از خزندگان تا انسان: راز ایستادن پستانداران فاش شد!

دگرگونی در ایستادن پستانداران: از خزندگان تا قامت افراشته

پستانداران، از جمله آدمیزادها، به خاطر وضعیت ایستادن ویژه‌شون معروفن؛ یه ویژگی که براشون یه جور پیشرفت تکاملی خارق‌العاده به ارمغان آورده. اما نیای اولیه پستانداران امروزی، بیشتر شبیه خزنده‌ها بودن و پاهاشون پهلو به پهلو، یه جورایی باز، قرار می‌گرفت. تغییر از این وضعیت پهن، مثل چیزی که تو سوسمارها می‌بینیم، به حالت ایستادهٔ پستانداران امروزی، مثل آدما، سگ‌ها و اسب‌ها، یه لحظهٔ حیاتی تو سیر تکاملی محسوب می‌شه. این تغییر، یه بازآرایی اساسی تو ساختار و کارکرد اندام‌ها تو سیناپسیدها به همراه داشت؛ گروهی که پستانداران و اجداد غیرپستاندارشون رو در بر می‌گیره و آخرش به پستانداران ترا (کیسه‌دارها و جفت‌داران) که امروز می‌شناسیم، منجر شد. با وجود بیش از یه قرن پژوهش، سوالای “چطوری”، “چرا” و “کی” این جهش تکاملی، هنوز هم در هاله‌ای از ابهام باقی موندن.

حالا، تو یه پژوهش تازه که تو نشریهٔ Science Advances منتشر شده، محققین دانشگاه هاروارد، بینش‌های نوینی در این معما ارائه دادن و نشون دادن که دگرگونی از وضعیت پهن به ایستاده تو پستانداران، اصلاً ساده نبوده. با بهره‌گیری از روشای پیشرفته که داده‌های فسیلی رو با مدل‌سازی زیست‌مکانیکی تلفیق می‌کنه، محققین متوجه شدن که این گذار، به‌طور غافلگیرکننده‌ای پیچیده و غیرخطی بوده و خیلی دیرتر از اون‌چه قبلاً فکر می‌کردن، رخ داده.

نویسنده اصلی، دکتر پیتر بیشاپ، پژوهشگر پسا دکترا، و نویسنده ارشد، پروفسور استفانی پیرس، هر دو از دانشکدهٔ زیست‌شناسی پیکری و تکاملی در هاروارد، کارشون رو با بررسی زیست‌مکانیک پنج گونهٔ امروزی که نمایندهٔ طیف کاملی از وضعیت‌های اندامی هستن، شروع کردن. این گونه‌ها شامل سوسمار ته گویی (وضعیت پهن)، تمساح (نیمه عمودی) و گرگ‌نما (ایستاده) می‌شدن. دکتر بیشاپ گفت: “با مطالعهٔ این گونه‌های امروزی، درک‌مون از ارتباط بین ساختار یه حیوان و نحوهٔ ایستادن و حرکتی که داره، به‌شدت بهتر شد.” اون اضافه کرد: “بعدش تونستیم این اطلاعات رو تو چارچوب تکاملی بذاریم و بفهمیم که وضعیت و حرکت از سیناپسیدای اولیه به پستانداران امروزی، چطور تغییر کرده.”

محققین، تحلیل‌شون رو به هشت گونه فسیلی نمونه از چهار قاره، که ۳۰۰ میلیون سال تکامل رو در بر می‌گیرفت، گسترش دادن. این گونه‌ها از پستاندار اولیه‌ای به وزن ۳۵ گرم به اسم Megazostrodon تا Ophiacodon 88 کیلویی، متغیر بودن و شامل حیواناتی مثل Dimetrodon با یه دُم بادبانی و شکارچی دندان‌شمشیری به نام Lycaenops هم می‌شدن. دکتر بیشاپ و پروفسور پیرس، با استفاده از اصول فیزیک و مهندسی، مدل‌های دیجیتالیِ زیست‌مکانیکی از نحوهٔ اتصال ماهیچه‌ها و استخونا به هم ساختن. این مدل‌ها بهشون اجازه داد تا شبیه‌سازی‌هایی تولید کنن که نشون می‌داد چقدر نیرو می‌تونه از پاهای عقبی به زمین وارد بشه.

