أسماك مدرعة قديمة طورت طريقتين لسحق الفريسة، كما تظهر الحفريات

أول الفقاريات ذات الفكوك والأسنان

منذ أكثر من 400 مليون سنة، أصبحت الأسماك المدرعة — وهي أسماك كانت أجسامها مغلفة بصفائح عظمية — أول الفقاريات على الأرض التي تطور لديها فكوك وأسنان. هذه الخطوة التطورية تسبق الديناصورات بمئات الملايين من السنين، ومهدت الطريق لجميع الحيوانات التي تعض أو تمضغ أو تبتلع من بعدها، بما في ذلك البشر.

أعادت دراسة جديدة من جامعة فليندرز بناء كيفية استخدام مجموعة من هذه الحيوانات المفترسة القديمة لأفواهها. وبالعمل على حفريات من شعاب مرجانية قديمة كانت تغطي ما يعرف اليوم بشمال غرب أستراليا، وجد الباحثون أن الأسماك المدرعة التي عاشت قبل حوالي 385 مليون سنة قد توصلت ليس إلى حل واحد بل إلى حلين منفصلين للتعامل مع فريسة تقاوم.

استراتيجيتان لاختراق الدروع

النتيجة المركزية هي انقسام في أدوات التغذية بين الأنواع ذات الأحجام المختلفة. اعتمدت الأسماك المدرعة الأصغر التي فُحصت في الدراسة على صفائح سحق عريضة ومسطحة قادرة على سحق فريسة كاملة في عضة واحدة. أما الأنواع الأكبر فقد سلكت طريقاً مختلفاً تماماً، إذ طورت أسناناً تشبه الأسلحة قادرة على اختراق وتفكيك الحيوانات ذات الأصداف والدروع التي كانت أكبر من أن تُبتلع.

كلا الأسلوبين حل المشكلة الأساسية نفسها — اختراق غلاف صلب للوصول إلى الأنسجة الرخوة بالداخل — لكن الإجابات التشريحية لا تتشابه على الإطلاق. أحدهما مكبس طحن. والآخر مجموعة أدوات ثاقبة.

فكوك مبنية من صفائح مزدوجة، لا من عظم واحد

يتطلب فهم تغذية الأسماك المدرعة وضع افتراضات مستمدة من الحيوانات الحديثة جانباً. وكما أوضح المؤلف الأول الدكتور ريكس ميتشل، الذي يدرس العلاقة بين النظام الغذائي وشكل الجمجمة، فإن الأسماك المدرعة لم تمتلك عظم فك سفلي واحد كما تفعل معظم الفقاريات الحية، بما في ذلك البشر. بدلاً من ذلك، كانت فكوكها مؤلفة من صفائح عظمية مزدوجة تدعمها الغضاريف، وتراوحت أسطح العض فيها من منصات سحق عريضة إلى حواف قطع حادة مبطنة بتراكيب تشبه الأسنان.

هذا التنوع هو بالضبط ما جعل المجموعة تستحق الدراسة. فمع عدم وجود عظم فك واحد يقيّد تشريحها، كانت الأسماك المدرعة حرة في استكشاف مجموعة واسعة من التصاميم الميكانيكية عبر ملايين السنين من التطور.

إعادة بناء عضة قديمة باستخدام محاكاة حاسوبية

لمعرفة كيفية أداء تلك التصاميم عملياً، جمع الباحثون بين تقنية تحليل العناصر المحدودة ومحاكاة حاسوبية وتحليل ثلاثي الأبعاد لأسطح العض. تحليل العناصر المحدودة، المستعار من الهندسة، يقسم البنية إلى أجزاء صغيرة كثيرة ويحاكي كيفية انتقال القوى عبرها — وهو نهج مناسب لاختبار ما إذا كان الفك قادراً على تحمل ضغوط كسر فريسة ذات قشرة صلبة.

باستخدام هذه الأدوات، أعاد الفريق بناء سلوك التغذية لدى ثمانية أنواع من الأسماك المدرعة، وبنى صورة لكيفية تعامل كل منها مع الطعام في النظم البيئية البحرية لأستراليا ما قبل التاريخ.

لم تتطابق النتائج مع النمط الذي توقعه الباحثون. وأشارت الدكتورة أليس كليمنت، وهي زميلة مستقبلية في مجلس البحوث الأسترالي شاركت في العمل، إلى أن الحيوانات التي تتغذى على أطعمة صلبة تطور عادة فكوكاً أقوى وأسطح سحق عريضة ومسطحة. وقالت إن هذا التوقع لم يظهر في هذا التحليل — بل استثمرت الأنواع الأكبر في أدوات ثاقبة بدلاً من صفائح مسطحة معززة.

