چگونه پستانداران به حرکت خود دست یافتند؟

تحول ایستایی پستانداران: از خزندگان به ایستادن عمودی

پستانداران، از جمله انسان‌ها، با وضعیت ایستاده خاص خود شناخته می‌شوند؛ ویژگی‌ای که موفقیت تکاملی شگفت‌انگیزی را برای آن‌ها به ارمغان آورده است. اما اجداد اولیه پستانداران مدرن بیشتر شبیه خزندگان بودند و پاهایشان به سمت کناره‌ها در وضعیتی پراکنده قرار داشت. تغییر از این وضعیت پراکنده، مانند آنچه در سوسمارها مشاهده می‌شود، به وضعیت ایستاده پستانداران مدرن، مانند انسان‌ها، سگ‌ها و اسب‌ها، لحظه‌ای حیاتی در تکامل به شمار می‌رود. این تغییر شامل سازماندهی مجدد عمده‌ای در آناتومی و عملکرد اندام‌ها در سیناپسیدها بود؛ گروهی که شامل پستانداران و اجداد غیرپستانداری آن‌ها می‌شود و در نهایت به پستانداران تری (کیسه‌داران و جفت‌داران) که امروز می‌شناسیم، منتهی شد. با وجود بیش از یک قرن مطالعه، سوالات “چگونه”، “چرا” و “کی” این جهش تکاملی همچنان مبهم باقی مانده است.

اکنون، در یک مطالعه جدید منتشر شده در Science Advances، محققان دانشگاه هاروارد بینش‌های جدیدی در این معما ارائه می‌دهند و نشان می‌دهند که تغییر از وضعیت پراکنده به ایستاده در پستانداران به هیچ وجه ساده نبوده است. با استفاده از روش‌های پیشرفته که داده‌های فسیلی را با مدل‌سازی بیومکانیکی ترکیب می‌کند، محققان دریافتند که این انتقال به طرز شگفت‌آوری پیچیده و غیرخطی بوده و بسیار دیرتر از آنچه قبلاً تصور می‌شد، رخ داده است.

نویسنده اصلی، دکتر پیتر بیشاپ، پژوهشگر پسادکتری، و نویسنده ارشد، پروفسور استفانی پیرس، هر دو از دپارتمان زیست‌شناسی ارگانیزمی و تکاملی در هاروارد، با بررسی بیومکانیک پنج گونه مدرن که نمایانگر تمام طیف وضعیت‌های اندامی هستند، آغاز کردند. این گونه‌ها شامل سوسمار تگویی (وضعیت پراکنده)، تمساح (نیمه‌عمودی) و گرگ‌نما (ایستاده) بودند. دکتر بیشاپ گفت: “با مطالعه این گونه‌های مدرن، درک ما از ارتباط آناتومی یک حیوان با نحوه ایستادن و حرکت آن به شدت بهبود یافت.” او افزود: “سپس توانستیم این اطلاعات را در زمینه تکاملی قرار دهیم که چگونه وضعیت و حرکت از سیناپسیدهای اولیه به پستانداران مدرن تغییر کرده است.”

محققان تحلیل خود را به هشت گونه فسیلی نمونه از چهار قاره که ۳۰۰ میلیون سال تکامل را شامل می‌شود، گسترش دادند. این گونه‌ها از پستاندار اولیه ۳۵ گرمی به نام Megazostrodon تا Ophiacodon ۸۸ کیلوگرمی متغیر بودند و شامل حیوانات نمادینی مانند Dimetrodon با دمی بادبانی و شکارچی دندان‌سابر Lycaenops بودند. با استفاده از اصول فیزیک و مهندسی، دکتر بیشاپ و پروفسور پیرس مدل‌های دیجیتال بیومکانیکی از نحوه اتصال عضلات و استخوان‌ها به یکدیگر ساختند. این مدل‌ها به آن‌ها اجازه داد تا شبیه‌سازی‌هایی تولید کنند که نشان می‌داد چقدر نیرو می‌تواند از پاهای عقبی به زمین وارد شود.

