New paper: Climate shaped how Neolithic farmers and European hunter-gatherers interacted after a major slowdown from 6,100 BCE to 4,500 BCE

Crops. Photo by Michela Leonardi
Crops. Photo by Michela Leonardi

It just came out in Nature Human Behaviour a new paper to which I collaborated: Climate shaped how Neolithic farmers and European hunter-gatherers interacted after a major slowdown from 6,100 BCE to 4,500 BCE. The article is behind paywall, but there is a read-only version and the publisher added the full text in Researchgate.

Lia Betti, Robert M. Beyer, Eppie R. Jones, Anders Eriksson, Francesca Tassi, Veronika Siska, Michela Leonardi, Pierpaolo Maisano Delser, Lily K. Bentley, Philip R. Nigst, Jay T. Stock, Ron Pinhasi & Andrea Manica 

Climate shaped how Neolithic farmers and European hunter-gatherers interacted after a major slowdown from 6,100 BCE to 4,500 BCE

The Neolithic transition in Europe was driven by the rapid dispersal of Near Eastern farmers who, over a period of 3,500 years, brought food production to the furthest corners of the continent. However, this wave of expansion was far from homogeneous, and climatic factors may have driven a marked slowdown observed at higher latitudes. Here, we test this hypothesis by assembling a large database of archaeological dates of first arrival of farming to quantify the expansion dynamics. We identify four axes of expansion and observe a slowdown along three axes when crossing the same climatic threshold. This threshold reflects the quality of the growing season, suggesting that Near Eastern crops might have struggled under more challenging climatic conditions. This same threshold also predicts the mixing of farmers and hunter-gatherers as estimated from ancient DNA, suggesting that unreliable yields in these regions might have favoured the contact. between the two groups.

Nat Hum Behav (2020). https://doi.org/10.1038/s41562-020-0897-7

New preprint: mtDNA-based reconstructions of change in effective population sizes of Holarctic birds do not agree with their reconstructed range sizes based on paleoclimates

European robin (Erithacus rubecula), picture by Michela Leonardi
European robin (Erithacus rubecula), one of the species analysed in the study.
Picture by Michela Leonardi

A new preprint to which I collaborated was just submitted to BioRxiv: mtDNA-based reconstructions of change in effective population sizes of Holarctic birds do not agree with their reconstructed range sizes based on paleoclimates. The work is led by Eleanor Miller, and was performed under the supervision of Andrea Manica and Bill Amos (University of Cambridge). 

Abbiamo appena pubblicato su bioRxiv un nuovo preprint dal titolo: mtDNA-based reconstructions of change in effective population sizes of Holarctic birds do not agree with their reconstructed range sizes based on paleoclimates. La prima autrice è Eleanor Miller, del Dipartimento di Zoologia dell’Università di Cambridge, che ha lavorato sotto la supervisione di Andrea Manica e William Amos (anche loro con la stessa affiliazione).

ATTENZIONE: Questo articolo è un preprint, che vuol dire che non è ancora stato sottoposto a una revisione fra pari (peer-review), per il momento è stato inviato a una rivista scientifica e attende di essere valutato. E’ probabile quindi che la versione finale, dopo il processo di revisione, contenga diversi cambiamenti inclusi nuovi risultati o potenziali nuove analisi a sostegno dei risultati.

In questo articolo abbiamo studiato 102 specie di uccelli che vivono in ambienti diversi di Eurasia e Nord America, cercando di capire in che modo i cambiamenti climatici che sono avvenuti dopo l’ultimo massimo glaciale (intorno ai 21.000 anni fa) hanno influenzato la loro demografia. Infatti durante l’ultimo massimo glaciale il clima era molto più freddo, il ghiaccio perenne copriva gran parte dell’emisfero nord, e alcuni ambienti erano molto più diffusi (ad esempio la steppa e le praterie fredde) mentre altri erano molto meno diffusi (per esempio le foreste). Per questo ci si poteva aspettare una diffrenza nella risposta demografica di specie che vivono in ambienti diversi.

Ricostruire la demografia del passato è un compito molto difficile, non c’è un metodo che permetta di farlo in modo diretto. Quello che si può fare è usare diversi metodi che calcolano delle misure che possano darci informazioni indirette su quello che poteva essere il numero di individui in un determinato momento. Nel nostro articolo abbiamo usato due di questi metodi,  che si basano su dati diversi e assunzioni diverse, in modo da massimizzare la quantità di informazioni ricavate.

Il primo di questi approcci sono i Bayesian Skyline Plot [1], che ricostruiscono la dimensione effettiva della popolazione [2] nel tempo sulla base del DNA mitocondriale. Nonostante il nome possa trarre in inganno, questa misura non è strettamente legata al numero di individui, indica piuttosto il grado di variabilità genetica presente nella popolazione. Si basa sull’assunzione che la tutti gli individui abbiano la possibilità di incrociarsi fra di loro, e la stessa probabilità di riprodursi: in queste condizioni una popolazione con più individui ha una variabilità genetica più alta, per questo motivo le ricostruzioni della dimensione effettiva sono considerate informative sulla demografia. Tuttavia vanno interpretate con attenzione perchè possono essere influenzate anche dal grado di isolamento geografico, dalla presenza di barriere geografiche fra gruppi di individui, e da molti altri fattori. Pubblicherò fra poco un capitolo di libro su questo tema, che mette in chiaro alcuni degli errori più frequenti che si possono fare nell’interpretazione di questo genere di informazioni.

