מחקר חדש חושף את התפניות והמורכבויות באבולוציה של היונקים, ממבנה גוף פרוס (רגליים נוטות לצדדים כמו אצל זוחלים) למבנה גוף זקוף שבו הרגליים יציבות על הקרקע
אוניברסיטת הרווארד, המחלקה לביולוגיה אורגניזמית ואבולוציונית
יונקים, כולל בני אדם, מתאפיינים בעמידתם הזקופה, שהיא תכונה מרכזית שהובילה להצלחתם האבולוציונית המרשימה. עם זאת, אבותיהם הקדומים ביותר של היונקים המודרניים דמו יותר לזוחלים, כשהגפיים שלהם פרוסות לצדדים בתנוחה פרוסה.
השינוי מתנוחה פרוסה, כמו זו של לטאות, לתנוחה זקופה של יונקים מודרניים, כמו אצל בני אדם, כלבים וסוסים, סימן נקודת מפנה חשובה באבולוציה. שינוי זה כלל ארגון מחדש של מבנה ותפקוד הגפיים בסינפסידים – קבוצת בעלי החיים הכוללת את היונקים ואת אבותיהם הלא-יונקיים – שהובילה לבסוף ליונקי התראיה (כיסאים ויונקי שליה) המוכרים לנו כיום. למרות יותר ממאה שנות מחקר, השאלות "איך", "למה" ו"מתי" לגבי המעבר האבולוציוני הזה נותרו חידתיות.
כעת, במחקר חדש שפורסם ב-Science Advances, חוקרים מהרווארד מספקים תובנות חדשות על התעלומה, וחושפים כי המעבר מתנוחה פרוסה לתנוחה זקופה ביונקים היה כל דבר פרט לפשוט. באמצעות שיטות חדשניות המשלבות נתונים מאובנים עם מודלים ביומכניים מתקדמים, גילו החוקרים כי המעבר היה מורכב ולא-ליניארי, והתרחש מאוחר יותר מכפי שחשבו בעבר.
ד"ר פיטר בישופ, עמית בתר-דוקטורט, ופרופסור סטפני פירס, החוקרת הראשית, שניהם מהמחלקה לביולוגיה אורגניזמית ואבולוציונית בהרווארד, החלו בחקר הביומכניקה של חמישה מינים מודרניים המייצגים את מגוון מבני הגפיים, כולל לטאת טגו (פרוס), תנין (חצי-זקוף) וגרייהאונד (זקוף).
"על ידי חקר המינים המודרניים האלה תחילה, שיפרנו משמעותית את הבנתנו כיצד מבנה האנטומיה של בעל חיים קשור לאופן עמידתו ותנועתו", אמר בישופ. "יכולנו אז להכניס זאת להקשר אבולוציוני של איך מבנה ותנועה השתנו מהסינפסידים הקדומים ועד ליונקים המודרניים".
החוקרים הרחיבו את ניתוחם לשמונה מינים מאובנים מארבע יבשות, שנפרסו על פני 300 מיליון שנות אבולוציה. המינים נעו מהפרוטו-יונק מגזוסטרודון ששקל 35 גרם ועד אופיאקודון במשקל 88 ק"ג, וכללו בעלי חיים איקוניים כמו הדימטרודון בעל מפרש הגב והטורף הקטלני ליקנופס בעל הניבים. באמצעות עקרונות מהפיזיקה וההנדסה, בנו בישופ ופירס מודלים ביומכניים דיגיטליים המדמים את האינטראקציה בין שרירים לעצמות. מודלים אלו אפשרו להם להריץ סימולציות שקבעו את כמות הכוח שהרגליים האחוריות יכלו להפעיל על הקרקע.
"כמות הכוח שגפה יכולה להפעיל על הקרקע היא גורם קריטי בביצועי תנועה של בעלי חיים", אמר בישופ. "אם אינך מסוגל לייצר מספיק כוח בכיוון נתון כאשר הוא נדרש, לא תוכל לרוץ במהירות, לפנות בחדות, או גרוע מכך, תיפול".
הסימולציות הממוחשבות יצרו 'מרחב כוח בר-יישום' תלת-ממדי שמלכד את הביצועים התפקודיים של הגפה. "חישוב מרחבי הכוח הבר-יישום לוקח בחשבון את כל האינטראקציות האפשריות בין שרירים, מפרקים ועצמות לאורך הגפה", אמרה פירס. "זה נותן לנו תמונה רחבה יותר של תפקוד הגפה והתפתחות התנועה לאורך מאות מיליוני שנים".
