حرکت چهارپایان از آب به خشکی چگونه انجام شد؟

گذر از آب به خشکی یکی از مهم ترین و الهام بخش ترین انتقال های اساسی در تکامل مهره داران است. و این سوال که چگونه و چه زمانی چهارپایان از آب به خشکی گذر کردند برای مدت طولانی منبعی از شگفتی و مناظره های علمی بوده است.

نخستین ایده ها ادعا می کردند که حوضچه های آبی در حال خشکیدن ماهی ها را روی خشکی ها تنها می گذاشتند و آن محرومیت و به دور ماندن از آب باعث ایجاد فشار انتخابی (انتخاب طبیعی) برای تکامل و نمو ضمائم اندام گونه گردید تا با آن ها بتوانند به آب برگردند. در دهه ۱۹۹۰ نمونه های تازه کشف شده نشان می دادند که اولین چهارپایان بسیاری از ویژگی های جانوران آبزی را حفظ کرده بودند، مانند دستگاه تنفس و باله دم ماهی، و آن اندام ها ممکن است در آب ها پیش از این که چهارپایان با زندگی در خشکی سازگار شوند تکامل یافته باشند. هر چند هنوز هم درباره این که چه زمانی گذر از آب به خشکی اتفاق افتاده است و اولین چهارپایان خشکی واقعا چگونه بوده اند عدم قطعیت وجود دارد.

یک مقاله منتشر شده در ژورنال NATURE به تاریخ ۲۵ نوامبر امسال با استفاده از اطلاعات به دست آمده از فسیل ها با کیفیت بالا به این سوالات اشاره کرده است و نشان می دهد که اگرچه این چهارپایان اولیه هم چنان وابسته و متصل به آب بودند و ویژگی های موجودات آبزی را داشتند، هم چنین دارای سازگاری هایی که نماینده برخی از توانایی ها برای انتقال به خشکی هستند بودند. هر چند، حداقل بر اساس استانداردهای امروزی آن ها احتمالا در این امر (زندگی در خشکی) خیلی موفق نبودند.

نویسنده رهبر، بلیک دیکسون دارای مدرک دکتری در دپارتمان زیست شناسی تکاملی و ارگانیسمیک دانشگاه هاروارد و نویسنده ارشد، استفانی پیرس و توماس کابوت، دستیار استاد در دپارتمان زیست شناسی تکاملی و ارگانیسمیک و متصدی بخش دیرینه شناسی مهره داران در موزه جانورشناسی تطبیقی دانشگاه هاروارد، چهل مدل سه بعدی از فسیل های هومرای (جمع لاتین هومروس به معنای استخوان بازو) متعلق به جانوران منقرض شده که پل گذر از آب به خشکی را می سازند مورد آزمایش قرار دادند.

دیکسون در این باره می گوید:

به این دلیل که بایگانی فسیل ها در گذر به سمت خشکی در چهارپایان بسیار فقیر است، ما به دنبال منبع فسیل هایی رفتیم که بهتر می توانستند نشان دهنده تمامیت انتقال یا گذار در همه مسیر از یک ماهی تماما آبزی تا یک چهارپای زمینی کامل باشند.

دو سوم فسیل ها از کلکسیون های تاریخی جمع آوری شده در بخش جانورشناسی تطبیقی موزه هاروارد می آیند که از سراسر دنیا گردآوری شده اند. برای پر کردن جاهای خالی، پیرس با همکارانش در کانادا، اسکاتلند و استرالیا که به نمونه های کلیدی دسترسی داشتند ارتباط برقرار کرد. نکته حائز اهمیت برای مطالعه، کشف اخیر فسیل های جدید توسط نویسندگان همکار، دکتر تیم اسمیتسون و پروفسور جنیفر کلاک از دانشگاه کمبریج بریتانیا بود که بعنوان بخشی از پروژه TW:eed که یک طراحی مقدماتی جهت فهم تکامل اولیه چهارپایان مهاجر به خشکی است محسوب می شود.