دکتر بیشاپ گفت: “مقدار نیرویی که یک اندام می‌تواند به زمین وارد کند، عامل تعیین‌کننده‌ای در عملکرد حرکتی حیوانات است. اگر نتوانید نیروی کافی در یک جهت مشخص تولید کنید، نمی‌توانید به سرعت بدوید، سریع بچرخید و بدتر از همه، ممکن است به زمین بیفتید.”

شبیه‌سازی‌های کامپیوتری یک “فضای نیروی ممکن” سه‌بعدی تولید کردند که عملکرد کلی یک اندام را به تصویر می‌کشد. پروفسور پیرس گفت: “محاسبه فضاهای نیروی ممکن به طور ضمنی تمام تعاملاتی را که می‌تواند بین عضلات، مفاصل و استخوان‌ها در طول یک اندام رخ دهد، در نظر می‌گیرد. این به ما دید واضح‌تری از تصویر بزرگ‌تر، دیدی جامع‌تر از عملکرد اندام و حرکت و چگونگی تکامل آن در طول صدها میلیون سال می‌دهد.”

در حالی که مفهوم فضای نیروی ممکن (که توسط مهندسان بیومدیکال توسعه یافته) از دهه ۱۹۹۰ وجود داشته است، این مطالعه برای اولین بار آن را به سوابق فسیلی اعمال می‌کند تا بفهمد چگونه حیوانات منقرض‌شده زمانی حرکت می‌کردند. نویسندگان شبیه‌سازی‌ها را به ابزارهای محاسباتی جدید “دوستدار فسیل” بسته‌بندی کردند که می‌تواند به سایر دیرینه‌شناسان در کاوش سوالات خود کمک کند.

ابزارهای جدید برای طراحی ربات‌های الهام‌گرفته از زیست

این ابزارها می‌توانند به مهندسان کمک کنند تا ربات‌های زیست‌الهام‌گرفته بهتری طراحی کنند که قادر به حرکت در زمین‌های پیچیده یا ناپایدار باشند. مطالعه‌ای که انجام شد، چندین «سیگنال» مهم از حرکت را نشان داد؛ از جمله اینکه توانایی تولید نیروی کلی در گونه‌های مدرن در وضعیت‌هایی که هر گونه در رفتار روزمره خود استفاده می‌کرد، به حداکثر می‌رسید. این موضوع به این معنا بود که بیشاپ و پیرس می‌توانستند با اطمینان بگویند که نتایج به‌دست‌آمده برای گونه‌های منقرض‌شده واقعاً نحوه ایستادن و حرکت آن‌ها در زمان حیات را منعکس می‌کند.

تحلیل عملکرد حرکتی گونه‌های منقرض‌شده

پس از تحلیل گونه‌های منقرض‌شده، محققان دریافتند که عملکرد حرکتی در طول میلیون‌ها سال به اوج و افول می‌رسیده و نه به‌صورت ساده و خطی از وضعیت‌های گسترش‌یافته به وضعیت‌های ایستاده پیش می‌رفته است. برخی از گونه‌های منقرض‌شده همچنین به نظر می‌رسیدند که انعطاف‌پذیرتر بوده و قادر به تغییر وضعیت بین حالت‌های گسترش‌یافته یا ایستاده‌تر بودند، مانند آنچه تمساح‌ها و کروکودیل‌های امروزی انجام می‌دهند. در حالی که برخی دیگر نشان‌دهنده بازگشت قوی به وضعیت‌های گسترش‌یافته قبل از تکامل پستانداران بودند.

