کشف راز تکاملی گردن ۳۸۰ میلیون ساله

وبگاه سای‌تِک‌دِیلی در گزارشی آورده است: شانه‌های ماهی‌ها مستقیماً به جمجمه آنها متصل هستند؛ به همین دلیل، ماهی برای نگاه‌کردن به چپ یا راست باید کل بدنش را بچرخاند؛ اما حدود ۳۸۰ میلیون سال پیش، برخی جانورانی که در حال بیرون‌آمدن از آب و زندگی روی خشکی بودند، دارای گردنی مستقل از شانه‌ها شدند. این تغییر به آنها اجازه می‌داد سرشان را جدا از بدن حرکت دهند.

با این حال، یک پژوهش جدید نشان می‌دهد این گردن تازه، آزادی زیادی برای حرکت سر به آنها نداده است. مدل‌ها نشان می‌دهند گردن این جانوران اولیه آن‌قدر که تصور می‌شد انعطاف‌پذیر نبوده و حرکت زیادی نداشته است. این یافته، فرضیه دیرینه‌ای را که می‌گفت گردن برای حرکت آزادتر سر تکامل یافته، به چالش می‌کشد.

این مطالعه بین‌المللی که تام استیوارت (Tom Stewart)، استادیار زیست‌شناسی دانشگاه پنسیلوانیا، در آن مشارکت داشت، در مجله نِیچِر/ Nature منتشر شده است.

مزیت فرضی نگاه‌کردن به اطراف

فسیل‌های دوره دِوونیَن (Devonian)، حدود ۴۲۰ تا ۳۶۰ میلیون سال پیش، جانورانی را نشان می‌دهند که ترکیبی از ویژگی‌های آبزی و خشکی‌زی داشتند. برخی از آنها باله‌های محکمی داشتند که می‌توانست وزنشان را تحمل کند و به آنها اجازه می‌داد در آب کم‌عمق خود را نگه دارند یا روی بستر آب حرکت کنند. در این ماهی‌هایی که در حال بیرون‌آمدن از آب و زندگی روی خشکی بودند، گردن‌های جداگانه هم ظاهر شدند.

استیوارت می‌گوید: این دوره از تاریخ زمین واقعاً جالب است؛ زمانی است که در آن، برخی از نخستین جنگل‌ها شکل می‌گیرند و چهره زمین تغییرات اساسی می‌کند. می‌خواهیم بدانیم نیاکان ما دقیقاً چه زمانی از آب به خشکی آمدند، این کار چگونه انجام شد و کدام بخش‌های بدنشان تغییر کرد. پاسخ این پرسش‌ها بخش مهمی از این داستان است. نکته جالب این است که بسیاری از تغییراتی که حدود ۳۸۰ میلیون سال پیش در اسکلت رخ داد، هنوز در بدن ما دیده می‌شود.

یکی از این ماهی‌های گذار، تیکتالیک (Tiktaalik) بود که فسیل‌هایش از جزیره ال‌اسمیر در نوناووت کانادا در شمالگان (منطقه قطبی شمال) به‌دست آمده است. استیوارت می‌گوید: این فسیل‌ها واقعاً مهم بودند، چون تیکتالیک یکی از نزدیک‌ترین خویشاوندان مهره‌داران چهارپا است. این فسیل به ما کمک می‌کند بسیاری از مراحل میانی گذار به زندگی روی خشکی مانند حرکت از تغذیه مکشی در آب به گازگرفتن در خشکی یا از شناکردن به راه‌رفتن را بازسازی کنیم.

تصویر بالا: تاس‌ماهی. تصویر پایین: بازسازی هنری تیکتالیک، یکی از نزدیک‌ترین خویشاوندان مهره‌داران چهارپا. پژوهش جدید با مدل‌سازی زیست‌مکانیکی روی تاس‌ماهی نشان می‌دهد نخستین جانوران خشکی‌زی احتمالاً گردن‌های سفتی داشتند، نه گردن‌های انعطاف‌پذیری که پیش‌تر تصور می‌شد.