محققین از آن جهت استخوان هومروس را انتخاب کردند که نه تنها فراوان بوده و به خوبی در بایگانی فسیل ها حفظ شده اند، بلکه هم چنین در همه سارکوپتریگیان ها وجود دارند، این ها گروهی از جانوران هستند که شامل ماهی های سیلکانت (ماهیانی از راسته سیلکانتی فورمز)، ماهی های ریه دار (از رده دیپ نویی) و  تمام چهارپایان متشکل از همه متعلقات فسیلشان می شوند. پیرس در این باره می گوید:

ما انتظار داشتیم که هومروس حاوی پیام محکم و عملکردی از جانوارانی باشد که از یک ماهی کارآمد کامل تا یک چهارپای خشکی زی کامل تغییر حالت یافته اند، و می توانستیم از آن برای پیش بینی این که چه زمانی چهارپایان شروع به حرکت به سمت خشکی کردند استفاده کنیم. ما متوجه شدیم که به نظر می رسد توانایی در خشکی زندگی کردن با شکل گیری اولیه اندام ها در یک زمان اتفاق افتاده اند که واقعا هیجان انگیز است.

استخوان هومروس پای جلویی را به بدن متصل می کند و خاستگاه اتصال بسیاری از عضلات است و باید در طول حرکات وابسته به اندام استرس زیادی را تحمل کند. به این دلیل، مقدار زیادی اطلاعات عملکردی حیاتی و مهم مرتبط با اکولوژی و حرکت جانور را در خود جای داده است. محققین پیشنهاد می دهند که تغییرات تکاملی در شکل استخوان هومروس، از استخوان کوچک و تپل در ماهی تا بلندتر و دارای شکل خاص در چهارپایان، دارای مفاهیم عملکردی مهم مربوط به گذر و انتقال به خشکی و توانایی حرکت کردن هستند. این نظریه تاکنون از لحاظ کمی به ندرت مورد تحقیق قرار گرفته است.

وقتی که دیکسون دانشجوی سال دوم بود، از به کار بستن تئوری شبیه سازی ویژگی های کمی در فهم کارآمد تکلمل حیرت کرد، این تکنیک نخستین بار در یک مطالعه در سال ۲۰۱۶ که توسط تیمی از دیرینه شناسان و به نویسندگی پیرس هدایت می شد استفاده شد و پیشگام بود. در مرکز شبیه سازی ویژگی های کمی ایده ی دیرینه شناس، جورج گیلورد سیمپسون که در سال ۱۹۴۴ مطرح شد قرار دارد که یک نمودار انطباقی را تعریف می کند که یک سطح سه بعدی ناهموار با قله ها و دره ها شبیه امتداد و محدوه یک کوه را دارد. در این نمودار، افزایش ارتفاع نمایانگر اجرای عملکردی و قابلیت انطباقی بهتر بوده، در گذر زمان انتظار می رود انتخاب طبیعی جمعیت ها را به سوی سربالایی و یک پیک انطباقی هدایت کند.

دیکسون و پیرس فکر کردند که می توانند از این رویکرد برای شبیه سازی انتقال چهارپایان از آب به خشکی بهره ببرند. آن ها این فرضیه را مطرح کردند که با تغییر شکل هومروس، نمودار انطباقی نیز تغییر می کند. برای مثال، ماهی ها یک پیک انطباقی در جایی که اجرای کارآمدشان در شناگری به اوج خود می رسد تجربه می کنند و چهارپایان زمینی یک پیک انطباقی را زمانی که اجرای عملکردی برای راه رفتن روی زمین به ماکسیمم مقدار خود می رسد تجربه می کنند. پیرس در این باره می گوید:

پس ما می توانستیم از این نمودارها استفاده کنیم تا ببینیم که آیا شکل هومروس در چهارپایان اولیه برای عملکرد بهتر در آب سازگار شده بوده یا در خشکی.

