Osteopathy of the pectoral and pelvic limbs including pentadactyly in a young Kestrel (Falco t. tinnunculus)

Summary

A five and a half weeks old female Kestrel exhibiting osteopathy of the pectoral and pelvic limbs, including symmetrical hyperdactyly, was investigated in order to clarify the pattern of the involved anatomical alterations and the possible causes of this developmental malformation. In the pectoral limb it consisted of a triplication of the alular digit, in the pelvic limb of a duplication of digit I. The live young Kestrel was observed for a period of two weeks to ascertain that it was unable to fly or procure prey on its own. After its death radiographs were taken and, apart from an eidonomic inspection including the wing claws, a detailed macroscopic dissection of the musculature of the pectoral and pelvic limbs was carried out using the ‘in-water-method’. Consecutive dissection steps were documented by a series of photographic slides. The relevant musculature, particularly that of the supernumerary digits, was recorded in proportional drawings. Subsequent to maceration of the limbs the isolated bones were reassembled according to the radiographs and also documented by means of photographs and drawings. This anatomical approach produced a reliable reconstruction of the skeletomuscular apparatus of the hyperdactylous limb parts. The eidonomic inspection revealed that at least young Kestrels may have two (alular and major digit) or even three wing claws per side. The proximal skeletal elements of both pectoral and pelvic limb were more sturdily built than in a typical Kestrel of comparable age. The proximal elements of the pelvic limb, the tarsometatarsus in particular, were shorter than in a typical Kestrel. In addition, the long axis of the tarsometatarsus was laterally bent in the transverse plane so that its proximal articular surfaces were medially inclined. Duplication of the cutaneous and osseous elements in the foot was accompanied by a duplication of some of the muscular and/or tendinous elements supplying digit I proper and the accessory digit I'. There were left-to-right asymmetries of the pedal musculature concerned. In contrast, the two accessory alular digits of each wing were almost completely devoid of musculature. Apart from atypical points of origin or insertion of the remaining distal musculture, left-to-right asymmetries and the two accessory alulae per wing, presumably, affected aerodynamic properties and resulted in flightlessness.

A juvenile Kestrel of similar age and without hyperdactyly was dissected for comparison. In addition, the external appearance of the carpometacarpal region of two female Silkies, an obligatory pentadactylous breed of domestic fowl, was inspected and the skeletal parts of their pectoral and pelvic limbs compared with those of the hyperdactylous Kestrel. Our results and a literature review suggest that the symmetrical hyperdactyly in the Kestrel bears striking similarities to the hereditary hyperdactyly observed in certain breeds of domestic fowl. In addition, there is a striking resemblance between the hyperdactyly of the young Kestrel and certain forms of hyperdactyly induced by molecular genetical experiments of other authors on chicks. Comparison with these results taken from the literature suggest that the symmetrical hyperdactyly in the young Kestrel, including the alterations of the proximal skeletal elements, is caused by an unusually early expression of the Hoxd-11 gene group during embryological development. Most likely, this gene group is situated on the 2^nd chromosome in birds just as it is in mammals.

Zusammenfassung

Ein fünfeinhalb Wochen alter weiblicher Turmfalke mit einer Osteopathie der Vorder- und Hinterextremitäten, verbunden mit einer symmetrischen Hyperdactylie, wurde untersucht, um das Muster der beteiligten anatomischen Veränderungen und die möglichen Ursachen dieser Mißbildung zu erkennen. An der Vorderextremität bestand sie aus einer Verdreifachung des Alula-Fingers, an der Hinterextremität aus einer Verdoppelung der Zehe I. Die Beobachtung des lebenden jungen Turmfalken während eines Zeitraumes von zwei Wochen ergab, dass er flugunfähig war und keine Beute schlagen konnte.

Nach seinem Tod und einer Inspektion der Eidonomie, einschließlich der Flügelkrallen, wurden Röntgenaufnahmen angefertigt. Danach folgte eine detaillierte makroskopische Präparation der Flügel- und Beinmuskulatur unter Verwendung der „In-Wasser-Methode“. Die einzelnen Präparationsschritte wurden anhand von Dia-Serien dokumentiert. Die relevante Muskulatur, insbesondere die der überzähligen Digiti, wurde in proportionsgetreuen Zeichnungen festgehalten. Nach Mazeration der Extremitäten wurden die Einzelknochen, entsprechend den Röntgenbildern, wieder zusammengesetzt und ebenfalls mit Fotografien und Zeichnungen dokumentiert. Dieser anatomische Ansatz lieferte eine zuverlässige Rekonstruktion des Skelett-Muskel-Apparates der hyperdactylen Extremitätenanteile.

Die eidonomische Inspektion ergab, dass zumindest junge Turmfalken zwei (Digitus alularis und majoris) oder sogar drei Flügelkrallen haben können. Die proximalen Skelettelemente der Vorder- und Hinterextremität waren deutlich robuster gebaut als bei einem typischen Turmfalken vergleichbaren Alters. Die proximalen Elemente der Hinterextremität, insbesondere der Tarsometatarsus, waren kürzer als bei einem typischen Turmfalken. Darüberhinaus war die Längsachse des Tarsometatarsus in der Transversalebene laterad gekrümmt, so dass sich seine proximalen Gelenkflächen schräg mediad richteten. Entsprechend der kutanen und knöchernen Doppelbildungen des Fußes waren auch einige der Muskeln und Sehnen doppelt vorhanden, welche die eigentliche erste Zehe und die akzessorische erste Zehe versorgten. Es traten Rechts-/Links-Asymmetrien der betreffenden Muskulatur auf. Im Gegensatz dazu waren die beiden akzessorischen Alula-Finger jedes Flügels fast vollständig ohne Muskulatur. Abgesehen von atypischen Ursprungs- und Insertionspunkten der verbleibenden distalen Muskulatur, beeinträchtigten Rechts-/Links-Asymmetrien und die beiden akzessorischen Alulae pro Flügel vermutlich die aerodynamischen Eigenschaften und führten zur Flugunfähigkeit.

Ein junger Turmfalke ähnlichen Alters ohne Hyperdactylie wurde zum Vergleich präpariert. Zusätzlich wurde die äußere Erscheinung der Carpometacarpal-Region zweier Seidenhühner, einer obligatorisch pentadactylen Hühnerrasse, inspiziert und die Skelettelemente ihrer Vorder- und Hinterextremitäten mit denen des hyperdactylen Turmfalken verglichen. Unsere Ergebnisse und ein Überblick der Literatur lassen auffallende Übereinstimmungen zwischen der symmetrischen Hyperdactylie des jungen Turmfalken und der erblichen Hyperdactylie bestimmter Hühnerrassen erkennen. Darüberhinaus besteht eine auffallende übereinstimmung zwischen der Hyperdactylie des jungen Turmfalken und bestimmten Formen der Hyperdactylie, welche von anderen Autoren durch molekulargenetische Experimente an Hühnerküken induziert wurden. Ein Vergleich mit diesen Ergebnissen aus der Literatur legt nahe, dass die symmetrische Hyperdactylie des jungen Turmfalken, einschließlich der Veränderungen der proximalen Skelettelemente, durch eine ungewöhnlich frühe Expression der Hoxd-11 Gengruppe im Laufe der Embryonalentwicklung verursacht wurde. Sehr wahrscheinlich ist diese Gengruppe bei Vögeln auf dem zweiten Chromosom lokalisiert — ebenso wie bei Säugetieren.