دکتر بیشاپ گفت: “میزان نیرویی که یه اندام می‌تونه به زمین وارد کنه، عامل تعیین‌کننده‌ای تو کارکرد حرکتی حیوانات محسوب می‌شه. اگه نتونی نیروی کافی تو یه جهت مشخص تولید کنی، نمی‌تونی سریع بدوی، تند بچرخی و از همه بدتر، ممکنه زمین بخوری.”

شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، یه “فضای نیروی ممکن” سه‌بعدی تولید کردن که عملکرد کلی یه اندام رو به نمایش می‌ذاره. پروفسور پیرس گفت: “محاسبهٔ فضاهای نیروی ممکن، به‌طور ضمنی تمام تعاملاتی که می‌تونه بین ماهیچه‌ها، مفاصل و استخوان‌ها در طول یه اندام رخ بده رو در نظر می‌گیره. این به ما یه دید روشن‌تر از تصویر بزرگ‌تر، یه نگاه جامع‌تر از عملکرد اندام و حرکت و این‌که چطور تو طول صدها میلیون سال تکامل پیدا کرده، می‌ده.”

در حالی که مفهوم فضای نیروی ممکن (که توسط مهندسین زیست‌پزشکی توسعه داده شده) از دههٔ ۱۹۹۰ وجود داشته، تو این پژوهش برای اولین بار، ازش تو سوابق فسیلی استفاده شده تا بفهمیم حیوانات منقرض‌شده، اون موقع چطور حرکت می‌کردن. نویسنده‌ها شبیه‌سازی‌ها رو به ابزارهای محاسباتی جدید “دوستدار فسیل” بسته بندی کردن که می‌تونه به دیرینه‌شناس‌های دیگه تو بررسی سوالاتشون کمک کنه.

ابزارهای جدید برای طراحی ربات‌های الهام‌گرفته از زیست

این ابزارها می‌تونن به مهندسین کمک کنن تا ربات‌های زیست‌الهام‌گرفتهٔ بهتری طراحی کنن که قادر باشن تو زمین‌های پیچیده یا ناپایدار، حرکت کنن. پژوهش انجام شده، چندین “نشان” مهم از حرکت رو نشون داد؛ از جمله این‌که توانایی تولید نیروی کلی تو گونه‌های امروزی، تو وضعیت‌هایی که هر گونه تو رفتار روزمره‌اش استفاده می‌کرد، به حداکثر رسیده بود. این موضوع به این معنی بود که بیشاپ و پیرس، می‌تونستن با اطمینان بگن که نتایج به‌دست اومده، واقعاً نحوهٔ ایستادن و حرکت گونه‌های منقرض شده رو تو زمانی که زنده بودن، نشون می‌ده.

تحلیل عملکرد حرکتی گونه‌های منقرض شده

بعد از تحلیل گونه‌های منقرض شده، محققین متوجه شدن که عملکرد حرکتی تو طول میلیون‌ها سال، اوج و فرود داشته و به‌صورت ساده و خطی از وضعیت‌های باز به وضعیت‌های ایستاده، پیش نرفته. بعضی از گونه‌های منقرض شده هم به نظر می‌رسید که انعطاف‌پذیرتر بودن و می‌تونستن وضعیت‌شون رو بین حالت‌های باز یا ایستاده‌تر تغییر بدن، مثل کاری که تمساح‌ها و کروکودیل‌های امروزی انجام می‌دن. در حالی که بقیه، نشون‌دهندهٔ یه بازگشت قوی به وضعیت‌های باز، قبل از تکامل پستانداران بودن.

