الملخص:
لفترة طويلة، اعتقد مجتمع علماء الحفريات عمومًا أن رباعيات الأرجل المبكرة فصلت رؤوسها عن الأكتاف وطورت أعناقًا مستقلة من أجل السماح لرؤوسها بالدوران بحرية أكبر، وبالتالي البحث عن الطعام بشكل أكثر فعالية وتجنب الحيوانات المفترسة في الماء أو على الأرض. ومع ذلك، فإن دراسة جديدة تتحدى هذه الفرضية التي كانت شائعة منذ عقود: كانت الأعناق الأولى في الواقع متصلبة جدًا، مما أعطى الرأس مساحة محدودة جدًا للحركة.
في الأسماك، يتم ربط الأشرطة مباشرة بالجمجمة، وبالتالي لا تستطيع السمكة أن تدير جسمها بالكامل إلا إذا أرادت أن تنظر إلى اليسار أو اليمين. منذ حوالي 380 مليون سنة، بدأت بعض الحيوانات التي كانت تنتقل من الماء إلى الأرض تنمو لها أعناق منفصلة عن أجسامها. لكن الأبحاث الجديدة تظهر أن هذا التغيير الهيكلي لم يمنح رؤوسهم الكثير من حرية الحركة. جمعت الدراسة بين الأدلة الأحفورية الجديدة ونمذجة الاختبارات الميكانيكية على الأسماك الحية، مما يدل على أن هذه الأعناق المبكرة ظلت متصلبة. وأجرى هذه الدراسة الدولية توم ستيوارت، الأستاذ المساعد في علم الأحياء بجامعة ولاية بنسلفانيا، ونشرت النتائج في مجلة الطبيعة في 14 أكتوبر.
يرجع العصر الديفوني إلى حوالي 420 إلى 360 مليون سنة مضت. تسجل الحفريات من هذه الفترة العديد من الحيوانات التي لها خصائص مائية وخصائص مرتبطة بالحياة الأرضية. كان لبعضهم زعانف سميكة ربما كانت قوية بما يكفي لدعم وزن الجسم، مما يسمح لهم بدعم أنفسهم في المياه الضحلة أو دفع أنفسهم على طول القاع؛ وفي الوقت نفسه، بدأت تظهر أيضًا أعناق متباينة بوضوح في هذه الأسماك الانتقالية.
وقال ستيوارت إن هذه فترة مثيرة للاهتمام للغاية في تاريخ الأرض، عندما تتشكل الغابات الأولى وتخضع الأرض لعملية إعادة تنظيم دراماتيكية. إن الفهم الدقيق لمتى وكيف قام سلالتنا بالانتقال من الماء إلى الأرض، وما هي الأنظمة التشريحية التي تغيرت، هو جزء مهم من هذا التاريخ. ومن المثير للاهتمام أن العديد من التغييرات التي حدثت في العظام منذ حوالي 380 مليون سنة لا تزال تنعكس في أجسامنا اليوم.
يشمل هذا النوع من الأسماك الانتقالية التيكتاليك، والتي تم العثور على حفرياتها في جزيرة إليسمير في الدائرة القطبية الشمالية في نونافوت، كندا. وقال ستيوارت إن هذه الدفعة من المواد مهمة لأن التيكتاليك هي واحدة من أقرب الأقارب للفقاريات ذات الأطراف، وتساعدنا على إعادة بناء العديد من الخطوات الوسيطة في الانتقال إلى الحياة على الأرض، مثل التحول من مص الماء إلى العض على الأرض، ومن السباحة إلى المشي.
بالنسبة لأسلاف رباعيات الأرجل (الفقاريات ذات الأطراف الأربعة)، فإن القدرة على النظر إلى الأسفل أو إلى الجانبين ربما ساعدتهم في العثور على الطعام وتجنب الحيوانات المفترسة في المياه الضحلة أو على الأرض. ولذلك رأى العلماء أن حركة الرأس المستقلة قد تكون ذات قيمة أكبر في مثل هذه البيئة منها في المياه العميقة. وقال ستيوارت إن تيكتاليك تم وصفه لأول مرة في عام 2006، ولعقود من الزمن كان من المفترض بشكل معقول أن هذا الفصل بين الرأس والكتفين لا بد أنه سمح للرأس بالتحرك بحرية أكبر. ولذلك، فإن الفرضية القائلة بأن "حركة الرقبة هي القوة الدافعة التطورية لهذا التغيير في بنية جسم رباعيات الأرجل" كانت هي المهيمنة، على الأقل حتى الآن.
