کشف رازهای تکامل تغذیه در ماهی‌های باستانی با تحلیل فسیل‌های ۳۸۰ میلیون ساله

1

زمانی بسیار پیش از آنکه نخستین پستانداران بر روی زمین گام بردارند، اقیانوس‌ها خانه ماهی‌های قدرتمند و عجیب‌الخلقه‌ای بودند. برخی از این ماهی‌های کهن، سرانجام به خشکی خزیدند و فصلی تازه در تاریخ تکامل حیات را رقم زدند.

اکنون، به لطف پژوهش‌های تازه روی فسیل‌ها، اطلاعات بیشتری درباره نحوه زیست و تغذیه این جانداران اولیه به دست آمده است.

مطالعه‌ای نوین بر روی فسیل‌های ماهی

بررسی فک ماهی‌های ۳۸۰ میلیون ساله

در پژوهشی تازه به سرپرستی دانشمندان دانشگاه فلایندرز، گروهی از محققان فک‌های فسیل‌شده ماهی‌های شُش‌دار (Lungfish) را در محوطه فسیلی گوگو در بخش دورافتاده‌ای از استرالیای غربی مورد بررسی قرار دادند.

اهمیت یافته‌ها

این کشفیات، نوری تازه بر تکامل شیوه‌های تغذیه در ماهی‌هایی می‌افکند که نزدیک‌ترین خویشاوندان مهره‌داران خشکی‌زی، از جمله انسان، به شمار می‌آیند.

قدرت گاز گرفتن ماهی‌های باستانی

استفاده از مدل‌سازی المان محدود (FEM)

محققان از روشی پیشرفته و اغلب مهندسی‌شده به نام مدل‌سازی المان محدود سه‌بعدی (3D FEM) بهره گرفتند. در این شیوه، به صورت دیجیتال بررسی شد که فک‌های فسیل‌شده هنگام اعمال فشار ناشی از گاز گرفتن چگونه عمل می‌کنند.

نتایج شگفت‌انگیز

با شبیه‌سازی عملکرد فک در گونه‌های مختلف ماهی، تنوع غیرمنتظره‌ای در شکل، استحکام و رفتار تغذیه‌ای مشاهده شد.

دکتر آلیس کلمنت در این‌باره می‌گوید:
«ماهی‌های شُش‌دار، خواهر‌تبار تتراپودها (تمام مهره‌داران چهاراندام، از جمله انسان) هستند. این بدان معناست که آن‌ها نزدیک‌ترین خویشاوندان ما در میان ماهی‌ها به حساب می‌آیند.»

وی همچنین افزود:
«آن‌ها پیشینه فسیلی گسترده‌ای دارند که بیش از ۴۰۰ میلیون سال قدمت دارد و همچنان امروزه نیز گونه‌های زنده از آن‌ها وجود دارند. این نزدیکی تبارشناختی به تتراپودها، درک ما از نیاکان دوردست‌مان را که نخستین بار از آب به خشکی آمدند، تقویت می‌کند.»

رفتار تغذیه‌ای و تنوع عملکرد فک‌ها

تفاوت در سبک تغذیه

تا پیش از این، دانشمندان می‌دانستند که این ماهی‌ها دارای شکل‌های متفاوتی از فک بوده‌اند. اما کارایی و عملکرد این فک‌ها مشخص نبود.

دکتر کلمنت در ادامه می‌گوید:
«ما به تدریج در حال کشف جزئیات بیشتری از نحوه تغییر ساختار بدن و سبک زندگی این جانوران هستیم، زمانی که از ماهی‌های آبزی به مهره‌داران چهاراندام خشکی‌زی تبدیل شدند.»

تحلیل عملکرد در برابر فشار

با اسکن هفت گونه فسیلی و اعمال FEM بر پنج گونه از آن‌ها، مشخص شد که استخوان فک در برابر فشار ناشی از گاز گرفتن چه واکنشی نشان می‌دهد.

