تتراپود ها تقریبا ۳۹۰ میلیون سال پیش (مهره داران چهار پا) از آب به خشکی مهاجرت کردند که خود تحولی در پیدایش مارمولک ها، پرندگان، پستانداران و همه حیوانات خشکی که امروزه وجود دارد از جمله انسان و برخی از مهره داران آب مانند نهنگ ها است.
قدیمی ترین تتراپودها از اجداد ماهیان آن ها در دوره Devonian تکامل یافته اند و بیش از دو برابر قدیمی ترین فسیل های دایناسورها قدمت دارند. آن ها شبیه گونه حد واسط بین یک سمندر غول پیکر و یک تمساح بودند و حدود ۱-۲ متر طول داشتند، دارای آبشش، پایه های بافته شده و باله های دمی بودند و هنوز به شدت به آب وابسته بودند. دست ها و پاهای کوتاهی داشتند و احتمالاً شکارچیان کمین کننده ای بودند که درجای کم عمق آب شکار کنند.
دانشمندان می دانند که باله های ماهی چگونه به اندام تتراپودها تبدیل می شوند، اما بحث و جدال درباره اینکه کجا و چگونه اولین تتراپودها از اندام خود استفاده می کنند، همچنان وجود دارد.این در حالی است که فرضیه های زیادی مطرح شده است، تعداد بسیار کمی از مطالعات با دقت از آن ها با استفاده ازشواهد فسیلی آزمایش کرده اند. در مقاله ای که در ۲۲ ژانویه ۲۰۲۱ در Science Advances منتشر شد، یک تیم بین المللی متشکل از محققان مدل های دیجیتال سه بعدی استخوان ها، مفاصل و عضلات باله ها و اندام های دو تتراپاد اولیه منقرض شده و یک ماهی فسیلی که از نزدیک مرتبط است را بررسی کردند.
چگونه عملکرد اندام قدامی با تکامل باله ها به اندام تغییر می کند؟
تحقیقات انجام شده توسط جولیا مولنار، استادیار کالج پزشکی استئوپاتی انستیتوی فناوری نیویورک و استفانی پیرس توماس D. Cabot دانشیار زیست شناسی موجودات و تکامل در دانشگاه هاروارد، سه مرحله عملکرد مشخص را در انتقال از باله ها به اندام ها کشف کرد. اینکه این تتراپودهای اولیه دارای الگوی بسیار مشخصی از اهرم عضلانی بودند که به نظر باله ماهی یا اندام های تتراپود مدرن نبود.
برای بازسازی چگونگی عملکرد اندام های اولیه تتراپودها، مولنار، پیرس و نویسندگان همکارش جان هاچینسون (کالج رویال دامپزشکی)، روئی دیوگو (دانشگاه هوارد) و جنیفر کلاک (دانشگاه کمبریج) ابتدا نیاز به کشف عضلات داشتند.
در حیوانات فسیلی یک وظیفه چالش برانگیزوجود دارد؛ زیرا عضلات در فسیل ها حفظ نمی شوند و ماهیچه های باله های مدرن ماهی کاملا متفاوت از اندام های تتراپود است. این تیم چندین سال تلاش کرد تا به این سوال پاسخ دهد که دقیقاً چگونه چند عضله ساده یک باله به ده ها عضله تبدیل شده اند که انواع عملکردها را در یک اندام تتراپود انجام می دهند؟
پیرس گفت:
تعیین اینکه چه ماهیچه هایی در یک فسیل ۳۶۰ میلیون ساله وجود دارد سال ها کار زمان نیاز دارد تا به جایی برسیم که بتوانیم مدل های اسکلتی – عضلانی بسیار پیچیده ای را بسازیم.
ما باید بدانیم که چند عضله در حیوانات فسیلی وجود دارد و کجا به استخوان متصل شده اند تا بتوانیم عملکرد آن ها را آزمایش کنیم.
آنها مدل های اسکلتی – عضلانی سه بعدی از باله سینه ای در Eusthenopteron (ماهی نزدیک به تتراپودها که در دوره Devonian اواخر حدود ۳۸۵ میلیون سال پیش زندگی می کردند) و اندام های قدامی دو تتراپود اولیه، آکانتوستگا (۳۶۵ میلیون سال قبل از پایان دوره Devonian اواخر) وPederpesمیلیون سال(۳۴۸-۳۴۷) که در اوایل دوره کربونیفر زندگی می کنند).
