دایناسورها چگونه به پرندگان امروزی تبدیل شدند؟

احتمالا بارها شنیده‌اید که پرندگان امروزی، در حقیقت از نوادگان دایناسورها هستند. دایناسورهای غول‌پیکری که برای میلیون‌ها سال بر زمین حکمرانی می‌کردند و در یک فاجعه‌ی بزرگ منقرض شدند. ولی چگونه آن جانوران عظیم‌الجثه آب رفتند و تبدیل به پرنده‌های کوچک و زیبای رنگارنگی شدند که نه تنها در جنگل و حیات وحش، بلکه در شهرها با ما زندگی می‌کنند؟ فرایند تکامل و انتخاب طبیعی، چرا و چگونه این پرندگان را بوجود آورد؟

پرندگان امروزی، از گروهی از دایناسورها به نام «تراپودها» (Therapods) بوجود آمدند. از جمله اعضای مشهور این گروه می‌توان به «تیرانوزاروس رکس» (Tyrannosaurus Rex) و «ولوسیراپتورها» (Velociraptors) اشاره کرد. تراپودها بیشتر به گروهی از دایناسورهای پرنده به نام «ایوین‌ها» (Avians) نزدیک هستند که بین ۴۵ تا ۲۳۰ کیلوگرم وزن داشتند. این دایناسورها که نسبت به پرندگان امروزی کاملا غول‌پیکر بودند، پوزه‌ی بلند و دندان‌های بزرگ داشتند و البته مغز آن‌ها خیلی کوچک بود. برای مثال، ولوسیرپتور جمجمه‌ای به اندازه‌ی جمجمه‌ی یک کایوت و مغزی به زحمت به اندازه‌ی مغز یک کبوتر داشته است.

برای دهه‌ها، از نظر دیرینه‌شناسان تنها حلقه‌ی اتصال فسیلی بین دایناسورها و پرندگان، «آرکئوپتریکس» (Archaeopteryx) بود. یک موجود ترکیبی با بال‌های پردار مثل پرندگان امروزی، ولی دارای دندان و دم شبیه به دایناسورها. به نظر می‌رسد که این حیوانات، ویژگی‌های شبیه به پرندگان امروزی، یعنی پر، بال و پرواز را تنها در عرض ۱۰ میلیون سال کسب کرده باشند. در مقیاس تکامل و انتخاب طبیعی، این زمانی کوتاه به حساب می‌آید. «مایکل بنتون» (Michael Benton)، که یک دیرینه شناس از دانشگاه بریستول در انگلیس است می‌گوید: «زمانی به نظر می‌رسید که آرکئوپتریکس به صورت تمام عیار با ویژگی‌های پرندگان امروزی بوجود آمده باشد.»

برای توضیح این دگردیسی شگفت‌انگیز، دانشمندان به یک نظریه‌ به نام «هیولاهای امیدوار» (Hopeful Monsters) مراجعه کردند. طبق این ایده، جهش‌های بزرگ تکاملی نیازمند تغییرات چشمگیر ژنتیکی هستند که از نظر کیفی با اصلاحات روتین در یک گونه تفاوت دارند. طبق این نظریه، فقط با چنین تغییرات بزرگ در مدت زمان کوتاه است که یک تراپود ۱۴۰ کیلوگرمی می‌تواند تبدیل به پرنده‌ی کوچک ماقبل تاریخی به نام «ایبرومزورنیس» (Iberomesornis) که اندازه‌ی یک گنجشک بود شود.

پیشتر تصور می‌شد که دایناسورها با یک جهش تکاملی به پرنده‌ها تبدیل شدند. ولی اکنون مشخص شده که فرایند تکامل خیلی تدریجی بوده است.