از ماهی‌های زنده تا راز ستون فقرات باستانی

برای آزمودن این توضیح، پژوهشگران باید ستون فقراتی را بازسازی می‌کردند که با بیشتر مهره‌داران امروزی تفاوت داشت. مهره‌داران چهارپای اولیه و خویشاوندان نزدیکشان یک ساختار میله‌مانند و انعطاف‌پذیر به نام نوتوکورد (notochord) داشتند که در تمام ستون فقرات امتداد می‌یافت. مهره‌های آنها کوچک بودند و دور این هسته بزرگ بافت نرم چیده شده بودند.

استیوارت می‌گوید: ماهی‌هایی که این تغییرات را تجربه می‌کردند، ستون فقراتی داشتند که عمدتاً از بافت نرمی ساخته شده بود که برخلاف استخوان، به‌ندرت در فسیل‌ها حفظ می‌شود. همان‌طور که پرندگان زنده می‌توانند درباره دایناسور‌های منقرض‌شده به ما آموزش دهند، در چنین مواردی می‌توانیم به جانوران امروزی به‌عنوان الگو برای گذشته نگاه کنیم.

تاس‌ماهی (sturgeon)، که از نظر تکاملی خویشاوندی دوری با مهره‌داران چهارپا دارد و به دلیل ویژگی‌های ابتدایی‌اش گاهی فسیل زنده نامیده می‌شود، این نوع ستون فقرات را حفظ کرده است. همین موضوع آن را به راهی مفید برای بررسی ویژگی‌های مکانیکی ازدست‌رفته در فسیل‌ها تبدیل کرد.

گردنی بدون حرکت زیاد سر

پژوهشگران سختی نوتوکورد تاس‌ماهی امروزی را اندازه‌گیری کردند و سپس این ویژگی‌ها را به مدل‌های گردن مهره‌داران چهارپای اولیه و ماهی‌های در حال گذار به خشکی، مانند تیکتالیک، اعمال کردند.

دانا کورنیزیل (Dana Korneisel)، پژوهشگر پسادکتری دانشگاه اوپسالا در سوئد و نویسنده اصلی این مقاله، می‌گوید: این مطالعه را انجام دادم تا بفهمم این تغییر در ساختار بدن چقدر برای این جانوران تفاوت ایجاد کرده است. ستون فقرات تاس‌ماهی تقریباً شبیه مهره‌داران چهارپای اولیه ساخته شده، اما به نظر نمی‌رسید خیلی سفت باشد؛ بنابراین، پس از مدل‌سازی، تحرک بسیار اندک سر برای تقریباً همه این جانوران یک شگفتی بزرگ بود.

برآورد‌ها فقط ستون فقرات را در نظر گرفتند. عضلات، پوست و در بسیاری از این جانوران، استخوان‌های تعبیه‌شده در پوست می‌توانستند حرکت را بیشتر محدود کنند. این یعنی جانوران زنده ممکن است حتی تحرک گردن کمتری از آنچه مدل‌ها نشان می‌دهند داشته باشند.

کورنیزیل می‌گوید: این جانوران توانایی بلند کردن سرشان را بیشتر از ماهی‌ها نداشتند و گاهی حتی کمتر از ماهی‌ها می‌توانستند سرشان را بالا ببرند. دریافتیم که این جانوران نمی‌توانستند سرشان را مانند انسان بچرخانند. حتی تکان‌دادن ساده سر هم برای هیچ‌یک از آنها ممکن نبود.

با وجود این تحرک کم، پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند گردن متمایز احتمالاً به دلیل استفاده از اندام‌های جلویی برای حرکت شکل گرفته، نه برای حرکت آزادتر سر. به نظر می‌رسد انعطاف‌پذیری بیشتر، مزیتی بوده که بعداً به‌دست آمده، نه دلیلی که در ابتدا باعث جداشدن سر و شانه‌ها شده است.

کورنیزیل می‌گوید: می‌دانیم که مهره‌داران چهارپا در نهایت تحرک گردن بالاتری به‌دست آوردند. واضح است که این مزیت در نهایت سودمند بود، اما به دلیل محدودیت‌های ساختار بدن، برای این مهره‌داران چهارپای اولیه در دسترس نبود.