Study Guides (248,233)
United States (123,299)
Biology (13)
BIO 250 (5)
Midterm

Exam 2 Notes

27 Pages
108 Views
Unlock Document

Department
Biology
Course
BIO 250
Professor
Mason Meers
Semester
Summer

Description
1 Embryology Organogenesis ● Neurulation­ Formation of the neural tube and its derivatives ○ Neural tube­ Gives rise the central nervous system ○ Epidermis­ Covers the neural tube once it is created ○ Neural crest­ Migrates away from the neural tube, and gives rise to a diverse set of cell types ■ Neural crest = Neural fold Meanwhile Back in the Mesoderm... ● Mesoderm spreads laterally to encircle endoderm ○ May encircle yolk early in viviparous vertebrates ■ ...Very late in oviparous and ovoviviparous vertebrates ○ Contributes to coelom formation Coelomic Cavity­ Regional Variation ● Thoracic Region ○ Pleura ■ Parietal (or coastal) ­ Against body wall ■ Visceral ­ Against organs ○ Pericardium ■ Parietal ■ Visceral ● Hepatic Region­ Peritoneum ○ Not distinguished in mammals ● Abdominal Region­ Peritoneum ○ Parietal ○ Visceral Extraembryonic Membranes ● Amnion­ Prevention of desiccation, maintains fluid suspension ● Chorion­ Cushioning, gas exchange ○ Ectodermal ● “Chorioallantoic” Membrane (fusion) ○ Respiration in most amniotes; Allow passage of blood vessels ● Allantois­ Waste storage ○ Endodermal ● Yolk Sac­ Nutrient storage Polarity ● Development takes place from cranial to caudal... ○ Hands develop before feet ○ Brain develops before much of the nerve cord is formed Morphogenesis and Epigenetics ● Morphogenesis­ The physical changes in cells and tissues leading to the development of tissues and structures 2 ○ Note cell shapes differ among tissues ○ Organs have characteristic shapes ○ Bones have some “predetermined” structures... ● Most of is NOT controlled directly by genes­ but epigenetic in nature. Epigenetics ● Epigenetics and Induction ○ Tissue­tissue interactions can have a demonstrable effect on morphogenesis Regulatory Genes and Epigenetics ● Homeotic Genes influence and/or mediate epigenetic interactions ○ Pattern formation genes (e.g., Hox homeobox, and Sox genes) ■ Segmentation genes for example ■ Serial homology ■ Forelimbs/hindlimbs Hox Gene Homologies... ● Homeotic genes are found in all segmented animals ○ Homeobox genes in arthropods (and annelids) ○ Hox genes in vertebrates ● Many vertebrate Hox genes found with Drosophila primers... Phenotypic Plasticity ● The phenotypic variability possible given a specific genotype ○ Canalization­ A property of an organism’s developmental system which constrains ontogeny (growth) to within some bounds ■ Minimizes environmental disturbance of ultimate morphology ■ Minimizes variation ● Not all developmental systems are highly canalized... ○ Degrees of plasticity are assessments of canalization ○ Heterochrony is the source of plasticity Extrinsic Induction of Heterochronic Changes ● Phenotypic Modulation­ General phenotypic variation is the result of environmental factors which affect the rates and/or degrees of expression of components of the basic genetic program­ No alteration of the genetic program per se, just alteration of its expression ○ Tend to focus on hormonal system ○ May affect niche utilization if trophic (feeding) structures are involved ○ The earlier the perturbations occur­  The greater the effect ■ Why? Time of high morphogenetic activity and cascading effects ○ Likely sources of these variation ■ Temperature ■ Biomechanical stress ■ Growth rates ● Developmental Conversion­ Some environmental cue(s) activate alternate genetically based developmental programming­ Hypothesized source of polymorphs ○ “On­off” switches in the developmental program 3 ○ Pheromones as a source for developmental conversion ■ Pheromones trigger physiological processes ○ Sex as a target for developmental conversion ■ Heterochronic alterations may be sex­specific (sexual dimorphism) Evolution of the Vertebrate Skull Skull Structure ● Composite structure with three evolutionary sources ○ Splanchnocranium or viscerocranium ■ Primitive...Variable found in basal chordates ○ Condro­ or neurocranium ■ Variably ossified ○ Dermatocranium ■ Derived from dermal bone ● Forms between dermis and epidermis Splanchnocranium/Viscerocranium ● A chordate synapomorphy ○ Character complex ● Supports pharyngeal arches ● Attachment site for respiratory muscles ● Contributes to jaw and hyoid apparatus in gnathostomes ● Development ○ Neural crest cells ○ Source of jaws among gnathostomes Origins of Jaws ● Used initially as food traps ● Subsequently to bite, crush, or chew­ Associated with increase in predatory life... ● Formed from anterior (rostral) gill arches ● Shark embryology suggests a gill arch origin for jaws ● Jaw musculature is similar in structure to branchial arch muscles ● Meckel’s cartilage to mandible Types of Jaw Attachments ● Early pre­jaws didn’t attach to the “cranium” ○ Paleostylic jaws “float” ● Early jaws attached to the skull via hyomandibula ○ Euautostylic (placoderms) Mammalian Viscerocranium ● Branchial Arch derivatives can be identified through embryology ○ Dentary, malleus, incus ○ Styloid, stapes, hyoid ○ Thyroid cartilage ○ Cricoid cartilage 4 Chondrocranium or Neurocranium ● Supports the brain ● Typically serves as a support scaffold during embryology ● Development ○ From two cell lines­ Neural crest cells and mesenchyme cells ○ Typically cartilaginous in structure during development ○ Ossifies in most taxa Dermatocranium ● Dermal bone in origin ● Forms sides of skull and roof over braincase, roof of the mouth, encases most of the splanchnocranium; Supports teeth (usually) ● Parts of the dermatocranium­ Tendency toward simplification through time (reduction in the number of bones) Facial Series ● Pink ● In every animal ○ Maxilla ○ Premaxilla ○ Nasals ○ Septomaxilla Orbital Series ● Orange ○ Lacrimal ○ Prefrontal ○ Postfrontal ○ Postorbital ○ Jugal Temporal Series ● Yellow ○ Intertemporal ○ Supratemporal ○ Tabular ○ Squamosal ○ Quadratojugal Vault Series ● Green ○ Frontal ○ Parietal ○ Postparietal Palatal Series ● Blue ○ Pterygoids 5 ○ Vomer ○ Palatine ○ Ectopterygoid ○ Parasphenoid Mandibular Series ● Purple ○ Dentary ○ Splenial ○ Angular ○ Surangular ○ Prearticular ○ Coronoids ● Meckel’s cartilage is replaced by these bones... Phylogeny and Morphology of the Vertebrate Skull Gnathostome Skulls... ● Placoderms­ Dermal plates formed a cranial shield ● Stereotypical vertebrate elements were covered Acanthodians ● Dermal scales over skull ● Several dermal bones not homologous to most things well consider Chondrichthyans ● No dermatocranium ● Chondrocranium covers the brain ● Splanchnocranium present an well developed ● Largely detached jaws ○ Hydro Mandible important... Actinopterygians ● Confusion over some homologies of dermal bones ● Extremely diverse skull morphologies... Sarcopterygians ● Early ones had akinetic skull ● First nasal ducts and nasolacrimal ducts Amphibians ● Tendency toward reduction of the snout elements ● Hyomandibula ceases to be involved in jaw suspension and becomes dedicated to hearing (stapes) ● Modern amphibians are horrible simple General Amniote Skulls ● Dermatocranium primitively includes openings for eyes, pineal, and nostrils ● Strong jaw muscles (relatively speaking) 6 ● Skull fenestrae­ Openings in the dermatocranium Anapsid Skulls ● Primitively skulls were solidly constructed ● Posterior emagninations common in derived forms ○ Associated with muscle attachment Diapsid Skulls ● Typical diapsids possess two sets of temporal  fenestrae ● Modifications may obscure diapsid condition ○ Birds­ Loss of upper temporal bar, lower reduced ○ Snakes­ Loss of temporal bars ○ Lizards­Loss of lower temporal bar Archosaurs: Dinosaur Birds ● Sutures usually not visible in adults ● Highly pneumatized (filled with air) ● No teeth in modern forms (several extinct taxa retained teeth) ● Tendency to exhibit prokinesis Synapsid Skulls ● Temporal fenestrae well­developed ● Loss of postorbital bar in primitive forms ○ Reappears later in several groups ● “Zygomatic arch” well developed ○ Zygomatic = jugal ○ Temporal* = squamosal ■ Commonly referred to  as the “squamous” portion of the temporal... Synapsids: Mammals ● Loss of bones common ○ Prefrontal, postorbital, postfrontal, quadratojugal, and