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Why faces of primates differ dramatically from one another?

A new study gave evolutionary clues to the question of why the faces of primates so dramatically different from one another.

UCLA biologists working as "evolutionary detectives" studied the faces of 129 adult male primates from Central and South America.

Credit: Stephen Nash
Credit: Stephen Nash


"If you look at New World primates, you're immediately struck by the rich diversity of faces," said Michael Alfaro, a UCLA associate professor of ecology and evolutionary biology and the senior author of the study published Jan. 11, in the early online edition of the journal Proceedings of the Royal Society B.

"You see bright red faces, moustaches, hair tufts and much more. There are unanswered questions about how faces evolve and what factors explain the evolution of facial features. We're very visually oriented, and we get a lot of information from the face."

The faces they studied evolved over at least 24 million years, they report.

Some of the primate species studied are solitary, while others live in groups that can include dozens or even hundreds of others.

The life scientists divided each face into 14 regions; coded the color of each part, including the hair and skin; studied the patterns and anatomy of the faces; and gave each a "facial complexity" score. They studied how the complexity of primate faces evolved over time and examined the primates' social systems. To assess how facial colors are related to physical environments, they analyzed environmental variables, using the longitude and latitude of primates' habitats as a proxy for sun exposure and temperature. They also used statistical methods to analyze the evolutionary history of the primate groups and when they diverged from one another.

"We found very strong support for the idea that as species live in larger groups, their faces become more simple, more plain," said lead author Sharlene Santana, a UCLA postdoctoral scholar in ecology and evolutionary biology and a postdoctoral fellow with UCLA's Institute for Society and Genetics. "We think that is related to their ability to communicate using facial expressions. A face that is more plain could allow the primate to convey expressions more easily.

"Humans have pretty bare faces, which may allow us to see facial expressions more easily than if, for example, we had many colors in our faces."

The researchers' finding that faces are more simple in larger groups came as a surprise.

"Initially, we thought it might be the opposite," Santana said. "You might expect that in larger groups, faces would vary more and have more complex parts that would allow one individual to identify any member of that group. That is not what we found. Species that live in larger groups live in closer proximity to one another and tend to use facial expressions more than species in smaller groups that are more spread out. Being in closer proximity puts a stronger pressure on using facial expressions."

"This finding suggests that facial expressions are increasingly important in large groups," said co-author Jessica Lynch Alfaro, associate director of the UCLA Institute for Society and Genetics. "If you're highly social, then facial expressions matter more than having a highly complex pattern on your face. "

The evolutionary biologists also found that when primates live in environment with more species that are closely related, their faces are more complex, regardless of their group size. This finding is consistent with their need to recognize individuals of other closely related species that live in the same habitat to avoid interbreeding, Santana said.

Santana, Lynch Alfaro and Alfaro present the first quantitative evidence linking social behavior to the evolution of facial diversity and complexity in primates, and they also show that ecology controls aspects of facial patterns.

As species live closer to the equator, the skin and hair around their eyes get darker, the biologists report. They also found that regions of the face around the nose and mouth get darker when species live in humid environments and denser forests and that facial hair gets longer as species live farther from the equator and the climate gets colder, which may be related to regulating body temperature.

"This is a good start toward understanding facial diversity," Alfaro said. "There was not a good idea before about what aspects of faces were shaped by which evolutionary pressure. Sharlene [Santana] has been able to say what social complexity, social behavior and ecology are doing to faces."

In the future, Santana, Lynch Alfaro and Alfaro may use computer facial-recognition software to help quantify the faces in a more sophisticated way. They also plan to study the faces of carnivores, including big cats.

Previous studies, they noted, have found that primate species with moustaches and beards (such as No. 11 and No. 9 in the accompanying image) tend to look poker-faced; they don't move their faces much when they communicate, compared with other species (such as No. 4).

Alfaro praised Santana's ability to answer some of these difficult evolutionary questions.

"Sharlene has tested ideas that have been virtually impossible to test before," he said. "She has found a clever way to implicate the degree of sociality as contributing to the diversity of faces. Social behavior explains some aspects of facial diversity."

Santana also devised a way to test a theory that has been in the biological literature for decades but had never been tested before. As a lineage diverges and species accumulate, a series of changes in facial coloration and body coloration emerges. The theory she was able to test suggests that once a species evolves to have a certain color, such as hair color, the change is irreversible and it cannot evolve back to a previous color in its lineage. Santana found this theory to be wrong.

"The idea in biology that evolutionary change is irreversible is rejected very strongly by our data," Alfaro said.

Lessons for human faces?

Does the study have implications for the evolution of human faces?

The findings do suggest, Alfaro said, that an important factor in shaping human faces is the premium on making unambiguous facial expressions.

"Humans don't have all these elaborate facial ornamentations, but we do have the ability to communicate visually with facial expressions," Alfaro said. "Does reduced coloration complexity create a blank palate for visual expressions that can be conveyed more easily? That is an idea we are testing."

<한글기사>

영장류의 얼굴, 왜 그렇게 다양한가?