نتایج متفاوت با پیش‌بینی‌ها

دکتر اولگا پاناجیوپولوی، متخصص آناتومی عملکردی در دانشگاه Touro کالیفرنیا، اظهار داشت:
«این داده‌ها دقیق‌ترین ارزیابی عملکرد گاز گرفتن در هر گونه فسیل ماهی تاکنون است. شواهد بیومکانیکی جدیدی برای سازگاری‌های متنوع در تغذیه و تقسیم منابع غذایی در میان ماهی‌های شُش‌دار گوگو فراهم کرده است.»

یافته‌های غیرمنتظره

برخی نتایج کاملاً خلاف پیش‌بینی‌ها بود. فک‌هایی که ظاهراً مقاوم به نظر می‌رسیدند، در شبیه‌سازی‌های قدرت گاز گرفتن، چندان عملکرد خوبی نداشتند. در مقابل، برخی فک‌های ظریف و باریک، فراتر از انتظار در برابر تنش‌ها و فشارها دوام آوردند.

پروفسور جان لانگ از دانشگاه فلایندرز گفت:
«نتایج تا حدی شگفت‌انگیز بود. برخی از فک‌های ظاهراً مستحکم، در واقع در برابر فشار ناشی از گاز گرفتن چندان مناسب نبودند. درحالی‌که فک‌های باریک و ظریف توانستند فشار و کشش را به‌خوبی تحمل کنند.»

وی ادامه داد:
«این تنوع عملکرد بیومکانیکی در میان ماهی‌های شُش‌دار گوگو، نشان‌دهنده وجود تقسیم زیستگاهی (niche partitioning) و تمایز تغذیه‌ای (trophic differentiation) در این گونه‌هاست. شاید همین موضوع دلیل تنوع بالای گونه‌ای در این منطقه بوده است.»

عصر بازآفرینی تغذیه در ماهی‌ها

دوره دونین: عصر ماهی‌ها

دوره دونین (Devonian) که به «عصر ماهی‌ها» نیز معروف است، حدود ۶۰ میلیون سال تحت سیطره گونه‌های باستانی همچون پلاکودرمان‌ها (Placoderms) قرار داشت.

اگرچه فسیل‌های زیادی از آن دوران در دهه‌های گذشته کشف شده بود، اما فناوری‌های جدیدی چون FEM، سرانجام راز نحوه زیست واقعی این جانوران را برملا کرد.

روایت رفتارهای پنهان در استخوان

جاشوا بلند، پژوهشگر آزمایشگاه دیرینه‌شناسی دانشگاه فلایندرز و نویسنده اصلی این مطالعه گفت:
«ماهی‌های شُش‌دار گوگو در صخره‌های مرجانی اواخر دوره دونین، واقعاً منحصر به فرد بودند. گونه‌های مختلف آن‌ها، رفتارها و توانایی‌های گوناگونی داشتند.»

وی ادامه داد:
«فاش کردن بخشی از این داستان که درون استخوان پنهان شده بود، واقعاً لذت‌بخش بود. انگار پرده را از روی عملکردهای واقعی در پسِ این ساختارها برداشتیم. دیدن این‌که اشکال پیچیده‌تر در آزمون‌ها عملکرد بهتری داشتند، تحسین‌برانگیز بود.»

آینده علم در دل استخوان‌های کهن

اشتراک‌گذاری مدل‌های سه‌بعدی

تمام مدل‌های سه‌بعدی حاصل از این پژوهش در Morphosource منتشر شده و در دسترس سایر پژوهشگران قرار دارد تا مطالعات بیشتری بر روی آن انجام دهند.

زنده شدن دانش با فناوری نوین

ترکیب فسیل‌های کهن با فناوری‌های نوین، محققان را یک گام به شناخت جاندارانی که زندگی در خشکی را پایه‌گذاری کردند، نزدیک‌تر کرده است.

حتی پس از گذشت ۳۸۰ میلیون سال، استخوان‌های باستانی همچنان رازهای تازه‌ای برای آشکار کردن دارند.

این پژوهش به‌طور کامل در مجله iScience منتشر شده است.