دیکسون اضافه می کند:

شروع به فکر در این باره کردیم که چه خصوصیات عملکردی و کاربردی مهمی را می توان از هومروس به دست آورد. که اصلا وظیفه آسانی نبود چرا که باله های ماهی بسیار متفاوت از اندام های چهارپا هستند.

در پایان، آن ها تمرکز خود را روی ۶ ویژگی که به طور قابل اطمینانی روی تمام فسیل ها می توانستند اندازه گیری شوند محدود کردند و آن خصوصیات شامل اندازه گیری های ساده مانند طول نسبی استخوان بعنوان نماینده طول قدم ها و آنالیزهای پیشرفته تر که استرس های مکانیکی را تحت سناریوهای مختلف از تحمل وزن جهت تخمین استحکام هومروس شبیه سازی می کرد می شدند.

دیکسون در این باره توضیح می دهد:

اگر شما ارائه مساوی از تمام ویژگی های عملکردی در اختیار داشته باشین می توانید شمای کلی و نقشه ی این که چگونه کارایی و اجرای حرکات همان زمان که از یک پیک انطباقی به دیگری می روید تغییر می کنند را داشته باشید.

با استفاده از روش بهینه سازی کامپیوتری تیم قادر بود تا ترکیب دقیقی از ویژگی های عملکردی که قابلیت های ماهیان آبزی، چهارپایان زمینی، و اولین چهارپایان را به اوج خود می رسانند آشکار کند. نتایج آن ها نشان داد که چهارپایان اولیه ترکیب منحصر بفردی از خصوصیت های عملکردی را داشتند، ولی با پیک انطباقیشان مطابقت نداشته است.

پیرس در این خصوص اضافه می کند:

چیزی که ما پیدا کردیم این بود که استخوان های هومروس چهارپایان اولیه در پایه نمودار موجودات خشکی تجمع می یابند که بیانگر افزایش کارایی برای حرکت روی زمین است. ولی در تکامل این جانوران تنها گروه محدودی از ویژگی های عملکردی جهت راه رفتن موثر روی خشکی به تکامل رسیده بود.

محققین پیشنهاد می کنند که توانایی حرکت در خشکی ناشی از انتخاب دیگر ویژگی ها نظیر تغذیه در آب که چهارپایان اولیه را به عادات اجدادی زندگی در آب گره می زده محدود شده بوده است. به محض آن که چهارپایان از قید این فشار آزاد گشتند، هومروس آزاد بود تا از لحاظ مورفولوژی و عملکرد تکامل یابد و تحرک وابسته به اندام را ارتقا دهد و در نهایت موجب رشد و گسترش احتمالی اکوسیستم های خاکی شد.

دیکسون در این باره توضیح می دهد:

مطالعه ما نخستین بینش و دورنمای کمی با کیفیت بالا در تکامل حرکت در زمین در گذر از آب به خشکی را ارائه می دهد. هم چنین پیش بینی می کند که چه زمانی و چگونه این حرکت و گذر اتفاق افتاده است و چه عملکردهایی حداقل در هومروس در این گذر با اهمیت بودند.

پیرس اضافه می کند:

به سوی جلو حرکت می کنیم و علاقه مندیم که تحقیق خود روی دیگر قسمت های اسکلت چهارپایان گسترش دهیم. برای نمونه، این موضوع مطرح شده است که اندام های جلویی قبل از اندام های عقبی قابلیت زمینی شدن و حرکت در خشکی را پیدا کرده اند و روش جدید ما می تواند برای کمک به آزمودن این فرضیه مورد استفاده قرار گیرد.

اخیرا دیکسون بعنوان محقق در مقطع پسادکتری در آزمایشگاه مربوط به حرکت جانوران واقع در دانشگاه دوک شروع به کار کرده است، ولی به همکاریش با پیرس و اعضای آزمایشگاهش برای مطالعات بیشتر که بر روی استفاده و اعمال این روش ها بر دیگر بخش های اسکلت و بایگانی فسیل ها تمرکز دارد ادامه می دهد.