9 دقیقه
مدلسازی بیومکانیکی جدید نشان میدهد که یک سینودونت دوره تریاس، Thrinaxodon liorhinus، میتوانسته حدود ۲۵۰ میلیون سال پیش صداهای هوابرد را با استفاده از یک پردهی گوش اولیه بشنود. این زمانبندی، منشأ شنوایی حساس شبیه پستانداران را تقریباً ۵۰ میلیون سال عقب میبرد و دید ما را نسبت به چگونگی درک محیط توسط اجداد اولیه پستانداران بازتعریف میکند. علاوه بر اهمیت دیرینهشناسی، این یافتهها برای درک تکامل سازگاریهای حسی مانند شنوایی، نقش مهمی در تصویر کلی زیستشناسی تکاملی دارد.
چرا شنوایی در تکامل پستانداران اهمیت دارد
تکامل گوش میانی پستانداران — سامانهای که شامل پردهی گوش و استخوانچههای کوچک گوش (چکشی، سندانی، رکابی) میشود — امکان تشخیص طیف وسیعی از صداهای هوابرد و دریافت جزئیات آکوستیکی را فراتر از انتقال صوت از طریق هدایت استخوان فراهم کرد. برای خویشاوندان اولیه پستانداران که بسیاری از آنها احتمالاً شبزی بودند، بهبود شنوایی میتوانست مزایای بزرگی در یافتن شکار، اجتناب از شکارچیان و حرکت در نور کم فراهم آورد. این تطبیقها شامل افزایش حساسیت فرکانسی، توانایی تفکیک منابع صوتی و دریافت علائم رفتاری یا ارتباطی دیگر بود.
طی دههها دیرینهشناسان در مورد زمان ظهور شنوایی هوابرد در شاخهای که به پستانداران مدرن منجر شد، بحث کردهاند. بازسازیهای سنتی انتقال کامل به یک گوش میانی جداشده و پردهی گوش کارآمد را دیرتر از دوره تریاس قرار میدادند. مطالعه جدید با ترکیب آناتومی فسیل و شبیهسازیهای مهندسیمحور این جدول زمانی را دگرگون میکند و نشان میدهد که مراحل کلیدی شنوایی پستانداران ممکن است بسیار زودتر رخ داده باشند.
تبدیل یک فسیل به یک مدل مهندسی
پژوهشگران دانشگاه شیکاگو از اسکنهای با وضوح بالای CT یک جمجمه و فک تینراکسدون با حفظ شده که در موزه دیرینهشناسی دانشگاه کالیفرنیا برکلی نگهداری میشود، استفاده کردند. این اسکنها بازسازی سهبعدی دقیقی از استخوانها، انحناها و حفرهها فراهم آوردند و پایه هندسی لازم برای شبیهسازی فیزیکی را طرحریزی کردند. این سطح از جزئیات اجازه داد تا هندسه واقعی ساختارهای استخوانی و فضای اطراف آنها بهدقت وارد مدل شود، که برای تحلیل عملکردی مانند انتقال ارتعاش صوتی حیاتی است.
در گام بعدی، تیم از تحلیل اجزای محدود (FEA) با استفاده از نرمافزار Strand7 بهره برد — روشی محاسباتی که در مهندسی برای پیشبینی رفتار سازهها تحت نیروها و ارتعاشات کاربرد فراوان دارد. با اختصاص دادن خواص ماده واقعی مبتنی بر دادههای پستانداران زنده (چگالی استخوان، سفتی لیگامانها، ضخامت بافتهای نرم)، مدل میتوانست تخمین بزند که فشارهای صوتی با فرکانسهای مختلف چگونه بخشهایی از فک و یک غشای فرضی را به ارتعاش درمیآورند. این روش به تیم امکان داد تا سناریوهای مختلفِ مادهای و هندسی را آزمایش کند و حساسیت نتایج را به پارامترهای بیولوژیک بررسی نماید.
شبیهسازیها نشان دادند که امواج صوتی وارد شده به پردهی گوش فرضی Thrinaxodon (بالا) میتوانست شنیدن را بسیار مؤثرتر از هدایت صوت از طریق استخوان تنها (پایین) ممکن کند.