با این حال، به مرور زمان مشخص شده که فرایند تبدیل شدن دایناسورها به پرندگان می‌تواند خیلی تدریجی و غیر انقلابی‌ باشد. اکتشافات جدید نشان می‌دهد که ویژگی‌های مخصوص پرندگان مثل پر، خیلی قبل‌تر از تکامل پرندگان ظهور کرده است. این بیان می‌کند که پرندگان در حقیقت برای یک سری ابزار و ویژگی‌ها که قبلا وجود داشته، استفاده‌ی جدیدی پیدا کردند. پژوهش‌های اخیر نشان می‌دهد که یک سری تغییرات ساده نقش اساسی در تبدیل نهایی دایناسورها به پرندگان امروزی بازی کرده است. از جمله‌ی این تغییرات ساده می‌توان به جمجمه‌ی پرندگان اشاره کرد که خیلی شبیه به نوزاد دایناسورها است. نه تنها پرندگان امروزی از دایناسورها خیلی کوچک‌تر هستند، بلکه شباهت خیلی زیادی به جنین دایناسورها دارند.

یک جهش شبح‌وار

در دهه‌ی ۹۰ میلادی، فسیل‌های دایناسور زیادی در چین کشف شد که پرده از یک واقعیت جالب بر‌می‌داشت. هرچند که بسیاری از این فسیل‌ها فاقد بال بودند، ولی آرایش کاملی از پرها داشتند. از کرک‌های کوچک گرفته تا پرهای قلم دار. کشف این چنین جانوران میانی که فضای خالی میان همه‌ی اکتشافات فسیلی پراکنده تا آن زمان را پر می‌کرد، باعث شد که تصور دیرینه‌شناسان درباره‌ی تبدیل شدن دایناسورها به پرندگان عوض شود. پرها که زمانی تصور می‌شد مختص پرندگان هستند، در حقیقت خیلی قبل‌تر از پیدایش آن‌ها در دایناسورها تکامل یافته بودند.

تحلیل‌های پیچیده‌ی جدید روی فسیل‌ها که در آن ردیابی تغییرات ساختاری و ترسیم نحوه‌ی ارتباط نمونه‌ها با یکدیگر انجام شده است، بر این ایده که ویژگی‌های پرنده‌سانی در یک دوره‌ی زمانی طولانی بوجود آمده است صحه می‌گذارد. در پژوهشی که پاییز سال گذشته در «کرنت بیولوژی» (Current Biology) منتشر شد، دیرینه شناسی از دانشگاه ادینبورگ در اسکاتلند به نام «استفان بروسات» (Stephen Brusatte)، فسیل‌های «کوئلوروساروها» (Coelurosaurs) که در حقیقت زیر گروهی از تراپودها هستند را آزمایش کرد. آرکئوپتریکس و پرندگان امروزی از این زیرگروه بوجود آمده‌اند. او در طول زمان تغییرات در یک سری ویژگی‌های اسکلتی را دنبال کرد و متوجه شد که هیچ جهش بزرگی که منجر به تفاوت فاحش بین پرندگان و دیگر کوئلوساروها بشود وجود ندارد.

او می‌گوید: «پرنده‌ها یک شبه از تیرانوزاروس‌رکس بوجود نیامدند. در عوض، ویژگی‌های کلاسیک پرندگان یکی یکی تکامل یافت. اول حرکت بر روی دو پا، سپس پرها، استخوان جناق سینه، پرهای پیچیده‌تر مثل آن‌هایی که قلم دار هستند و سپس بال‌ها. نتیجه‌ی نهایی، گذار بی‌نقص از دایناسور به پرنده‌ است. آن‌قدر بی‌نقص و تمیز که تقریبا نمی‌توانید خطی در جدایی این دو گروه از یکدیگر بکشید.»

پرنده‌ها یک شبه از تیرانوزاروس‌رکس بوجود نیامدند. در عوض، ویژگی‌های کلاسیک پرندگان یکی یکی تکامل یافت.

