The ancestral shape hypothesis: an evolutionary explanation for the occurrence of intervertebral disc herniation in humans

Abstract

BackgroundRecent studies suggest there is a relationship between intervertebral disc herniation and vertebral shape. The nature of this relationship is unclear, however. Humans are more commonly afflicted with spinal disease than are non-human primates and one suggested explanation for this is the stress placed on the spine by bipedalism. With this in mind, we carried out a study of human, chimpanzee, and orangutan vertebrae to examine the links between vertebral shape, locomotion, and Schmorl’s nodes, which are bony indicators of vertical intervertebral disc herniation. We tested the hypothesis that vertical disc herniation preferentially affects individuals with vertebrae that are towards the ancestral end of the range of shape variation within Homo sapiens and therefore are less well adapted for bipedalism.ResultsThe study employed geometric morphometric techniques. Two-dimensional landmarks were used to capture the shapes of the superior aspect of the body and posterior elements of the last thoracic and first lumbar vertebrae of chimpanzees, orangutans, and humans with and without Schmorl’s nodes. These data were subjected to multivariate statistical analyses.Canonical Variates Analysis indicated that the last thoracic and first lumbar vertebrae of healthy humans, chimpanzees, and orangutans can be distinguished from each other (p<0.028), but vertebrae of pathological humans and chimpanzees cannot (p>0.4590). The Procrustes distance between pathological humans and chimpanzees was found to be smaller than the one between pathological and healthy humans. This was the case for both vertebrae. Pair-wise MANOVAs of Principal Component scores for both the thoracic and lumbar vertebrae found significant differences between all pairs of taxa (p<0.029), except pathological humans vs chimpanzees (p>0.367). Together, these results suggest that human vertebrae with Schmorl’s nodes are closer in shape to chimpanzee vertebrae than are healthy human vertebrae.ConclusionsThe results support the hypothesis that intervertebral disc herniation preferentially affects individuals with vertebrae that are towards the ancestral end of the range of shape variation within H. sapiens and therefore are less well adapted for bipedalism. This finding not only has clinical implications but also illustrates the benefits of bringing the tools of evolutionary biology to bear on problems in medicine and public health.Electronic supplementary materialThe online version of this article (doi:10.1186/s12862-015-0336-y) contains supplementary material, which is available to authorized users.

Medicina Evolutiva: Incorporando a Teoria da Evolução na Formação de Profissionais de Saúde Brasileiros

“…Essas hérnias são um dos problemas de saúde mais comuns e mais custosos 39 , umas das causas principais de limitação de atividade física e ausência no trabalho, provocando um enorme fardo econômico sobre indivíduos, famílias, comunidades, indústrias e governos 40 . Apenas no Reino Unido, há um custo anual direto de cerca de 1,5 bilhão de libras 41 , que salta para 11 bilhões de libras se forem incluídos os custos indiretos 40 . Estima-se que entre 22% e 65% das pessoas vão experimentar, em algum momento de suas vidas, o sintoma genérico de "dores nas costas" 41 , uma das consequências da hérnia de disco.…”

“…Apenas no Reino Unido, há um custo anual direto de cerca de 1,5 bilhão de libras 41 , que salta para 11 bilhões de libras se forem incluídos os custos indiretos 40 . Estima-se que entre 22% e 65% das pessoas vão experimentar, em algum momento de suas vidas, o sintoma genérico de "dores nas costas" 41 , uma das consequências da hérnia de disco.…”

“…Plomp e colaboradores 41 conjecturaram que essa variação estaria relacionada causalmente à hérnia discal, enfatizando, como outros autores, que os seres humanos são mais comumente atingidos por doenças da coluna vertebral do que os primatas não humanos 35,42 . Uma explicação sugerida para isso seria exatamente o estresse colocado sobre a coluna vertebral pelo bipedismo 35,38,42 .…”

“…Uma explicação sugerida para isso seria exatamente o estresse colocado sobre a coluna vertebral pelo bipedismo 35,38,42 . Plomp e colaboradores 41 investigaram o que chamaram de "hipótese da forma ancestral": a hérnia discal afetaria preferencialmente indivíduos cuja forma da vértebra estaria, dentro de um espectro populacional, mais próxima da de um animal quadrúpede e, portanto, menos bem adaptados para o bipedismo. Eles testaram duas predições logicamente relacionadas a esta hipótese: primeiro, deve haver diferenças na forma de determinadas vértebras entre seres humanos saudáveis, chimpanzés e orangotangos; e segundo, vértebras humanas com evidências de hérnia discal devem ser mais semelhantes à forma das vértebras dos chimpanzés ou orangotangos (e, portanto, às espécies ancestrais comuns a estas espécies e a humana) do que das vértebras humanas sem evidência de hérnia discal.…”

“…A abordagem de Plomp e colaboradores 41 utilizou vários conceitos oriundos da teoria da evolução por seleção natural para gerar uma hipótese testável e propor uma explicação para um problema de saúde relacionado à coluna vertebral: seleção natural (ambiente seletivo ancestral e moderno), variação inter-e intrapopulacional, adaptação. Os desajustes da postura bípede ao estilo de vida moderno e também as restrições à ação da seleção natural ao adaptar a estrutura quadrú-pede a uma vida bípede estão entre os conceitos específicos utilizados.…”