دایناسورها و تکامل تنفس ازطریق استخوان‌ها

جایی‌ در گذشته‌ی زمین، برخی از گونه‌ها در درخت تبارزایی، شکل بدنی را به‌دست آوردند که تنفس و خنک‌کردن را به‌طرز چشمگیری کارآمدتر از روش انجام این فرایند در بدن پستاندارانی مثل ما می‌کرد. این پیشرفت ممکن است روی سطح زمین چندان زیاد به‌نظر نرسد؛ اما باید درنظر داشت که همین ویژگی، درنهایت شکل‌گیری برخی از بزرگ‌ترین انواع دایناسور را که سیاره آبی تاکنون شناخته است، امکان‌پذیر کرد. این روش تنفسی آن‌قدر موفقیت‌آمیز بود که به‌وسیله‌ی سه گروه از گونه‌های منقرض‌شده حفظ شد و امروزه در نوادگان زنده‌ی دایناسورها تداوم یافته است.

از آنجایی که ریه‌ها معمولا در فرایند تبدیل پیکر حیوان به فسیل حفظ نمی‌شوند، ممکن است سؤال پیش بیاید که چگونه دانشمندان می‌توانند قابلیت‌های تنفسی گونه‌های منقرض شده را بررسی کنند؟ پاسخ این سؤال در استخوان‌های دایناسورها نهفته است.

به‌گزارش ارز تکنیکا، گروهی از دیرینه‌شناسان در مجموعه‌ای از مقاله‌های منتشرشده در اواخر سال ۲۰۲۲ و اوایل سال ۲۰۲۳، نوعی ساختار ریز فسیلی را در برخی از اولین دایناسورهای شناخته‌شده بررسی کردند تا دریابند که چگونه قسمت‌های اولیه‌ی آن دستگاه تنفسی تکامل یافتند.

در گونه‌هایی مانند پرندگان، دستگاه تنفسی حاوی حفره‌هایی است که در سرتاسر استخوان‌های بدن قرار گرفته و با نام «کیسه‌های هوایی» شناخته می‌شود. برخلاف دستگاه تنفسی پستانداران که در آن دم و بازدم به صورت دو فرآیند مجزا عمل می‌کند، تنفس در استخوان‌ها یک طرفه انجام می‌شود، یعنی دم و بازدم هر دو با هم صورت می‌گیرد. این عمل که به‌عنوان «هواگیری اسکلتی» شناخته می‌شود، بخشی‌از یک سیستم فوق‌العاده کارآمد است که اکسیژن را به‌سرعت وارد خون و گرما را از بدن خارج می‌کند.

امروزه سیستم کیسه هوایی فقط در پرندگان شناخته شده است. پرندگان و تمساح‌ها که در گروه آرکوسورها قرار می‌گیرند، خویشاوندان زنده‌ی دایناسورهای غیرپرنده و پتروسورهای غیرپرنده به‌حساب می‌آیند. این درحالی است که تمساح‌های امروزی از طریق ریه‌های خود تنفس یک‌طرفه دارند و هوای آن‌ها به استخوان‌هایشان که فاقد کیسه‌ی هوا هستند، گسترش نمی‌یابد.

تیتو اورلیانو، دیرینه‌شناس در دانشگاه فدرال دو‌ریوگرانددونورته برزیل و نویسنده‌ی اصلی مقاله‌های اخیر، توضیح می‌دهد که انسان به‌عنوان یک پستاندار، ممکن است پس‌از فعالیت بدنی سنگین یا گرمای شدید دچار تنگی نفس یا گرمازدگی شود، اما در گونه‌هایی که دستگاه تنفسی‌شان کیسه‌ی هوایی تهاجمی دارد، وضعیت متفاوت است. کیسه‌های هوایی از حدود ۱۴۵ تا ۶۶ میلیون سال پیش در تروپودهای دوره‌ی کرتاسه (دایناسورهای دوپای گوشتخوار یا گیاهخوار)، خزنده‌بال‌سانان یا پتروسورها و ساروپودها (دایناسورهای غول‌پیکر با گردن دراز) وجود داشت.