آن ها برای مقایسه، مدل های مشابهی از باله های سینه ای ماهیان زنده (هم ریز، ماهی ریه) و اندام های قدامی چهارپایان زنده (سمندر، مارمولك) را ساختند. برای تعیین نحوه کار باله ها و اندام ها، محققان از نرم افزار محاسباتی استفاده کردند که در ابتدا برای بررسی حرکت انسان ساخته شده است. این تکنیک اخیراً برای بررسی حرکت در اجداد انسان ها و همچنین دایناسورهایی مانند T. rex مورد استفاده قرار گرفته است؛ اما هرگز در چیزی به قدمت تتراپود اولیه وجود ندارد.
مدل سازی در نرم افزار
با دستکاری مدل ها در نرم افزار، تیم توانست دو ویژگی عملکردی را اندازه گیری کند: حداکثر دامنه حرکت مفصل و توانایی عضلات در حرکت دادن مفصل های باله یا اندام. این دو اندازه گیری معادلات موجود در سیستم حرکتی را نشان می دهد و به محققان امکان می دهد فرضیه های عملکرد را در حیوانات منقرض شده آزمایش کنند. این تیم متوجه شد که اندام های قدامی تمامی تتراپودهای خشکی زی از سه مرحله عملکردی مشخص عبور کرده است: یک مرحله “ماهی اعماق دریا” می باشد، مرحله ی دیگر “تتراپود اولیه” بر خلاف هر حیوان منقرض شده است، و مرحله آخر “تتراپود تاج” با ویژگی های هر دو مارمولک و سمندرها می باشد.
پیرس گفت: باله Eusthenopteron دارای الگویی بود که ماهی ماهی ریه را یادآوری می کند، که یکی از نزدیکترین اقوام تتراپودها است؛ اما اندام های تتراپود اولیه شباهت های بیشتری نسبت به ماهی یا تتراپود مدرن دارند.
مولنار گفت: این شاید تعجب آورترین باشد.من فکر می کردم پدرپس، و احتمالاً آکانتوستگا، در محدوده تتراپود مدرن قرار می گیرند؛ اما آن ها گونه متمایز خود را تشکیل دادند که به نظر نمی رسد مانند یک اندام تتراپود مدرن یا باله ماهی باشد. آن ها مجموعه ای از ویژگی های خاص خود را داشتند که احتمالاً نشان دهنده محیط و رفتارهای منحصر به فرد آنها بود.
نتایج نشان داد که اندام های تتراپود اولیه بیشتر از تحمل وزن برای پیشرانه سازگار بودند. در آب، حیوانات از اندام های خود برای تحرک استفاده می کنند تا بتوانند خود را به جلو یا عقب برسانند تا آب بتواند وزن بدن آن ها را تحمل کند.
حرکت در خشکی
برای حرکت در خشکی،حیوان نیاز به خلاف نیروی جاذبه دارد و برای حمایت از توده بدن خود، باید اندام خود را به سمت پایین فشار دهد. این بدان معنا نیست که تتراپودهای اولیه توانایی حرکت در خشکی را ندارند؛ بلکه آن ها مانند یک تتراپود زنده امروزی حرکت نمی کنند. وسایل حرکتی آن ها احتمالاً فقط مخصوص این حیوانات بود که هنوز خیلی به آب گره خورده بودند، اما روی زمین هم رفت و آمد می کردند. احتمالا در جایی که فرصت های زیادی برای حیوانات مهره دار وجود داشت اما رقابت یا ترس کمی از شکارچیان بود، حرکت می کردند.
پیرس گفت:این نتایج عجیب و شگفت آور است زیرا آن ها به طور مستقل از مطالعه ای كه سال گذشته با استفاده از فسیل ها و روش های كاملاً متفاوت منتشر كردم پشتیبانی می كنند. این مطالعه که بر روی استخوان بالای بازو متمرکز بود، نشان داد که tetrapod های اولیه توانایی حرکت زمین را دارند؛ اما ممکن است در این کار مهارت چندانی نداشته باشند.
محققان به بازسازی تکامل حرکت زمینی نزدیکتر هستند، اما نیازمند کار بیشتری می باشد. آن ها قصد دارند اندام عقبی را برای بررسی نحوه کار هر چهار اندام با یکدیگر مدل سازی کنند. گفته شده است که تتراپودهای اولیه از اندام های قدامی خود، به عنوان پیشرانه استفاده می کردند؛ اما تتراپودهای مدرن بیشترین نیروی محرکه خود را از اندام عقب می گیرند.
مولنار گفت: ما قصد داریم به دنبال هر مدرکی از تغییر حرکت از جلو اندام به سمت حرکت حرکتی اندام عقب مانند تتراپودهای مدرن باشیم. نگاهی به اندام قدامی و عقب با هم می تواند اطلاعات بیشتری در مورد انتقال از آب به خشکی و چگونگی سرانجام تتراپودها برای سلطه بر قلمرو زمینی را نشان دهد.