وقتی که همه‌ی این ویژگی‌ها کنار هم قرار گرفتند، پرنده‌ها از زمین بلند شدند و پرواز کردند. مطالعات بروسات بر روی کوئلوروساروها نشان می‌دهد که وقتی آرکئوپتریکس و دیگر پرندگان باستانی بوجود آمدند، خیلی سریع‌تر از دیگر دایناسورها شروع به تکامل یافتن کردند. نظریه‌ی هیولای امیدوار چیزی کاملا برعکس را می‌گوید: تکامل ناگهانی پرندگان را بوجود نیاورد، بلکه پرندگان تکامل ناگهانی را بوجود آوردند. بروسات می‌گوید: «به نظر می‌رسد که پرندگان به یک راه حل خوب در ویژگی‌های جسمانی و بوم‌شناختی رسیدند. اینکه پرواز کنند و کوچک باشند. این منجر به یک انفجار تکاملی شد.»

اهمیت کوچک بودن

هرچند که ممکن است بیشتر مردم از پر و بال به عنوان ویژگی‌ اصلی تمایز دهنده‌ی پرندگان از دایناسورها نام ببرند، ولی قد و قامت کوچک آن‌ها نیز اهمیت زیادی دارد. تحقیقات جدید نشان می‌دهد که اجداد پرندگان خیلی زود آب رفتند. بدین معنی که کوچک بودن یک مزیت بزرگ برای آن‌ها حساب می‌شده و به طور کلی قسمتی مهم از فرایند تکامل پرندگان بوده است. مثل دیگر ویژگی‌های پرندگان، کوچک شدن ابعاد نیز خیلی قبل‌تر از اینکه پرندگان بوجود آیند شروع شده است. تحقیقی که سال گذشته در ساینس منتشر شد، نشان داد که فرایند کوچک شدن خیلی زودتر از آن که دانشمندان تصور می‌کردند شروع شده است. بعضی از کوئلوروساروس‌ها از حدود ۲۰۰ میلیون سال پیش، یعنی ۵۰ میلیون سال قبل از بوجود آمدن آرکئوپتریکس‌ها شروع به کوچک شدن کرده بودند. در آن زمان، بسیاری از دایناسورها همچنان در حال بزرگ‌تر شدن بودند. بنتون می‌گوید:«کوچک شدن خیلی غیر عادی است. به خصوص میان دایناسورها»

وقتی که اجداد پرندگان بال درآوردند و پرواز به صورت شناور شدن بر روی هوا را آموختند، فرایند کوچک شدن آن‌ها تسریع شد. سال گذشته گروه بنتون نشان داد که یک گروه از دایناسورها به نام «پاراوس» (Paraves) حدود ۱۶۰ بار سریع‌تر از بزرگ شدن دیگر دایناسورها در حال کوچک شدن بود! بنتون می‌گوید: «در حالی که دیگر دایناسورها در حال بزرگ و زشت شدن بودند، این گروه از دایناسورها مرتب کوچک می‌شدند. ما اعتقاد داریم که در این هنگام یک انتخاب طبیعی بزرگ انجام می‌گرفت.»

یک گروه از دایناسورها به نام «پاراوس» حدود ۱۶۰ بار سریع‌تر از بزرگ شدن دیگر دایناسورها در حال کوچک شدن بود

این کوچک شدن سریع نشان می‌دهد که پرندگان کوچکتر دارای مزیت رقابتی خیلی زیاد نسبت به پرندگان بزرگ بوده‌اند. بروسات می‌گوید:«ممکن است این کاهش اندازه به یافتن مکان‌های زندگی جدید، روش‌های زندگی جدید یا اصلا تغییرات فیزیولوژیکی و رشد ختم می‌شده است.» بنتون فکر می‌کند که احتمالا وقتی که اجداد پرندگان بالای درخت‌ها زندگی کردند این کوچک شدن تبدیل به مزیت شد. درخت‌ها می‌توانستند غذا و ایمنی آن‌ها را تامین کنند.

