-trait correlations, implying that mammalian skull diversity has been produced using a common covariance structure that remained similar for at least 65 million years. Comparisons with a rodent genetic variance/covariance matrix suggest that this broad similarity extends also to the genetic factors underlying phenotypic variation. Several morphological modules expected from shared development and function were detected in the mammalian taxa studied. The main differences among groups were found for the magnitudes of integration: metatherians and two rodent families presented higher overall levels of integration and reduced modular distinctiveness ,while primates and chiropterans exhibited the opposite pattern. Our data constitute evidence that the broad picture of mammalian skull evolution could be regarded as a history of inter-module disintegration, while the modules themselves became more clearly marked. The evolutionary implication of these findings is that groups with lower overall integration are less evolutionarily constrained, and are able to cope with selection with more flexibility