큰 집단일수록 밋밋..표정이 중요

(서울=연합뉴스) 영장류의 얼굴 모습은 종에 따라 극심한 차이가 있지만 큰 집 단을 이루는 종일수록 얼굴 모습이 단순하고 밋밋하며 그 대신 표정이 중요한 역할 을 하는 것으로 밝혀졌다고 사이언스 데일리가 최신 연구를 인용 보도했다.

미국 로스앤젤레스 캘리포니아대학(UCLA) 과학자들은 영장류의 얼굴이 어떤 방 식으로 진화했으며 이런 진화를 가져온 요인이 무엇인지 알아내기 위해 중남미에 서 식하는 영장류 수컷 129마리의 얼굴을 연구해 이런 사실을 발견했다고 영국 생물학 회지 프로시딩스 B.에 발표했다.

연구진은 중남미에 사는 영장류의 얼굴에는 밝은 빨강색이 있는가 하면 턱수염 이 달린 것도 있고 머리카락이 뭉치로 나 있는 것 등 그 형태가 실로 다양하다면서 얼굴 연구를 통해 최소한 2천400만년 동안 진행돼 온 이들의 진화에 관해 많은 정보 를 얻을 수 있었다고 말했다.

이들은 털과 피부 등 얼굴 각 부위의 색깔, 얼굴의 패턴과 해부학적 특징 별로 14개 영역으로 구분해 `복잡도 지수'를 매기고 시간의 흐름과 사회 시스템에 따라 이런 복잡성이 어떻게 진화했는지 연구했다.

연구진은 얼굴 색이 자연 환경과 어떤 관련이 있는지 밝히기 위해 각 영장류 집 단의 서식지 경도와 위도를 통해 햇빛 노출도와 기온을 측정하고 통계적 기법을 이 용해 각 영장류 집단의 진화 역사와 각 집단이 갈라진 시기를 조사했다.

그 결과 큰 집단을 이뤄 사는 종일수록 얼굴 형태가 더 단순하고 밋밋한 것으로 나타났는데 이에 대해 연구진은 "아마도 얼굴 표정을 이용한 소통능력과 관련이 있 는 것으로 보인다"고 밝혔다. 밋밋한 얼굴일수록 표정을 쉽게 전달할 수 있다는 것 이다.

사람의 경우엔 대체로 털이 없는 맨숭맨숭한 얼굴을 갖고 있어 다양한 색깔을 갖고 있는 경우보다 표정이 쉽사리 드러난다.

연구진은 "이는 예상과 정반대의 현상이다. 처음에 우리는 큰 집단일수록 얼굴 모습도 다양하고 더 복잡해 각 개체들을 구별하기가 쉬울 것으로 생각했었다. 그러 나 연구 결과 한 지역에서 큰 집단을 이뤄 사는 종들은 작은 집단들이 여기저기 흩 어져 사는 종에 비해 얼굴 표정을 더 많이 사용하는 것으로 밝혀졌다. 이는 근린 생 활을 하는 것이 표정 진화에 강력한 압력요인으로 작용한 결과"라고 설명했다.

이들은 "이는 사회성이 높은 집단일수록 얼굴에 복잡한 무늬가 있는 것보다는 표정이 중요하다는 것을 의미한다"고 말했다.

연구진은 또 주위에 많은 근연종(近緣種) 이웃을 갖고 있는 영장류 종은 집단의 크기에 상관없이 얼굴 모습이 더 복잡해진다는 것을 발견했다. 이는 같은 서식지에 사는 다른 근연종과의 교잡을 피하기 위해 각 개체를 구별할 필요성이 더 커진다는 사실과 부합하는 것이다.

이 연구는 사회적 행동과 얼굴 다양성 진화의 관계를 수량적으로 입증한 최초의 것이다.

연구진은 이 밖에도 주위 환경이 얼굴 패턴에 어떤 영향을 미치는지도 밝혀냈다.

적도에 가까이 사는 종일수록 눈 주위 털과 피부의 색이 짙어지고 습도가 높은 우거진 숲에 사는 종은 코와 입 주위 색깔이 짙어지며 적도에서 멀어져 기온이 낮은 곳의 종일수록 얼굴의 털이 길어져 체온 조절과 관련이 있는 것으로 나타났다.

연구진은 이 연구는 사람에게도 의미를 갖는다면서 사람의 얼굴을 형성하는 중 요한 요소는 `의미가 분명한 표정'이라고 지적했다. 즉 사람은 다른 영장류처럼 다 양한 얼굴 장식을 갖고 있지 않지만 얼굴 표정을 통해 시각적으로 상대와 소통할 수 있다는 것이다.

연구진은 또 종의 분화가 거듭되면서 얼굴 색과 몸 색깔에 일련의 변화가 나타난다는 생물학계의 오래 된 가설이 틀렸음을 입증하는 성과를 올렸다.

즉 한 종이 털 등에 특정 색깔을 갖게 진화하면 이런 변화는 되돌릴 수 없는 것 이 된다는, `진화에 따른 변화의 비가역성'은 옳지 않은 것으로 드러났다. (연합뉴스)



 

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