شواهدی که نشان میدهد پردهی گوش مسئولیت اصلی را به عهده داشته
نتایج شبیهسازیها نتیجهای روشن داد: غشایی که در یک فرورفتگی طبیعی در امتداد فک پایین Thrinaxodon قرار میگرفت، میتوانست صداهای هوابرد را بهصورت کارآمد به زنجیرهی استخوانچههای گوش منتقل کند و دامنههای ارتعاشی کافی برای تحریک پایانههای عصبی شنوایی تولید نماید. در حالی که تا حدی شنیدن از طریق فک و هدایت استخوان احتمالاً ادامه داشته، پردهی مدلشده بیشترین سهم را در شنیدن مؤثر حیوان در بازههای فرکانسی مرتبط داشت. این نشان میدهد که انتقال از شنیدن مبتنی بر استخوان به شنیدن هوابرد میتواند یک فرآیند تطوری تدریجی با مراحل عملکردی بینابینی بوده باشد.
تاریخانۀ علمی قبلاً بسیاری از این سینودونتهای اولیه را عمدتاً بر اساس هدایت استخوانی یا «شنیدن از طریق فک» تفسیر کرده بودند، جایی که ارتعاشات از راه استخوان به گوش داخلی منتقل میشود. حدود پنجاه سال پیش ادوارد آلین پیشنهاد داد که غشایی که بر روی بخش منحنی فک کشیده شده، میتواند بهعنوان یک پردهی تمپانیک اولیه عمل کند. تا کنون، ابزارهای بیومکانیکی برای آزمودن این ایده محدود بودند؛ اما تصویربرداری CT مدرن همراه با FEA امکان آزمون مستقیم و کمی پیشنهاد آلین را فراهم کرد و باعث شد نظریههای قبلی بهصورت علمی و کمی بررسی شوند.
مدلهای سهبعدی فک و استخوانچههای گوش میانی مرتبط با اجداد پستاندار تریاس، Thrinaxodon، نشان میدهند که تغییر به شنوایی شبیه پستانداران با پردهی گوش بسیار زودتر از آنچه قبلاً تصور میشد، تکامل یافته است.
معانی یافتهها برای دیرینهشناسی و تکامل حسی
قرار دادن شنوایی هوابرد در این مرحلهٔ زمانی نشان میدهد که چندین ویژگی بافت نرم و رفتاری شبیه پستانداران ممکن است زودتر از انتظار ظاهر شده باشند. اگر Thrinaxodon و خویشاوندان نزدیک آنها پردهی گوش کارا و زنجیرهای از استخوانچههای گوش متصل به آن را داشتهاند، آنگاه انتخاب طبیعی میتوانست حساسیت شنوایی و توان تفکیک فرکانسی را در گذر زمان بهبود دهد، در حالی که این جانوران همزیستی با آروکوسورها و شاخههای خزندهٔ دیگر را تجربه میکردند. این تغییرات میتوانست رفتارهای شکارگری، ارتباطی و محیطی آنها را متأثر سازد.
بهصورت عملی، این مطالعه نشان میدهد که چگونه ابزارهای محاسباتی مدرن به دیرینهشناسان اجازه میدهد تا پرسشهای مورفولوژیک را به مسائل مهندسی قابل آزمون تبدیل کنند. با یکپارچهسازی هندسهٔ فسیل با پارامترهای مادهای مبتنی بر شواهد تجربی، محققان میتوانند فراتر از گمانهزنی حرکت کرده و ارزیابیهای کمی از عملکرد حسی در موجودات منقرضشده ارائه دهند. این ترکیب بینرشتهایِ تفسیر فسیل و تحلیل مهندسی، اعتبار علمی نتایج را افزایش میدهد و امکان مقایسهٔ یافتهها بین گونهها و دورههای زمانی مختلف را فراهم میسازد.
Zhe-Xi Luo (چپ) نمونهٔ فسیلی Thrinaxodon را در دست دارد، در حالی که Alec Wilken (راست) یک مدل چاپ سهبعدی از گوش داخلی اپوسوم مدرن را برای مقایسه نگه داشته است.
آزمون فرضیههای قدیمی با ابزارهای نو
Alec Wilken، دانشجوی مقطع دکتری که پروژه را هدایت کرد، و مشاورانش Zhe-Xi Luo و Callum Ross، یک سؤال کلاسیک دیرینهشناسی را به یک آزمایش محاسباتی تبدیل کردند. با ترکیب هندسه استخراج شده از CT، دادههای مقایسهای خواص بافتی و تحلیل اجزای محدود، آنها نشان دادند که فرورفتگی فک میتواند از یک غشای تمپانیک پشتیبانی کند که قادر به شنیدن هوابرد باشد. بهعبارت دیگر، ایدهٔ پردهی گوش که دههها پژوهشگران را کنجکاو کرده بود، هنگامی که با روشهای بیومکانیکی مدرن بررسی میشود، پشتیبانی میگردد.