supratemporal ● Fusion of other elements... ■ Postparietals fuse to form interparietal ○ Advanced mammals fuse interparietal, tabular, and occipital into a single unit ○ Occipital = Interparietal (two post­parietals), tabular, basicocipital, exoccipitals (2) supraoccuipial ○ Sphenoid = Orbitosphenoid, presphenoid, basisphenoid, and alisphenoid (= epipterygoid) Mammalian Fusions... ● Temporal = Squamosal, tympanic bulla (= angular for hearing), petrosal (= prootic + opisthotic) ○ Contains malleus, incus, stapes ○ Articulates with the styloid Biomechanics­ Hearing ● Hadrocodium­  200 mya early mammal ● Remember... hyomandibula = columella = stapes 7 ○ Disarticulated articular (=malleus) from the lower jaws and quadrate (=incus) ○ No function in feeding ○ Free for use in hearing Cranial Kinesis ● Capacity for movement (in life) of the upper “jaw” relative to the braincase ● Common among most vertebrates ○ Fish ○ Early amphibians ○ Most reptiles ○ Birds ○ Mammal­like reptiles ● Not found among modern amphibians, turtles, crocs, and mammals ● Ornithopod dinosaurs exhibit maxillary kinesis ○ Maxilla abducts passively in response to mandibular movement ○ Improves feeding efficiency ■ Tooth grinding similar to that seen in cows Landmarks and Cranial Kinesis ● Kinesis comparison of cranial form more problematic ● Benefits from a kinetic skull? ○ Change size and shape of oral opening ● Benefits from an akinetic skull? ○ More stable, strong platform for feeding ● Mono/Di/Polykinetic: One or more joints... ● Metakinesis ○ Hinge between neuro­ and dermatocranium ○ Typically posterior ● Myokinesis ○ Hinge through dermatocranium caudal to eye ● Prokinesis ○ Hingle in dermatocranium rostral to eye ● Streptostyly ○ Gradually rotates supercauly ● Ornithopods Dinosaurs exhibit maxilly kinesis ○ Maxilla abducts passively in response to mandibular movement ○ Improves feeding efficiency Snake Skulls ● Highly kinetic ○ Maxilla may tilt (up to 90) ■ Rostrally in vipers ■ Laterally in constrictors ○ Mobile and elongated quadrate Biomechanics­ Cranial Shock 8 ● Woodpeckers incur tremendous forces in their skulls from feeding ○ +/­ 1200 g ■ 1000 g = max force black boxes! ○ Adaptations ■ Unusually dense, spongy bone ■ Little CSF ■ Smooth cerebral cortex ■ Little intracranial space ■ Eyes under high pressure Biomechanics­ Hard Palate ● Function of the Hard Palate? ○ Force transmission during biting ■ Resists what type of forces? ● Torsion ○ Suckling ○ Found in mammals Mastication ● Chewing (mastication) varies widely amongst mammalian groups ○ Rodents: Front to base ○ Ungulates: Up and down Forces and Reaction Forces ● Food items can act as part of the fulcrum during chewing ○ Complex lever system ○ Hinge joint running from working side to balancing side glenoid Principle Mammalian Jaw Muscles ● M. Temporalis ○ Lateral skull ○ Temporal process ● M. Masseter ○ Zygomatic arch ○ Mandibular ramus ● M. Pterygoideus (medialis and lateralis) ○ Pterygoid plates ○ Mandibular ramus Carnivores vs. Herbivores ● Carnivores ○ M. Temporalis more important (force production) ○ Large range of fiber orientation ● Herbivores ○ M. Masseter more important ○ M. Temporalis produces side­side movement FEA Reduction Models ­ Deductive Computer­Based Anatomy 9 ● FEA: Finite element analysis ● Initial morphologies include the functional spaces ○ Eye openings, muscle forces, dental arcade, including assumed bite forces ○ 3D Stresses are calculated ○ Non­stressed elements are eliminated ○ Iterative process... Vertebral Column ● Typically a structural/functional replacement for the notochord ● Functions: ○ Primitive­ Protection of spinal cord and dorsal aorta ○ Derived­ Attachment sites for musculature Components of the Axial Skeleton ● Vertebrae ○ Dorsal features ■ Neural arch ● Protects spinal cord ■ Intraneural arch ● Fused into centrum in most familiar vertebrates ○ Ventral features ■ Hemal arch ■ Interhemal arch Regionalization ● Fish ○ Trunk: Region from the first vertebrae to the tail ○ Caudal: The tail (post­anal vertebrae) ● Tetrapods ○ Cervical ­ Neck region ■  Present in all tetrapods ■ Typically bear short ribs ○ Dorsal vertebrae (misnomer) ○ Thoracic ­ Chest region ■ Ribs ■ Only in cases where a distinction exists related to lumber and or cervical ○ Lumbar ­ Caudal to thorax ■ Typically non rib bearing in mammals, “lower back” ○ Dorsal ­ Lumbar and thoracic in non­mammals ○ Sacral ­ Area of articulation with pelvis ■ At least 2 fused vertebrae, often more ○ Caudal ­ Tail ■ Highly variable in number ■ Frog ­ Drastic morphological alteration ■ Varied functions 10 ● Balance, counter­balance, prehension, fat storage, etc., communication ■ Lost/nearly lost in many groups Birds ● Synsacrum ­ Fused vertebrae, fused to the pelvis ● Pygostyle ­ Fused vertebrae at tail terminus Xenarthrans ● Sacrum often extended ● The xenouthran namesake... ○ Xenarthrous articulations Morphology and The CNS ● Spinal nerves ○ Segmental ○ Exit between vertebral arches (spinal nerve “foramina”) ● Contents under neural arch ○ Spinal cord ○ Spinal nerve roots ○ Dorsal root ganglia ○ Spinal nerve trunks ○ Small blood vessels Centrum Structure ● Shape of the ends of centra ○ Amphiplatyan/Acoelous ■ (2 flat) ­ Both ends flat (relative term) ■ Ideal for resistance of compression ○ Amphicoelous ■ (2 holes) ­ Both ends concave ■ Limited motion in each direction ○ Procoelous ■ (Forward­hole) ­ Cranial end concave, caudal end covex ■ Extensive movement of vertebrae with little/no stretching of spinal cord ○ Opisthocoelous ■ Opposite procoelous ­ Cranial end convex, caudal end concave ■ Extensive movement of vertebrae with little/no stretching of spinal cord ○ Heterocoelous ■ (Different­holes) ­ Interlocking saddle­shaped ends ■ Movement in 2 planes facilitated, but rotated movement largely permuted ■ Common in turtles and birds ● Apophyses ­ Processes (typically articular) that extend from the arches ○ Transverse processes ­ A general term for a lateral process from a vertebra or centrum ○ Zygapophyses ­ Articulations between successive vertebrae 11 ■ Prezygapophyses­ Articular face upward ■ Postzygapophysis­ Articular face downward ○ Basapophysis ­ Paired ventrolateral processes on centrum, the likely remnants of the hemal arch bases now the articulation with a ventral rib (or remaining hemal arch) ○ Parapophysis ­ A ventral process on the intercentrum ○ Diapophysis ­ A process on the neural arch ○ Hypapophysis­ Unpaired midventral processes from centra Axial Skeleton: Ribs ● Linear struts which articulate or fuse with vertebrae ○ Function on muscle attachment and protection of internal organs ○ Bicipital: Two heads that articulate with the vertebrae ○ Types: ■ True ribs ­ Articulates with sternum ventrally ● Vertebral (costal) rib ○ A proximal segment articulated with the vertebrae ● Sternal rib (typically carti laginous) ○ A distal segment that is usually cartilaginous and meets the sternum ■ False ribs­ Articulates with each other, but not sternum ■ Floating (free) ribs­ Articulates with nothing ventrally ● Capitulum (head) ­ The ventral head, articulates with the parapophysis ● Tuberculum (tubercle) ­ The dorsal head, articulates with the diapophysis Axial Skeleton: Sternum ● Segmented ventral bone providing muscle attachment sites and rib articular surfaces ○ Made­up of sternebrae, variably fused ● May receive/support the ventral pectoral girdle ○ Coracoid ● Modified into a carina (keel) in birds for support of pectoralis supracoracoideus muscles ○ Major flight muscles Axial Skeleton: Gastralia ● Segmental ● Non­Articular bones ● Muscle attachment sites ● Limited anatomical distribution ● Limited phylogenetic distribution Functional Morphology of the Axial Skeleton Form and Function of the Axial Skeleton ● Fluid Environments ○ Support of body provided through buoyancy in water ○ Problems: 12 ■ Drag­hydrodynamics (“streaming”) ■ 3­D orientation ­ confounded by currents in fluid environments, fish use fins to compensate as birds use wings and tails ○ Only pressure on vertebral column is muscles not gravity ● Terrestrial Environments ○ Neural Spine Height ■ Long spines improve the mechanical advantage of muscles attaching to them and so provide greater strength ○ Neural Spine Orientation ■ Orientated nearly or somewhat parallel to the majority of forces