ولی دلیل کوچک شدن هرچه که باشد، کوچک بودن ابعاد مزیتی بزرگ در پرواز به حساب می‌آید. هرچند که حیوانات بزرگتر می‌توانند بر روی هوا شناور شوند و اصطلاحا گلاید کنند، پرواز واقعی با استفاده از بال زدن نیازمند نسبت خاصی از ابعاد بال به وزن است. پرندگان باید پیش از پرواز کردن به صورت واقعی و فراتر از شناور شدن بر روی هوا، کوچک می‌شدند.

اندازه‌ی کوچک بدن پرنده‌های باستانی می‌توانست به آن‌ها در پرواز و زندگی بر روی درختان کمک کند

چهره‌ی بچه‌گانه

در سال ۲۰۰۸، زیست شناسی از دانشگاه هاروارد به نام «آرخات آبژانوف» (Arkhat Abzhanov) در حال تحقیق بر روی تخم تمساح‌ بود. از آن جا که تمساح‌ها دارای اجداد مشترک با دایناسورها هستند، می‌توانند مقایسه‌ی تکاملی خیلی خوبی با پرندگان باشند. برخلاف ظاهر، پرندگان در مقایسه با مارمولک‌ها شباهت بیشتری به تمساح‌ها دارند. آبژانوف بر روی مهره‌های دایناسورها هم تحقیق می‌کرد و چیزی که خیلی برای او شگفت انگیز بود، شکل سر تمساح‌ها است که شباهت زیادی به سر پرندگان دارد. جنین تمساح‌ هم شباهت زیادی به مرغ خانگی دارد. جمجمه‌ی فسیل شده‌ی نوزاد دایناسورها هم این الگو را نشان می‌دهد. آن‌ها خیلی شبیه به پرندگان بالغ هستند. با این مشاهدات، آبژانوف به این ایده رسید که شاید پرنده‌ها با ربودن الگوی رشد روزهای اول زندگی دایناسورها تکامل یافته اند.

برای آزمایش این نظریه، آبژانوف و یک دیرینه‌شناس از موزه‌ی تاریخ طبیعی آمریکا در نیویورک به نام «مارک نورل» (Mark Norell) به همراه دیگر همکارانش، داده‌های فسیلی را از نقاط مختلف دنیا جمع آوری کردند. این داده‌ها شامل پرندگان باستانی، مثل آرکئوپتریکس و تخم‌های فسیل شده‌ی دایناسورهای در حال رشد که در آشیانه مرده بودند می‌شد. آن‌ها چگونگی تغییر شکل جمجمه، وقتی که دایناسورها در حال تبدیل شدن به پرنده بودند را دنبال کردند.

آن‌ها به مرور زمان متوجه شدند که در فرایند تبدیل شدن دایناسور به پرنده، صورت دچار افتادگی می‌شود و در عوض چشم‌ها، مغز و منقار رشد می‌کند. آبژانوف می‌گوید: «پرندگان اولیه تقریبا شبیه به آخرین جنین‌های دایناسورهای ولوسیپراتور بودند. پرندگان امروزی چهره‌ی بچه‌گانه‌تری دارند و صورت آن‌ها نسبت به دوران جنینی تغییر کمتری می‌کند. در نگاه اول، پرندگان شبیه بچه دایناسورهایی به نظر می‌آیند که می‌توانند تولید مثل کنند.

در نگاه اول، پرندگان شبیه بچه دایناسورهایی به نظر می‌آیند که می‌توانند تولید مثل کنند.

این فرایند که «پدومورفوسیس» (Paedomorphosis) یا حفظ خصوصیات دوران قبل از بلوغ برای مدت طولانی نام دارد، یک راه تکاملی خیلی بهینه است. یک زیست شناس از دانشگاه کالیفرنیا به نام «نیپام پتل» (Nipam Patel) می‌گوید: «به جای اینکه یک چیز جدید خلق بشود، چیزی که تا به حال وجود داشته فقط ارتقاء یافته است.» «بولار» (Bhullar) که پاییز امسال آزمایشگاه خودش در دانشگاه ییل را راه‌اندازی می‌کند می‌گوید: «ما روز به روز شاهد این هستیم که تکامل خیلی زیبا و شکیل‌تر از آن چه پیشتر تصور می‌کردیم عمل می‌کند. تغییرات زیادی که در جمجمه‌ی پرنده ایجاد می‌شود مدیون پدومورفوسیس است. مدیون یک سری تغییرات مولکولی در دوران جنینی.»