این یافته‌ها، همراه با سایر نتایج مطالعه، نشان می‌دهد که ویژگی‌های مرتبط با وضعیت ایستاده در پستانداران امروزی بسیار دیرتر از آنچه قبلاً تصور می‌شد، تکامل یافته‌اند و احتمالاً نزدیک به جد مشترک تری‌ها بوده است. این نتایج همچنین به حل چندین مشکل حل‌نشده در رکورد فسیلی کمک می‌کند. به عنوان مثال، این موضوع توضیح می‌دهد که چرا دست‌ها، پاها و مفاصل نامتقارن در بسیاری از اجداد پستانداران باقی مانده‌اند؛ ویژگی‌هایی که معمولاً با وضعیت‌های گسترش‌یافته در میان حیوانات مدرن مرتبط هستند.

توضیح وضعیت فسیل‌های اجداد پستانداران

این مطالعه همچنین می‌تواند توضیح دهد که چرا فسیل‌های اجداد اولیه پستانداران غالباً در وضعیت‌های فشرده و پخش‌شده یافت می‌شوند؛ وضعیتی که بیشتر با اندام‌های گسترش‌یافته به دست می‌آید، در حالی که فسیل‌های پستانداران جفت‌زایی و کیسه‌دار مدرن معمولاً به‌صورت دراز کشیده روی پهلو یافت می‌شوند. بیشاپ گفت: “به عنوان یک دانشمند، بسیار رضایت‌بخش است که یک دسته از نتایج می‌تواند به روشن شدن مشاهدات دیگر کمک کند و ما را به درک جامع‌تری نزدیک‌تر کند.”

پیرس، که آزمایشگاهش به مدت نزدیک به یک دهه به مطالعه تکامل طرح بدنی پستانداران پرداخته، اشاره می‌کند که این یافته‌ها با الگوهای دیده‌شده در سایر بخش‌های بدن سیناپسیدها، مانند ستون فقرات، همخوانی دارد. او گفت: “تصویر در حال شکل‌گیری است که مجموعه کامل ویژگی‌های اساسی تری‌ها در یک دوره پیچیده و طولانی شکل گرفته است و این مجموعه به‌طور نسبی در تاریخ سیناپسیدها دیر به دست آمده است.”

تغییرات تکاملی و تأثیرات تصادفی

فراتر از پستانداران، این مطالعه نشان می‌دهد که برخی از تغییرات تکاملی عمده، مانند تغییر به وضعیت ایستاده، اغلب پیچیده بوده و ممکن است تحت تأثیر رویدادهای تصادفی قرار گرفته باشند. به عنوان مثال، بازگشت قوی به وضعیت‌های گسترش‌یافته در سیناپسیدها به نظر می‌رسد با انقراض جمعی پرمین-تریاس همزمان باشد – زمانی که 90 درصد از زندگی نابود شد. این رویداد انقراض باعث شد که گروه‌های دیگری مانند دایناسورها به گروه‌های غالب حیوانات در خشکی تبدیل شوند و سیناپسیدها را به سایه‌ها برانند.

محققان حدس می‌زنند که به دلیل این حاشیه‌نشینی اکولوژیکی، مسیر تکاملی سیناپسیدها ممکن است به قدری تغییر کرده باشد که نحوه حرکت آن‌ها را دگرگون کند. چه این فرضیه تأیید شود یا نشود، درک تکامل وضعیت پستانداران همواره یک معمای پیچیده بوده است. پیرس تأکید کرد که پیشرفت‌های قدرت محاسباتی و مدل‌سازی دیجیتال به دانشمندان دیدگاه‌های جدیدی برای پرداختن به این معماهای باستانی ارائه داده است. او گفت: “استفاده از این تکنیک‌های جدید با فسیل‌های باستانی به ما این امکان را می‌دهد که دیدگاه بهتری از چگونگی تکامل این حیوانات داشته باشیم و اینکه این داستان تکاملی فقط یک روایت ساده و خطی نبوده است.”

او ادامه داد: “این واقعاً پیچیده بود و این حیوانات احتمالاً در محیط‌های خود به شیوه‌هایی زندگی و حرکت می‌کردند که ما قبلاً به آن‌ها توجه نکرده بودیم. اتفاقات زیادی در حال وقوع بود و پستانداران امروزی واقعاً خاص هستند.”