acting on them (or at least the greatest magnitude of force) Limitations on Movement ● Soft Tissue ­ Intervertebral Disk ○ Fiber orientation limits movement ■ Collagen ○ Multiple layers impart varying physical properties ● Movement limitation ○ Compression ■ Resisted by all (?) fibers ■ Fixed fluid volume of IVD ○ Shear and Torsion ■ Resisted by angled fibers loaded under tension ○ Six primary ligaments limit/affect movement of the vertebral column ■ Supraspinous, interspinous, posterior longitudinal, anterior lenguturdal (ligaments) ■ Facet joint capsule, ligamentum flavum ● Bony features limit movement effectively ○ Zygapophyseal morphology ○ Accessory processes Locomotion and Respiration ● Locomotion profoundly affects thorax shape and volume ○ Integration of breathing and locomotor behavior ● Locomotion affects respiration through movement of axial skeletal elements ○ Ribs ○ Vertebral column Common Disorders ● Osteoporosis ­ Decreased bone density/strength ○ Compression fractures ● Ankylosing Spondylitis ­ A type of arthritis ● Spondylosis­ Degenerative disease decreasing size of intervertebral disks ● Spondylolisthesis ­ Essentially a displacement of vertebrae ● Curvature­Related Disorders 13 ○ Kyphosis ­ Increased dorsal (posterior in human) curvature of the vert. col. ○ Lordosis ­ Increased ventral (anterior in human) curvature of the vert. col. ○ Scoliosis ­ Increased lateral curvature of the vert. col. ● Herniated Discs ○ IVDs may herniate in any direction, resulting in compression of spinal nerves Appendicular Skeleton Origins of Paired Appendages ● Fins ­ External processes strengthened by hardened rays ○ Elasmobranchs ­ Keratinized rays ○ Osteichthyes ­ Ossified or cartilaginous rays ○ Paired fins are the phylogenetic ● Primitive Fin Function ○ Three­dimensional orientation ■ Yaw ­ side to side deviation from path ■ Roll ­ roll abou the body’s long axis ■ Pitch ­ up and down orientation ○ Gridles ■ Muscle support for fins Competing Hypotheses... ● Gill Arch Theory of the Origin of Fins.. ○ Gegenbaur ­ 19th C theoretical morphologist ○ Problematic due primarily to differing embryological origins of the pectoral girdle and the gill arches ○ But developmental data (2009) suggests that gill development is mediated by the same genes as limb development. ● Fin Fold Theory of the Origin of Fins.. ○ Balfour and Thacher ○ Folds along the ventral side of the body strengthened by dermal bone incorporated into the folds. ○ Popular due to the idea of serial homology, but no hard evidence Basic Limb Construction ● Limbs ­ Basic plan is constant across tetrapoda ○ Three regions... ■ Stylopodium ­ Closest to body, single element ■ Zeugopodium ­ Next distal, two elements ■ Autopodium ­ Distal ­ most, multiple elements ● Manus ­ Forelimb terminus ● Pes ­ Hindlimb terminus Tetrapod Limbs ● Modification of limbs and girdles ○ Body support 14 ■ Forelimbs ­ variable attachment to axial skeleton ● Coracoid ­ Sternum ● Mammals ­ Sling of soft­tissue (muscle) ■ Hindlimbs ­ Bony attachment to vertebral column ● Tendency for tetrapods to be hindlimb­driven Limb Posture ● Sprawling and semi­erect limb postures ○ Mechanically very stable (falling over isn’t a problem) ○ Imposes constraints on other things... ■ Limb reach ■ Ventilation ○ Some flexibility among crocodilians and therapsids (mammal­like reptiles) owing to rotation of the humerus and femur ● “Upright” limb posture ● Biomechanically more efficient ○ Recovery from the power stroke is more efficient ○ Centripetal force ○ Allows for greater chances to reduce distal musculature ■ Reduced weight distally and reduced centripetal force ● Facilitates a major change in vertebral function ○ Dorso­ventral flexion becomes possible ■ Upright limbs eliminate (nearly) the need for lateral flexion of the vertebral column by keeping the body supports close to the body’s center of mass ■ Also allowed for radiation to “new” niches of specialization within... Efficiency and Speed... ● Reduced
More Less

Related notes for BIO 250

Log In


OR

Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


OR

By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.


Submit