پیامدهای این یافتهها فراتر از Thrinaxodon است: اگر هندسههای مشابه فک و بازسازیهای بافت نرم در سینودونتهای مرتبط تأیید شوند، منشا شنوایی شبیه پستانداران ممکن است یک فرآیند تدریجی بوده باشد که مراحل عملکردی آن حتی از اوایل تریاس قابل ردیابیاند. این شواهد میتواند چارچوب زمانی برای تکامل گوش میانی، انتقال استخوانچههای فک به گوش و پیدایش سازوکارهای ارتباط صوتی را بازنویسی کند.
دیدگاه کارشناسان
دکتر هلنا مارکز، زیستشناس مقایسهای شنوایی (شخصیت فرضی)، اظهار داشت: «این پژوهش نمونهٔ عالی از علم بینرشتهای است. فسیلها به ما شکل میدهند، مهندسی به ما عملکرد میدهد. یافتهٔ اینکه یک پردهٔ گوش میتواند در یک سامانه متصل به فک بهطور مؤثر عمل کند، نحوه خوانش ما از رکورد فسیلی در ارتباط با تکامل حساسیتهای حسی را تغییر میدهد. این نشان میدهد که سازگاریهای آکوستیکی بخشی از ابزارکهای زیستی این جانوران بسیار زودتر از آن چیزی بوده که تصور میکردیم.»
او افزود: «کارهای دقیقتری لازم است تا گستردگی این طراحی در میان سینودونتها تأیید شود، اما روش بهشدت قدرتمند است: این روش به ما اجازه میدهد نه تنها بدانیم استخوانها چگونه دیده میشوند، بلکه بفهمیم جانوران منقرضشده واقعاً چگونه محیط خود را تجربه میکردند.»
فناوریهای گستردهتر و جهتهای پژوهشی آینده
این مطالعه چند ابزار مدرن را که دیرینهشناسی را تغییر شکل میدهند، برجسته میکند: اسکن میکرو-CT برای تصویربرداری درونی غیرمخرب، چاپ سهبعدی برای مقایسههای فیزیکی و مدلسازی اجزای محدود برای استنتاج بیومکانیکی. کارهای آینده ممکن است شبیهسازیها را گسترش دهند تا متغیرهای بافت نرم، منظرههای صوتی محیطی مختلف و مقایسه در میان گونههای متعدد سینودونت را دربرگیرند تا سرعت و توالی نوآوریهای شنوایی نقشهبرداری شود.
علاوه بر این، ترکیب مدلهای بیومکانیکی با سایتهای فسیلی که آناتومی ظریف را حفظ کردهاند میتواند سازگاریهای حسی دیگری را شناسایی کند — برای مثال تغییرات بویایی یا بینایی — که همزمان با شنوایی اولیهٔ پستاندارگونهها همتکامل یافتهاند. چنین رویکرد چندحسی میتواند تصویر کاملتری از شیوهٔ زندگی و رفتارهای زیستی اجداد پستانداران ارائه دهد.
با آوردن سختگیری مهندسی به پرسشهای تکاملی، تیم تحقیقاتی راه جدیدی را برای آزمون فرضیههای دیرینمدت درباره زندگی حسی گونههای از دیرباز منقرضشده گشود. این مسیر پژوهشی نه تنها فهم تاریخچهٔ شنوایی را تغییر میدهد، بلکه چارچوب مفهومی و ابزارشناختی برای بررسی سایر حسها و عملکردهای زیستی در سوابق فسیلی را نیز توسعه میدهد.
منبع: scitechdaily
نظرات
اتو_ر
خوبه اما یه کم بزرگنمایی شده به نظر؛ شبیهسازی قویه اما این هنوز به معنی اینکه همهٔ سینودونتها همین طراحی رو داشتن نیست.
داNیکس
دیدگاهِ جالبی بود؛ مهندسی+دیرینهشناسی ترکیب قدرتمندی ساخته. امیدوارم مطالعات بعدی گستردهتر باشن.
پمپزون
پروژهٔ جالبیه، منم تو کارهای صوتی دیدهم مدلها گاهی پاسخای غیرمنتظره میدن… شبیهسازیها خوبه ولی بافت نرم رو سخت بشه کامل بازسازی کرد.
بیونیکس
معقول بهنظر میاد، ترکیب CT و FEA منطقیه، اما دوست دارم ببینم روی نمونههای بیشتری هم تکرار میشه یا نه.
دیتاپالس
وااای یعنی ۲۵۰ میلیون سال پیش هم پردهی گوش بوده؟ این حقیقتا ذهنو منفجر میکنه 😮 کلی سوال تازه به وجود اومد...
ارسال نظر