این یافته‌ها، به‌همراه نتایج دیگهٔ پژوهش، نشون می‌ده که ویژگی‌های مربوط به وضعیت ایستاده تو پستانداران امروزی، خیلی دیرتر از اون‌چه قبلاً فکر می‌شد، تکامل پیدا کردن و احتمالاً نزدیک به نیای مشترک تری‌ها بوده. این نتایج همچنین به حل چندتا مشکل حل‌نشده تو نوشته‌های فسیلی کمک می‌کنه. مثلاً، این موضوع توضیح می‌ده که چرا دست‌ها، پاها و مفاصل نامتقارن تو خیلی از اجداد پستانداران باقی موندن؛ ویژگی‌هایی که معمولاً با وضعیت‌های باز تو بین حیوانات امروزی در ارتباط هستن.

توضیح وضعیت فسیل‌های اجداد پستانداران

این پژوهش همچنین می‌تونه توضیح بده که چرا فسیل‌های اجداد اولیهٔ پستانداران، اغلب تو وضعیت‌های جمع شده و پهن شده پیدا می‌شن؛ وضعیتی که بیشتر با اندام‌های باز به‌دست میاد، در حالی که فسیل‌های پستانداران جفت‌زا و کیسه‌دار امروزی، معمولاً به حالت طاق‌باز روی پهلو پیدا می‌شن. بیشاپ گفت: “به‌عنوان یه دانشمند، خیلی رضایت‌بخشه که یه دسته از نتایج می‌تونه به روشن شدن مشاهدات دیگه کمک کنه و ما رو به درک جامع‌تری نزدیک‌تر کنه.”

پیرس، که آزمایشگاهش نزدیک به یه دهه، مشغول مطالعهٔ تکامل طرح بدنی پستانداران بوده، اشاره می‌کنه که این یافته‌ها با الگوهای دیده‌شده تو بخش‌های دیگهٔ بدن سیناپسیدها، مثل ستون فقرات، هم‌خوانی داره. اون گفت: “تصویری در حال شکل‌گیریه که مجموعهٔ کامل ویژگی‌های اساسی تری‌ها، تو یه دورهٔ پیچیده و طولانی شکل گرفته و این مجموعه، نسبتاً دیر تو تاریخ سیناپسیدها به‌دست اومده.”

تغییرات تکاملی و تأثیرات تصادفی

فراتر از پستانداران، این پژوهش نشون می‌ده که بعضی از تغییرات تکاملی مهم، مثل تغییر به وضعیت ایستاده، اغلب پیچیده بودن و ممکنه تحت تأثیر رویدادهای تصادفی قرار گرفته باشن. مثلاً، بازگشت قوی به وضعیت‌های باز تو سیناپسیدها به‌نظر می‌رسه با انقراض جمعی پرمین-‌تریاس هم‌زمان باشه – زمانی که ۹۰ درصد از موجودات زنده از بین رفتن. این رویداد انقراض باعث شد که گروه‌های دیگه‌ای مثل دایناسورها به گروه‌های غالب حیوانات رو خشکی تبدیل بشن و سیناپسیدها رو به حاشیه برونن.

محققین حدس می‌زنن که به‌خاطر این حاشیه‌نشینی اکولوژیکی، مسیر تکاملی سیناپسیدها ممکنه اون‌قدر تغییر کرده باشه که نحوهٔ حرکتشون رو دگرگون کنه. چه این فرضیه تأیید بشه یا نشه، درک تکامل وضعیت پستانداران، همیشه یه معمای پیچیده بوده. پیرس تأکید کرد که پیشرفت‌های قدرت محاسباتی و مدل‌سازی دیجیتال، به دانشمندان دیدگاه‌های جدیدی برای پرداختن به این معماهای باستانی داده. اون گفت: “استفاده از این تکنیک‌های جدید با فسیل‌های باستانی، به ما این امکان رو می‌ده که دید بهتری از چگونگی تکامل این حیوانات داشته باشیم و این‌که این داستان تکاملی، فقط یه روایت ساده و خطی نبوده.”

اون ادامه داد: “این واقعاً پیچیده بود و این حیوانات، احتمالاً تو محیط‌هاشون به شیوه‌هایی زندگی و حرکت می‌کردن که ما قبلاً بهشون توجه نکرده بودیم. اتفاقات زیادی در حال وقوع بود و پستانداران امروزی، واقعاً خاص هستن.”