Climate Change and Hominin Origins: An Ecomorphological and Ecometric Analysis in Bovids to Reconstruct the African Early Pliocene Environment

Abstract

A influência das alterações climáticas na evolução humana é muito debatida. Contudo, fósseis de hominídeos são escassos e diferentes direções de pesquisa, como métodos livres de táxon, tentam confrontar essa realidade. Este projeto visa aplicar tais métodos, utilizando várias técnicas de machine learning (ML), para reconstruir os aspetos paleoambientais de sítios africanos do Plioceno inicial associados ao Australopithecus anamensis.O estudo proposto utilizou dados publicados de medições de astrágalos de bovídeos, retiradas de fósseis de Kanapoi (n = 31) e de Allia Bay (n = 15), e de indivíduos existentes (n = 187). Foram realizadas duas análises, a ecomorfologia, onde os indivíduos da amostra existente foram classificados em diferentes habitats e categorias de humidade do solo, e a ecometria, onde a amostra existente enquanto comunidade foi usada para prever várias variáveis de precipitação e temperatura e classificar as categorias de cobertura do solo. Finalmente, utilizando estes dados, vários algoritmos de ML foram treinados para cada análise, para inferir o possível ambiente da amostra fóssil.Os resultados obtidos revelam melhores taxas de classificação e previsão ao aplicar diferentes algoritmos às análises, em comparação com a análise discriminante linear (LDA), método comumente utilizado nestas análises. Além disso, a análise ecomorfologica mostra habitats principalmente intermediários e uma mistura das categorias seca e húmida, para ambos os locais. No mesmo sentido, a análise ecométrica mostra locais com temperaturas tropicais (23,8 e 25,7ºC), húmidos (> 850 mm), mas muito variáveis e, consequentemente com vegetação altamente heterogênea, combinando florestas perenes de folha larga e bosques herbáceos, mas também sistemas mais abertos como pastagens. Estes dois sítios enquadram-se num contexto muito complexo e variável que pode contribuir para mudanças repentinas no ambiente. Isto parece indicar que A. anamensis prosperou nesses tipos de ambientes.Em última análise, os métodos ecométricos parecem mais promissores, uma vez que os seus resultados permitem uma atribuição mais clara a um potencial clima. Assim, seria interessante estendê-los a outros locais importantes associados à nossa história evolutiva.

The influence of climate change on human evolution is much debated. Nevertheless, hominin fossils are scarce and different research directions, such as taxon-free methods, attempt to confront this reality. This project aims to apply these methods, using various machine learning (ML) techniques, to reconstruct the palaeoenvironmental aspects of early Pliocene African sites related to Australopithecus anamensis.The proposed study used published data from astragalar measurements of bovids, taken from Kanapoi (n=31) and Allia Bay (n=15) fossils, and from extant individuals (n= 187). Two analyses were performed, ecomorphology where individuals from the extant sample were classified into different habitats and soil moist categories, and ecometrics, where the extant sample as a community was used to predict various precipitation and temperature variables, as well as classify land cover categories. Finally, several ML algorithms were trained for each analysis using data from the extant taxa to infer the possible environment of the fossil sample. The obtained results reveal better classification and prediction rates when applying different algorithms to the analyses in comparison to linear discriminant analysis (LDA), the method commonly used in these analyses. Furthermore, the ecomorphological analyses show mostly intermediate habitats and a mix of dry and wet categories for both sites. In a similar way, ecometric analyses show sites with tropical temperatures (23.8 and 25.7ºC), humid (>850 mm) but highly variable and consequently highly heterogeneous vegetation, combining evergreen broadleaf forests and herbaceous woodlands, but also more open systems such as grasslands. These two sites fall within a highly complex and variable context that can contribute to sudden changes in the environment. This seems to indicate that A. anamensis had thrived in these types of environments.Ultimately, ecometric methods seem more promising, as their results allow a clearer attribution to a potential climate. Hence, it would be interesting to extend the applied approach to other important sites associated with our own evolutionary history.