چرا پدومورفوسیس در تکامل پرندگان اهمیت دارد؟ این ممکن است به کوچک شدن یا عکس آن کمک کند. تغییر اندازه گاهی اوقات می‌تواند به تغییرات رشد منجر شود. بنابراین انتخاب جثه‌ی کوچک می‌تواند از تبدیل شدن به فرم ظاهری بزرگسالانه جلوگیری کند. بنتون می‌گوید: «یکی از راه‌های خیلی خوب کوتاه کردن توالی رشد این است که در کوچکی از رشد کردن جلوگیری کنیم.» جمجمه‌ی بچه‌گانه در بزرگسالان می‌تواند مغز بزرگتر پرندگان را نیز توضیح دهد، چرا که معمولا سر بچه‌ی حیوانات نسبت به بدنشان در مقایسه با حیوانات بزرگسال اندازه‌ی بزرگتری دارد. بنتون می‌گوید: «یکی از راه‌های خیلی خوب برای بزرگ شدن اندازه‌ی مغز این است که اندازه‌ی کودکی را در دوران بلوغ حفظ کنیم. در حقیقت پدومورفوسیس می‌تواند زمینه‌ساز یک سری انتقالات بزرگ در تکامل، حتی در پستانداران و انسان شود. جمجمه‌های بزرگ ما در مقایسه با جمجمه‌ی شامپانزه‌ها می‌تواند نتیجه‌‌ی پدومورفوسیس باشد.

پیدایش منقار

مشکل مطالعه‌ی پدیده‌هایی که در طی تکامل اتفاق افتاده‌ این است که فهمیدن اینکه تا به حال چه رخ داده سخت است. در حقیقت دانشمندان هیچ وقت نمی‌توانند چگونگی تبدیل شدن دایناسورها به پرندگان را دقیقا متوجه شوند یا دریابند که برای این تبدیل چه ویژگی‌هایی ضروری بوده است. ولی با ترکیب سه حوزه‌ی تکامل، ژنتیک و زیست‌شناسی رشد، آن‌ها اکنون می‌توانند بفهمند که ویژگی‌های مشخص چگونه بوجود آمده اند.

یکی از حوزه‌های مورد علاقه‌ی آبژانوف، منقار پرندگان است. منقار یکی از ابزارهای مهم پرنده برای یافتن غذا، نظافت، ساختن لانه و نگهداری از جوجه‌ها است. او می گوید که عامل موفقیت زیاد پرندگان فقط پرواز نبوده و بلکه منقار آن‌ها نیز در این موفقیت نقش اساسی داشته است. او می‌گوید:«پرندگان امروزی یک جفت انگشت بر روی صورت خود درآوردند.»

به کمک دید عمیقی که در تکامل پرندگان بوجود آمده است، آبژانوف و همکارانش می‌توانند به مکانیسم ژنتیکی دقیق بوجود آمدن منقار دست یابند. در پژوهشی جدید که ماه گذشته در «اوولوشن» (Evolution) منتشر شد، محققان نشان دادند که تنها چند تغییر ژنتیکی کوچک می‌تواند چهره‌ی یک پرنده را شبیه به دایناسور بکند.