لاختبار هذا التفسير، يجب على المرء إعادة بناء عمود فقري يختلف عن العمود الفقري لمعظم الفقاريات اليوم. كان لدى رباعيات الأرجل المبكرة وأقاربها نسيج يشبه القضيب يسمى الحبل الظهري يمتد على طول العمود الفقري بالكامل؛ كانت فقراتها صغيرة جدًا، ومرتبة حول هذه الكتلة العملاقة من الأنسجة الرخوة، وكان سلوكها الميكانيكي مختلفًا تمامًا عن المفاصل بين الفقرات في الحيوانات الحديثة. يوضح ستيوارت أن أشواك الأسماك التي تخضع لهذه التغييرات تتكون في الغالب من أنسجة رخوة، والتي لا يمكن حفظها بسهولة في الحفريات مثل العظام. وفي هذه الحالة، يمكن استخدام الحيوانات الحديثة كمرجع إلى الماضي، تمامًا كما تساعدنا الطيور الحية على فهم الديناصورات المنقرضة.
إن الأشواك المبنية حول الحبل الظهري نادرة اليوم، ولكنها كانت شائعة في تاريخ الحياة. لا يزال سمك الحفش، وهو سمكة ذات صلة بعيدة تسمى أحيانًا "الحفرية الحية" بسبب سماتها الأصلية، يحتفظ بهذا العمود الفقري، مما يجعله موضوعًا مفيدًا لدراسة الخواص الميكانيكية المفقودة من الحفرية. وقال ستيوارت: "نريد أن نفهم كيف عاشت هذه الحيوانات ذات الأرجل الأربعة وكيف انعكس ذلك في التغيرات التي طرأت على أجسامها". من الصعب جدًا إعادة بناء المكان الذي يعيش فيه الحيوان وكيف يتحرك وما هو سلوكه. ما يجعل هذه الدراسة جديرة بالملاحظة هو أنها تجمع بين البيانات الأحفورية ودراسات الحيوانات الحية لإعادة بناء ما تعنيه التغييرات التشريحية التي نراها لسلوكها من منظور ميكانيكي ووظيفي.
قام الباحثون بقياس صلابة الحبل الظهري لسمك الحفش الحديث ثم طبقوا هذه الخصائص المادية على نماذج الرقبة لرباعيات الأرجل المبكرة والأقارب الانتقاليين مثل التيكتاليك لاختبار ما إذا كان فصل الكتفين عن الجمجمة سيسمح بالفعل للرأس بالتحرك بحرية بالنظر إلى بنية العمود الفقري الموجودة. وقالت دانا كونيسيل، المؤلفة الأولى للدراسة وباحثة ما بعد الدكتوراه في جامعة أوبسالا في السويد، إنها أجرت هذه الدراسة لمعرفة مدى تأثير هذا التغيير التشريحي على هذه الحيوانات. يشبه هيكل العمود الفقري لسمك الحفش تلك الموجودة في رباعيات الأرجل المبكرة، ولكن لا يبدو أنه جامد بشكل خاص، لذلك تفاجأت عندما وجدت أن جميع هذه الحيوانات تقريبًا تفتقر إلى قدرة حركة الرأس بشكل كبير بعد النمذجة.
تأخذ هذه التقديرات في الاعتبار العمود الفقري نفسه فقط. قد تؤدي العضلات والجلد والعظام الموجودة في جلد العديد من هذه الحيوانات إلى تقييد الحركة بشكل أكبر، مما يعني أن نطاق حركة رقبة الحيوان الحقيقي قد يكون أصغر مما يقترحه النموذج. وقال كونيسيل إن هذه الحيوانات لا ترفع رؤوسها أكثر من مستويات الأسماك، وأحيانا أقل، ونوع التواء الرأس الذي يمكننا القيام به عندما نهز رؤوسنا غير ممكن في هذه الحيوانات.
بما أن الرأس حصل على مساحة صغيرة للحركة الإضافية، يشير الباحثون إلى أن ظهور رقبة مستقلة هو على الأرجح نتيجة للتغيرات التشريحية المرتبطة بالحركة مع الأطراف الأمامية، مع مرونة أكبر أكثر من فائدة لاحقة من الميزة التي دفعت في البداية إلى فصل الرأس والكتفين. وقال كونيسيل: "نحن نعلم أن رباعيات الأرجل اكتسبت في النهاية قدرة أكبر على حركة الرقبة، وهو ما كان مفيدًا في نهاية المطاف، لكن رباعيات الأرجل المبكرة لم تكن قادرة على الاستمتاع بهذه الميزة بسبب القيود التشريحية".
تحمل الورقة البحثية عنوان "نمذجة حركة الرقبة في رباعيات الأرجل المبكرة باستخدام المقارنات الموجودة" ومن بين المؤلفين دانا إي. كورنيسيل، كاساندرا إم. دوناتيلي، هان لينفانج، توماس أ. ستيوارت، أندرو إل. تراينور، بنجامين كيه إيه. أوتو، ماركوس مارتينيز، تيتسو مياشيتا، إميلي إم ستاندن، وهيلاري سي. مارتن. تم دعم البحث من خلال جائزة ستيفن كوهين لأبحاث الطلاب من جمعية علم الحفريات الفقارية وتمويل من مجلس أبحاث العلوم الطبيعية والهندسة في كندا.
التعليقات