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Birth and human evolution - implications from computer-assisted reconstructions

English title Birth and human evolution - implications from computer-assisted reconstructions
Applicant Häusler Martin
Number 176319
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Evolutionäre Medizin IEM Medizinische Fakultät Universität Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Anthropology, Primatology
Start/End 01.10.2017 - 30.09.2021
Approved amount 800'000.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Anthropology, Primatology
Gynaecology

Keywords (5)

sexual dimorphism; geometric morphometrics; evolutionary medicine; human evolution; obstetrics

Lay Summary (German)

Lead
Die menschliche Geburt ist ungewöhnlich komplex verglichen mit anderen Säugetieren. Geburtsschwierigkeiten kommen deshalb häufig vor, welche zu Problemen für Mutter und Kind führen und heutzutage vielfach mit Kaiserschnitten gelöst werden müssen. Diese Geburtsschwierigkeiten werden traditionell durch einen evolutionären Konflikt erklärt zwischen einem möglichst engen, gut an den aufrechten Gang angepassten Becken und einem möglichst weiten Geburtskanal, welches Neugeborene mit einem grossen Gehirn erlaubt. Dieses sogenannte obstetrische Dilemma kam in den letzten Jahren von zahlreichen Seiten unter Beschuss, ohne dass aber eine gute Alternative vorgeschlagen wurde. Unser Projekt untersucht nun das obstetrische Dilemma von drei verschiedenen Aspekten.
Lay summary

Die Erforschung der evolutionären Hintergründe der Geburtsschwierigkeiten wird durch den fragmentarischen Zustand der meisten Hominiden-Fossilien erschwert. Verschiedene Rekonstruktionen der gleichen Beckenfossilien führten zudem oft zu widersprüchlichen Resultaten. In einem ersten Teil des Projektes wenden wir modernste CAD-Techniken und statistische Methoden an, um eine repräsentative Auswahl der Becken unserer fossilen Vorfahren virtuell zu rekonstruieren. Dabei wollen wir den Spielraum ausloten, mit dem die Beckenfragmente unterschiedlich zusammengesetzt werden können, um den Rekonstruktionsprozess möglichst objektiv und reproduzierbar zu machen.

Der zweite Teil des Projektes untersucht die Hypothese, dass der Geschlechtsunterschied im Becken zusammen mit der Gehirngrösse während der menschlichen Evolution zunahm. Dies gibt gleichzeitig einen unabhängigen Anhaltspunkt für ein knappes Verhältnis zwischen mütterlichem Becken und dem kindlichen Kopf.

Im dritten Teil des Projekts untersuchen wir mittels Computersimulationen den Geburtsvorgang im Verlaufe der menschlichen Evolution. Dies erlaubt uns erstmals, die Interaktion des Kindes mit der komplexen dreidimensionalen Form des Geburtskanals voll zu berücksichtigen, aber auch die ganze Dynamik des Geburtsvorganges mit der Einwirkung der Weichteile, der Beckenbodenmuskulatur, der Lockerung der Bänder und der Verformbarkeit des kindlichen Kopfes.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Unser innovatives Projekt stellt einen bedeutenden Fortschritt über frühere Studien dar, welche auf umstrittenen Beckenrekonstruktionen beruhten und üblicherweise einige wenige Beckenmasse mit dem Durchmesser des kindlichen Kopfes verglichen. Unsere Resultate werden nicht nur helfen, den evolutionären Ursprung der Geburtsschwierigkeiten beim Menschen zu verstehen; sie sind auch fundamental für zukünftige biomechanische Studien über die Evolution des aufrechten Ganges. 
Direct link to Lay Summary Last update: 22.10.2017

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
156299 Evolutionary origin of major musculoskeletal disorders of modern humans 01.10.2014 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Obstructed labour is a leading cause of maternal and neonatal death and morbidity. It mainly results from a misfit between fetal head size and maternal pelvis. Traditionally attributed to a trade-off between selection for large-brained neonates and a biomechanically efficient, narrow pelvis for bipedal locomotion, this obstet-rical dilemma (OD) has recently been questioned in various ways. Yet, alternative hypotheses fail to explain the evolution of our complex birth mechanism, neurologically immature neonates, and our marked pelvic sexual dimorphism compared to other primates. Here, I propose 3 subprojects to advance our understanding of the OD: (1) I aim to restore a comprehensive evolutionary series of fossil hominin pelves in an objective way using state-of-the-art virtual image and ge-ometric morphometric methods since an evolutionary approach to the OD was so far complicated by often conflicting reconstructions of the same specimens. (2) I explore the hypothesis that pelvic sexual dimorphism increased during human evolution in concert with encephalization. Thus, our reconstructions will for the first time allow assessment of sexual pelvic dimorphism in early hominins while the degree of sexual dimorphism would provide an indirect measure for cephalo-pelvic disproportion. (3) Novel finite-element simulations of the birth process in fossil hominins allow taking into account the complex 3D shape of both the birth canal and the fetus as well as the dynamic nature of the birth process with ligamentous laxity, moulding of the fetal head and interference with the soft-tissue. Our innovative approach constitutes a major progress to previous studies that usually compared a few 2D measurements of the pelvis and fetal head. Assessing both the passageway and passenger in its full 3D shape is indispensable to predict the origins and evolutionary implications of obstructed labour. Further, our results are fundamental for future biomechanical analyses of hominin locomotion.
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