בעוד שהרעיון של מרחב כוח בר-יישום קיים מאז שנות ה-90, זו הפעם הראשונה שהוא מיושם על רשומות מאובנים כדי להבין כיצד בעלי חיים שנכחדו התנועעו. המחברים ארזו את הסימולציות לכלים חישוביים חדשים המותאמים למאובנים, שיכולים לסייע לפלאונטולוגים אחרים בחקר שאלותיהם. כלים אלה עשויים גם לסייע למהנדסים בעיצוב רובוטים ביומימטיים המסוגלים לנווט בתנאי שטח מורכבים או לא יציבים.
המחקר חשף מספר 'סימני תנועה' חשובים, כולל היכולת הכוללת של ייצור כוח במינים המודרניים שהייתה מקסימלית במבני הגוף המשמשים אותם בהתנהגותם היומית. משמעות הדבר הייתה שבישופ ופירס יכלו להיות בטוחים שהממצאים למינים שנכחדו משקפים באמת את עמידתם ותנועתם כשהיו בחיים.
לאחר ניתוח המינים שנכחדו, גילו החוקרים כי ביצועי התנועה הגיעו לשיאים ולשפל לאורך מיליוני שנים, ולא התקדמו בפשטות בקו ישר מתנוחה פרוסה לזקופה. חלק מהמינים שנכחדו גם הציגו גמישות רבה – יכלו לעבור בין תנוחות פרוסות יותר או זקופות יותר, כמו תנינים מודרניים. אחרים הציגו חזרה חזקה לעבר תנוחות פרוסות יותר לפני התפתחות היונקים. יחד עם ממצאים נוספים, זה הצביע על כך שהתכונות הקשורות לתנוחה הזקופה של היונקים המודרניים התפתחו מאוחר הרבה יותר ממה שחשבו בעבר, קרוב לוודאי בסמוך לאב הקדמון המשותף של התראיה.
ממצאים אלה מסייעים גם לפתור בעיות בלתי פתורות ברשומות המאובנים. למשל, הם מסבירים את ההתמד של ידיים ורגליים א-סימטריות ומפרקי גפיים אצל אבות היונקים, תכונות שבדרך כלל קשורות לתנוחות פרוסות בבעלי חיים מודרניים. הם גם מסבירים מדוע מאובנים של אבות היונקים הקדומים נמצאים לעיתים קרובות בתנוחה פרוסה, בעוד שמאובנים של יונקי שליה וכיסאים מודרניים נמצאים בדרך כלל שוכבים על צידם.
"מאוד מספק בתור מדען כאשר תוצאות מסוימות יכולות להאיר תצפיות אחרות, ומקרבות אותנו להבנה מקיפה יותר", אמר בישופ.
פירס, שחוקרת את האבולוציה של תוכנית הגוף היונקי במשך כמעט עשור, מציינת כי הממצאים עולים בקנה אחד עם דפוסים שנראו באזורים אחרים בגוף הסינפסידים, כמו עמוד השדרה. "הולכת ומתגבשת תמונה שהתכונות המובהקות של יונקי התראיה הורכבו בתקופה ממושכת ומורכבת, והשלמות המלאה הושגה יחסית מאוחר בהיסטוריה של הסינפסידים", אמרה.
מעבר ליונקים, המחקר מצביע על כך שכמה מעברים אבולוציוניים מרכזיים, כמו המעבר לעמידה זקופה, היו לרוב מורכבים ואולי הושפעו מאירועי מזל. לדוגמה, החזרה החזקה בעמידת הסינפסידים לעבר תנוחות פרוסות יותר מתרחשת במקביל להכחדת פרם-טריאס, שבה נמחקו 90% מהחיים. אירוע ההכחדה הזה הוביל לכך שקבוצות אחרות כמו הדינוזאורים הפכו להיות קבוצות בעלי החיים הדומיננטיות ביבשה, ודחקו את הסינפסידים לצללים.
עוד בנושא באתר הידען:
2 תגובות
תודה
כנראה מהחיים בכלל, כי הרי יש מינים עם מספר קטן של פרטים ויש מינים עם מיליארדי פרטים (חרקים למשל, צמחים), מספר המינים בהכחדה המונית לא אומר הרבה.
מאמר טוב, כתוב היטב.
הערות הגהה, כנראה התפספס:
1) "מתי התפתח(ה) תכונה מרכזית זו?"
2) "חמ(י)ש(ה) מינים מודרניים"
3) "שבה נמחקו 90% מה(מינים? ה)חיים"; 'מינים' – בהשערה שלי