Il secondo metodo è la modellizzazione ecologica della distribuzione delle specie (in inglese Species Distribution Modelling) [3]. Questa classe di metodi associa le osservazioni di una specie con le caratteristiche ambientali o climatiche in cui vive, per ricostruire l’areale di distribuzione potenziale sia nel presente, sia nel passato (o nel futuro) quando sono disponibili simulazioni del clima di altri periodi. Anche in questo caso la dimensione dell’areale di distribuzione non è direttamente correlata al numero di individui, ma spesso si usa questa misura come proxy della demografia presupponendo che areali più grandi possano sostenere un maggior numero di individui. 

Abbiamo confrontato le traiettorie degli skyline plots negli ultimi 21.000 anni con le differenze fra gli areali di distribuzione di 21.000 anni fa e del presente. Nonostante si osservi nella maggior parte delle specie un aumento in entrambe le misure, le traiettorie delle due misure non sono correlate. Probabilmente ci troviamo di fronte a fenomeni che non sono evidenti solo sulla base delle due misure analizzate, come ad esempio dei cambi di densità di popolazione.

Le nostre analisi dimostrano che quando si parla di demografia del passato è fondamentale non considerare le informazioni tratte da un solo metodo, e ricordare che dietro ad ogni modello o misura ci sono delle assunzioni importanti che vanno testate volta per volta. La realtà è sempre più complessa dei metodi che usiamo per ricostruirla, per questo bisogna integrare diversi approcci in modo da riuscire ad avere un quadro della situazione il più completo possibile. 

 

Eleanor F. Miller, Rhys E. Green, Andrew Balmford, Robert Beyer, Marius Somveille, Michela Leonardi, William Amos, Andrea Manica

mtDNA-based reconstructions of change in effective population sizes of Holarctic birds do not agree with their reconstructed range sizes based on paleoclimates

During the Quaternary, large climate oscillations had profound impacts on the distribution, demography and diversity of species globally. Birds offer a special opportunity for studying these impacts because surveys of geographical distributions, publicly-available genetic sequence data, and the existence of species with adaptations to life in structurally different habitats, permit large-scale comparative analyses. We use Bayesian Skyline Plot (BSP) analysis of mitochondrial DNA to reconstruct profiles depicting how effective population size (Ne) may have changed over time, focussing on variation in the effect of the last deglaciation among 102 Holarctic species. Only 3 species showed a decline in Ne since the Last Glacial Maximum (LGM) and 7 showed no sizeable change, whilst 92 profiles revealed an increase in Ne. Using bioclimatic Species Distribution Models (SDMs), we also estimated changes in species potential range extent since the LGM. Whilst most modelled ranges also increased, we found no correlation across species between the magnitude of change in range size and change in Ne. The lack of correlation between SDM and BSP reconstructions could not be reconciled even when range shifts were considered. We suggest the lack of agreement between these measures might be linked to changes in population densities which can be independent of range changes. We caution that interpreting either SDM or BSPs independently is problematic and potentially misleading. Additionally, we found that Ne of wetland species tended to increase later than species from terrestrial habitats, possibly reflecting a delayed increase in the extent of this habitat type after the LGM.

bioRxiv 2019.12.13.870410; doi: https://doi.org/10.1101/2019.12.13.870410

New paper: Late Quaternary horses in Eurasia in the face of climate and vegetation change

Horses in Camargue, France. Photo by Michela Leonardi
Horses in Camargue, France. Photo by Michela Leonardi

It just came out in Science Advances our paper “Late Quaternary horses in Eurasia in the face of climate and vegetation change“, done in collaboration with Ludovic Orlando (Copenhagen/Toulouse), David Nogues-Bravo (Copenhagen), Andrea Manica (Cambridge), Francesco Boschin and Paolo Boscato (Siena), and many other excellent scientists!

This study represents the most ambitious effort so far to reconstruct the palaeoecology of the horse in Eurasia through more than 40 thousand years to gain a better understanding of their population dynamics through space and time. Our results suggest that European and Asian horses show different climatic adaptations;  allow a better understanding of the progressive reduction in European horse remains during the Holocene, and shed new light on potential domestication centres.

Michela Leonardi, Francesco Boschin, Konstantinos Giampoudakis, Robert M. Beyer, Mario Krapp, Robin Bendrey, Robert Sommer, Paolo Boscato, Andrea Manica, David Nogues-Bravo and Ludovic Orlando

Late Quaternary horses in Eurasia in the face of climate and vegetation change

Wild horses thrived across Eurasia until the Last Glacial Maximum to collapse after the beginning of the Holocene. The interplay of climate change, species adaptability to different environments, and human domestication in horse history is still lacking coherent continental-scale analysis integrating different lines of evidence. We assembled temporal and geographical information on 3070 horse occurrences across Eurasia, frequency data for 1120 archeological layers in Europe, and matched them to paleoclimatic and paleoenvironmental simulations for the Late Quaternary. Climate controlled the distribution of horses, and they inhabited regions in Europe and Asia with different climates and ecosystem productivity, suggesting plasticity to populate different environments. Their decline in Europe during the Holocene appears associated with an increasing loss and fragmentation of open habitats. Europe was the most likely source for the spread of horses toward more temperate regions, and we propose both Iberia and central Asia as potential centers of domestication.

Science Advances, Vol. 4, no. 7, eaar5589