كيف حققت الثدييات وضعيتها المستقيمة 

كشفت دراسة جديدة عن التقلبات والتعقيدات في تطور الثدييات، من بنية الجسم المنتشرة (الأرجل تميل إلى الجانبين كما هو الحال في الزواحف) إلى بنية الجسم المستقيمة حيث تكون القدمين مستقرة على الأرض

جامعة هارفارد، قسم البيولوجيا العضوية والتطورية 

تتميز الثدييات، بما في ذلك الإنسان، بوضعيتها المنتصبة، وهي سمة أساسية أدت إلى نجاحها التطوري المثير للإعجاب. ومع ذلك، فإن الأسلاف الأوائل للثدييات الحديثة كانوا أكثر زواحف، وكانت أطرافهم منتشرة على الجانبين في وضع منتشر. 

كان التغيير من الوضعية المفلطحة، مثل السحالي، إلى الوضعية المستقيمة للثدييات الحديثة، مثل البشر والكلاب والخيول، بمثابة نقطة تحول مهمة في التطور. وشمل هذا التغيير إعادة تنظيم بنية ووظيفة الأطراف في المشابك العصبية - مجموعة الحيوانات التي تضم الثدييات وأسلافها من غير الثدييات - مما أدى في النهاية إلى الثدييات (الثدييات الكراسيية والمشيمية) التي نعرفها اليوم. على الرغم من أكثر من قرن من البحث، فإن أسئلة "كيف" و"لماذا" و"متى" المتعلقة بهذا التحول التطوري تظل غامضة. 

الآن، في دراسة جديدة نشرت في Science Advances، يقدم باحثون من جامعة هارفارد رؤى جديدة حول اللغز، وكشفوا أن الانتقال من الوضع المفلطح إلى الوضع المستقيم في الثدييات لم يكن بسيطًا على الإطلاق. وباستخدام أساليب مبتكرة تجمع بين البيانات الأحفورية والنماذج الميكانيكية الحيوية المتقدمة، اكتشف الباحثون أن التحول كان معقدا وغير خطي، وحدث في وقت متأخر عما كان يعتقد سابقا. 

بدأ الدكتور بيتر بيشوب، زميل ما بعد الدكتوراه، والبروفيسور ستيفاني بيرس، الباحث الرئيسي، وكلاهما من قسم البيولوجيا العضوية والتطورية في جامعة هارفارد، بدراسة الميكانيكا الحيوية لخمسة أنواع حديثة تمثل مجموعة من هياكل الأطراف، بما في ذلك سحلية تيغو (المنتشرة). ) والتمساح (شبه منتصب) والسلوقي (مستقيم). 

وقال بيشوب: "من خلال دراسة هذه الأنواع الحديثة أولا، قمنا بتحسين فهمنا بشكل كبير لكيفية ارتباط البنية التشريحية للحيوان بكيفية وقوفه وحركته". "يمكننا بعد ذلك وضع هذا في سياق تطوري لكيفية تغير البنية والحركة من المشابك العصبية القديمة إلى الثدييات الحديثة." 

ووسع الباحثون تحليلهم ليشمل ثمانية أنواع أحفورية من أربع قارات، موزعة على مدى 300 مليون سنة من التطور. وتراوحت الأنواع بين الثدييات البدائية ميجاسترودون التي يبلغ وزنها 35 جرامًا، والأوبياكودون التي يبلغ وزنها 88 كيلوجرامًا، وتضمنت حيوانات شهيرة، مثل ديميترودون ذو الشراع الظهري، والمفترس القاتل صاحب الأنياب، لايكانوبس. وباستخدام مبادئ من الفيزياء والهندسة، بنى بيشوب وبيرس عالمًا رقميًا وقد أتاحت لهم النماذج الميكانيكية الحيوية التي تحاكي التفاعل بين العضلات والعظام إجراء عمليات محاكاة تحدد الكمية القوة التي يمكن أن تمارسها الأرجل الخلفية على الأرض. 

وقال بيشوب: "إن مقدار القوة التي يمكن أن يمارسها أحد الأطراف على الأرض يعد عاملاً حاسماً في أداء حركة الحيوانات". "إذا لم تتمكن من توليد قوة كافية في اتجاه معين عند الحاجة إليها، فلن تتمكن من الركض بسرعة، أو الانعطاف بشكل حاد، أو ما هو أسوأ من ذلك، ستسقط." 

أنشأت عمليات المحاكاة الحاسوبية "مساحة قوة قابلة للتطبيق" ثلاثية الأبعاد تلتقط الأداء الوظيفي للطرف. وقال بيرس: "إن حساب مجالات القوة المطبقة يأخذ في الاعتبار جميع التفاعلات المحتملة بين العضلات والمفاصل والعظام على طول الطرف". "وهذا يعطينا صورة أوسع لوظيفة الطرف وتطور الحركة على مدى مئات الملايين من السنين." 