در پرندگان امروزی، دو استخوان به نام استخوان‌های «پریماکسیلاری» (Premaxillary) به یکدیگر جوش می‌خورند تا منقار را بسازند. این ساختار کاملا متفاوت از ساختاری است که در دایناسورها، تمساح‌ها، پرندگان باستانی و بیشتر دیگر مهره‌داران وجود دارد. در همه‌ی این جانوران، این دو استخوان جدا از هم هستند و پوزه را می‌سازند. برای مشخص کردن اینکه چرا چنین تغییری رخ داده است، محققان به بررسی دو ژن که در شکل گیری این دو استخوان در حیوانات مختلف نقش دارند پرداخته اند. این حیوانات شامل تمساح، مرغ، موش، مارمولک و لاک‌پشت می‌شوند.

آن‌ها متوجه شدند که خزندگان و پستانداران دارای دو تکه‌ی فعالیت (Patches of Activity) در دو سوی حفره‌ی بینی در حال رشد خود هستند. پرنده‌ها دارای تک لکه‌ی بزرگتری هستند که در جلوی صورت آن‌ها رشد می‌کند. محققان می‌گویند که الگوی تمساح‌ها می‌تواند به عنوان یک واسط برای دایناسورها عمل کند، چرا که تمساح‌ها تقریبا همان پوزه و استخوان‌های پریماکسیلاری را دارند. محققان سپس در جنین پرنده‌ای خاص با اعمال یک ماده‌ی شیمیایی، از تاثیر ژنی که منقار را در صورت او بوجود می‌آورد جلوگیری کردند. در ضمن برای رعایت مسائل اخلاقی نگذاشتند که جوجه از تخم خارج شود.

منقار یکی از ابزارهای مهم پرنده برای یافتن غذا، نظافت، ساختن لانه و نگهداری از جوجه‌ها است

نتیجه اینکه جنین‌هایی که از رشد منقار در آن‌ها جلوگیری شده بود دارای صورت‌هایی بیشتر شبیه به دایناسورها بودند. یک دیرینه شناس از دانشگاه تگزاس به نام «تیموتی رووه» (Timothy Rowe) می‌گوید:«آن‌ها توانستند جنین یک پرنده را تبدیل به چیزی کنند که شبیه به دایناسورهای منقرض شده است.» یافته ها نشان می دهد که چگونه تغییرات مولکولی کوچک می‌تواند تغییرات ساختاری بزرگ ایجاد کند. آبژانوف می‌گوید:«از ابزارهای کنونی به صورتی نوین برای ساختن یک چهره‌ی کامل جدید استفاده کنید» او ادامه می‌دهد:«آن‌ها یک ژن یا راه جدید را اختراع نکردند، آن‌ها فقط یک ژن موجود را تغییر دادند.»

مثل مطالعات بروسات و دیگران، کار آبژانوف نظریه‌ی هیولای امیدوار را به چالش می کشد. البته او این کار را در ابعاد ژنتیکی انجام می‌دهد. بوجود آمدن منقار نیازمند یک جهش تکاملی خاص یا تغییر ژنتیکی گستره نیست. در عوض آبژانوف نشان داد همان نیروهایی که ریز تکامل (تغییرات کوچک در گونه‌ها) را بوجود می‌آورد، درشت تکامل را هم ایجاد می‌کند. تکامل ویژگی‌های جدید و گروه جدیدی از گونه‌ها.

مشخصا تغییرات کوچک در تنظیم ژن‌ها، هم به پیدایش منقار (که در طی میلیون ها سال تکامل یافت) و هم اشکال گوناگون منقار پرندگان که می تواند طی چند نسل تغییر کند منجر شد. آبژانوف می‌گوید: «ما نشان دادیم که تغییرات تنظیمی کوچک می تواند به یک اثر بزرگ تبدیل شود.» بولار و آبژانوف قصد دارند که در چگونگی تکامل منقار و جمجمه‌ی پرندگان تعمق بیشتری کنند. آن ها این کار را با استفاده از روش دست بردن در ویژگی های جمجمه و مغز انجام می دهند. بولار می گوید: «ما تازه این کار را شروع کرده ایم.»

منبع: Scientific American