Hibernation in hominins from Atapuerca, Spain half a million years ago

Abstract

Both animal hibernation and human renal osteodystrophy are characterized by high levels of serum parathyroid hormone. To test the hypothesis of hibernation in an extinct human species, we examined the hominin skeletal collection from Sima de los Huesos, Cave Mayor, Atapuerca, Spain, for evidence of hyperparathyroidism after a thorough review of the literature. We studied the morphology of the fossilized bones by using macrophotography, microscopy, histology and CT scanning. We found trabecular tunneling and osteitis fibrosa, subperiosteal resorption, ‘rotten fence post’ signs, brown tumours, subperiosteal new bone, chondrocalcinosis, rachitic osteoplaques and empty gaps between them, craniotabes, and beading of ribs mostly in the adolescent population of these hominins. Since many of the above lesions are pathognomonic, these extinct hominins suffered annually from renal rickets, secondary hyperparathyroidism, and renal osteodystrophy associated with Chronic Kidney Disease - Mineral and Bone Disorder (CKD-MBD). We suggest these diseases were caused by poorly tolerated hibernation in dark cavernous hibernacula. This is particularly evidenced by the rachitic osteoplaques and the gaps between them in some of the adolescent individuals along with the evidence of healing mainly in the adults. The sublayers in the rachitic osteoplaques indicate bouts of arousal from hibernation. The strong projection of the external lip of the femoral trochlea, the rachitic osteoplaques with the empty gaps between them, the “rotten fence post" sign, and the evidence of annual healing also point to the presence of annually intermittent puberty in this extinct human species. The hypothesis of hibernation is consistent with the genetic evidence and the fact that the SH hominins lived during an extreme glaciation. Alternative hypotheses are examined. The present work will provide a new insight into the physiological mechanism of early human metabolism which could help in determining the life histories and physiologies of extinct human species.

Les périodes d’hibernation chez l’animal et l’ostéodystrophie rénale en pathologie humaine sont associées à des taux sériques élevés d’hormone parathyroïdienne. Après une revue approfondie de la littérature, nous avons examiné la collection de squelettes d’hominidés de Sima de los Huesos, Cave Mayor, Atapuerca, Espagne, pour y rechercher des traces d’hypersécrétion parathyroïdienne. L’étude a été réalisée en associant macrophotographie, analyses microscopiques, histologiques et imagerie par tomodensitométrie. Nous avons observé principalement dans la population adolescente de ces homininés des aspects de tunnelisation osseuse trabéculaire, d’ostéite fibreuse, de résorption sous-périostée métaphysaire, de tumeurs brunes, d’ossification sous-périosté, de chondrocalcinose, des ostéophytes disséminés, de craniotabès et de perles costales. Plusieurs de ces lésions sont pathognomoniques et montrent que ces hominines étaient atteints chaque année d’ostéomalacie, d’hyperparathyroïdie secondaire et d’ostéodystrophie rénale. Nous estimons que ces troubles sont consécutifs à une hibernation dans des grottes sombres. Ceci est particulièrement mis en évidence par la présence de plaques osseuses rachitiques disséminées chez certains des adolescents, et de lésions cicatrisées principalement chez les adultes. Les sous-couches dans les plaques osseuses rachitiques indiquent des épisodes de suractivité liée à l’hibernation. La forte saillie de la lèvre externe de la trochlée fémorale, les plaques osseuses rachitiques séparées par des zones normales, les zones de résorption sous-périostée et les preuves de guérison annuelle indiquent également la présence d’une puberté intermittente chaque année chez cette espèce humaine disparue. Notre hypothèse rattachant ces lésions osseuses aux conséquences de l’hibernation est cohérente avec les arguments génétiques et le fait que les hominidés de SH ont vécu pendant une glaciation extrême. Des hypothèses alternatives sont examinées. Le présent travail apporte une approche novatrice des mécanismes physiologique du métabolisme des premiers humains qui pourrait aider à déterminer le cycle de vie et la physiologie des espèces humaines éteintes.