نمط غير متوقع لدى آكلات الأطعمة الصلبة

هذا التباين مهم لأنه يعقّد قاعدة مرتبة حول كيفية تشكيل النظام الغذائي للتشريح. فإذا كانت المتخصصات في الأطعمة الصلبة تتقارب عادة على التصميم نفسه من الفك القوي المسطح، فإن مجتمع الشعاب المرجانية للأسماك المدرعة يمثل بديلاً حقيقياً. فبدلاً من حل أمثل واحد لكسر الدروع، أنتج التطور هنا نظاماً مزدوج المسار منقسماً جزئياً وفق خطوط حجم الجسم.

أحد التفسيرات المعقولة، بناءً على ميكانيكا العض المعاد بناؤها، هو أن الاستراتيجيتين كانتا مناسبتين لأحجام فريسة مختلفة وليس لصلابة فريسة مختلفة. فكانت الأسماك الأصغر قادرة على إنهاء ضحايا كاملة بصفائح سحق. أما الأسماك الأكبر فاحتاجت إلى تعطيل وتفكيك حيوانات مدرعة تجاوزت قدرتها على ابتلاعها، وقد خدمتها التراكيب الحادة الشبيهة بالأسنان في ذلك أفضل من مكبس عريض.

نافذة نادرة على تخصص الفكوك المبكر

تصف كليمنت الأسماك المدرعة بأنها جربت مجموعة استثنائية من أشكال الفكوك وأجزاء العض خلال التطور المبكر للفقاريات، مما يجعلها حالة دراسية ذات قيمة غير عادية. ولأنها قريبة جداً من أصل الفكوك نفسها، فإنها تحفظ أدلة حول كيفية تخصص بعض أقدم أجزاء فم الفقاريات لأنظمة غذائية معينة — وهو انتقال يصعب مراقبته مباشرة بطريقة أخرى.

وتضيف بيئة الشعاب المرجانية القديمة إلى تلك القيمة. فالحفريات تأتي من نظام بيئي بحري غني دعم عدة أنواع من الأسماك المدرعة في وقت واحد، مما يعني أن استراتيجيات التغذية المختلفة لم تكن مفصولة بفترات زمنية شاسعة. بل كانت متعايشة.

ما تفتحه الدراسة

يوضح البحث، المنشور في Scientific Reports، قيمة الجمع بين تشريح الحفريات والنمذجة الحاسوبية. فالوصف التقليدي لعظام الفك يمكن أن يكشف الشكل لكن ليس الأداء الميكانيكي؛ أما محاكاة الإجهاد والانفعال فتتيح للباحثين اختبار ما إذا كانت بنية معينة قادرة واقعياً على سحق أو تقطيع أو ثقب أنواع محددة من الفرائس.

وقد أنتج تطبيق هذا المزيج على ثمانية أنواع دليلاً على تقسيم غذائي في شعاب مرجانية قديمة واحدة. كما يثير أسئلة متابعة حول مدى انتشار النمط، وما إذا كانت الأسماك المدرعة في أماكن أخرى من الكوكب قد قسمت استراتيجياتها التغذوية على خطوط مماثلة، وكم من التباين يعود إلى حجم الجسم بدلاً من صلابة الطعام المتاح.

وما هو واضح هو أن أول الفقاريات ذات الفكوك لم تكن عالقة على مسار تطوري واحد. فداخل سلالة واحدة، وعلى شعاب مرجانية واحدة، قبل حوالي 385 مليون سنة، انقسمت آليات العض إلى تصميمين عاملين على الأقل — أحدهما مبني على السحق، والآخر مبني على الثقب.

النتائج الرئيسية في لمحة

• كانت الأسماك المدرعة أول الفقاريات التي طورت فكوكاً وأسناناً، منذ أكثر من 400 مليون سنة.
• حلل باحثون من جامعة فليندرز ثمانية أنواع عاشت قبل حوالي 385 مليون سنة على شعاب مرجانية قديمة في ما يعرف الآن بشمال غرب أستراليا.
• استخدمت الأنواع الأصغر صفائح سحق عريضة ومسطحة لسحق فريسة كاملة.
• طورت الأنواع الأكبر أسناناً تشبه الأسلحة لثقب وتفكيك فرائس مدرعة أكبر من أن تُبتلع.
• كانت فكوك الأسماك المدرعة مبنية من صفائح عظمية مزدوجة تدعمها الغضاريف، وليس من عظم فك سفلي واحد.
• تم الجمع بين تحليل العناصر المحدودة والمحاكاة الحاسوبية وتحليل الأسطح ثلاثي الأبعاد لإعادة بناء ميكانيكا التغذية.

هذا المقال مبني على تقرير من Phys.org. اقرأ المقال الأصلي.