في حين أن فكرة مساحة القوة المطبقة كانت موجودة منذ التسعينيات، إلا أن هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تطبيقها على السجل الأحفوري لفهم كيفية تحرك الحيوانات المنقرضة. قام المؤلفون بتجميع عمليات المحاكاة في أدوات حسابية جديدة صديقة للحفريات، والتي يمكن أن تساعد علماء الحفريات الآخرين في البحث عن أسئلتهم. قد تساعد هذه الأدوات أيضًا المهندسين على تصميم روبوتات محاكاة حيوية قادرة على التنقل في ظروف التضاريس المعقدة أو غير المستقرة. 

وكشف البحث عن عدد من "بصمات الحركة" المهمة، بما في ذلك القدرة الإجمالية على إنتاج القوة في الأنواع الحديثة والتي كانت الحد الأقصى في هياكل الجسم التي تستخدمها في سلوكها اليومي. وهذا يعني أن بيشوب وبيرس كانا على يقين من أن الاكتشافات الخاصة بالأنواع المنقرضة تعكس بالفعل وضعيتها وحركتها عندما كانت على قيد الحياة. 

وبعد تحليل الأنواع المنقرضة، اكتشف الباحثون أن أداء الحركة وصل إلى أعلى مستوياته وأدنى مستوياته على مدى ملايين السنين، ولم يتقدم ببساطة في خط مستقيم من الوضع المنتشر إلى الوضع المستقيم. كما أبدت بعض الأنواع المنقرضة أيضًا مرونة كبيرة، حيث كان بإمكانها التبديل بين الأوضاع الأكثر انتشارًا أو الأكثر استقامة، مثل التماسيح الحديثة. وقد أظهر آخرون ارتدادًا قويًا إلى أوضاع أكثر انتشارًا قبل تطور الثدييات. يشير هذا، جنبًا إلى جنب مع النتائج الأخرى، إلى أن السمات المرتبطة بالوضعية المنتصبة للثدييات الحديثة تطورت في وقت متأخر كثيرًا عما كان يُعتقد سابقًا، وعلى الأرجح بالقرب من الجد المشترك للثيرايا. 

تساعد هذه النتائج أيضًا في حل المشكلات التي لم يتم حلها في السجل الأحفوري. على سبيل المثال، يفسرون استمرار عدم تماثل الأذرع والأرجل ومفاصل الأطراف لدى أسلاف الثدييات، وهي سمات ترتبط عادةً بوضعيات منتشرة في الحيوانات الحديثة. كما أنها تفسر سبب وجود حفريات أسلاف الثدييات المبكرة في كثير من الأحيان في وضع منتشر، في حين يتم العثور على حفريات الثدييات المشيمية والحيتانيات الحديثة عادة ملقاة على جوانبها. 

وقال بيشوب: "إنه أمر مرضي للغاية كعالم عندما تتمكن نتائج معينة من إلقاء الضوء على ملاحظات أخرى، مما يجعلنا أقرب إلى فهم أكثر شمولاً". 

ويشير بيرس، الذي كان يدرس تطور مخطط جسم الثدييات منذ ما يقرب من عقد من الزمن، إلى أن النتائج تتفق مع الأنماط التي شوهدت في مناطق أخرى من الجسم المتشابك، مثل العمود الفقري. وقالت: "إن الصورة تتشكل بأن السمات المميزة للثدييات قد تم تجميعها على مدى فترة طويلة ومعقدة، وتم تحقيق الكمال الكامل في وقت متأخر نسبيا من تاريخ المشابك العصبية". 

وبعيدًا عن الثدييات، يشير البحث إلى أن بعض التحولات التطورية الرئيسية، مثل الانتقال إلى الوقوف منتصبًا، كانت غالبًا معقدة وربما تأثرت بأحداث محظوظة. على سبيل المثال، يتزامن الارتداد القوي للمشابك العصبية إلى أوضاع أكثر انتشارًا مع انقراض العصر البرمي الترياسي، حيث تم القضاء على 90% من الحياة. أدى حدث الانقراض هذا إلى أن تصبح مجموعات أخرى مثل الديناصورات هي المجموعات الحيوانية المهيمنة على الأرض، مما دفع المشابك العصبية إلى الظل.

للمادة العلمية

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• أول رجل يمشي منتصبا: تم اكتشاف بقايا أفراد من سلالة قديمة بين القردة والبشر في إثيوبيا
• موقف قوة، موقف ضعف
• تم اكتشاف ديناصور يتحجر أثناء نومه
• ليس فقط القطط تسقط على أقدامها