بنابراین برای یافتن منشأ کیسه‌های هوا، تیم محققان به بررسی دوره‌ی تریاس (حدود ۲۵۲ تا ۲۰۱ میلیون سال پیش) پرداختند. آن‌ها دو نوع دایناسور ساروپودومورف (ساروپوداهای تکامل‌نیافته‌ی اولیه) و یک نوع دایناسور گوشتخوار به نام گناتووراکس را مورد مطالعه قرار دادند. (اینکه گناتووراکس یک تروپود یا هرراسور یا نوع متفاوتی از دایناسور بود، همچنان محل بحث است.)

مشاهده‌ی تطابق نشانه‌های روی بافت استخوان فسیلی با آنچه در پرندگان امروزی (نوادگان امروزی دایناسورها) دیده می‌شود، نشان‌دهنده‌ی وجود سازگاری تنفسی مورد بحث است. هیچکدام از گونه‌های اولیه حاوی این آثار نبودند که نشان می‌دهد عمل هواگیری اسکلتی در آن‌ها هنوز تکامل نیافته بود. بدین معنی که این دستگاه تنفسی در جد مشترک دایناسورها و سایر گروه‌های اصلی وجود نداشته است. به‌عبارت دیگر، نتایج نشان می‌دهد که سه تبار گونه‌های منقرض شده، سیستم تنفسی مشابهی را به‌طور مستقل تکامل دادند. این پدیده به عنوان «تکامل همگرا» شناخته می‌شود.

همچنان مطالعه‌ی فسیل‌ها نشان می‌دهد که تکامل کیسه‌های هوایی در همین محدوده زمانی آغاز شده است. اورلیانو توضیح داد که دو گونه از دایناسورهای مورد مطالعه تقریباً ۲۳۳ میلیون سال پیش زندگی می‌کردند، اما دایناسور سوم کمی دیرتر از دو گونه‌ی دیگر در زمین می‌زیسته است. این شکاف زمانی اگرچه از نظر زمین‌شناسی به‌نسبت کوچک است، اما تغییر عظیمی در اسکلت‌ها را نشان می‌دهد. دایناسور سوم نوع جدیدی از بافت را داشت که به‌اعتقاد محققان ممکن است گامی به سمت تکامل کیسه‌های هوایی باشد.

تیم محققان، آب‌و‌هوای گرم زمین در دوره‌ی تریاس را یک عامل بالقوه برای تکامل سازگاری تنفسی مورد بحث می‌دانند. به‌نظر الین گیلاردی دیرینه‌شناس و استادیار و یکی‌از محققان این پژوهش، اگر فیزیولوژی بدنی کارآمد و مناسب برای مقابله با گرما باشد، درمقابل باقی گونه‌ها برتری ایجاد می‌شود. شاید در دوره‌ی تریاس، وجود کیسه‌های هوایی باعث برتری دایناسورها نسبت‌به سایر رقبا و دلیل موفقیت دایناسورها شده باشد.

در ادامه، تیم گونه‌ی دیگری از سوروپودومورف‌ها از برزیل به‌نام ماکرولوم را انتخاب کرد. اورلیانو گفت: «ماکروکلوم هشت میلیون سال پس از دایناسور سوم روی سیاره ظاهر شد و سه برابر از آن بزرگ‌تر است». شواهدی از کیسه هوا در این گونه پیدا شد و درنتیجه، اولین دایناسور شناخته شده با سیستم سازگاری تکاملی کشف شد. این سیستم در سرتاسر بدن دایناسور یافت نشد، اما ممکن است دلیلی کلیدی برای جثه‌ی بزرگ او باشد. بنابراین، به‌نظر می‌رسد که اندازه‌ی جثه و دستگاه تنفسی پیشرفته‌تر باهم تکامل می‌یابند، یعنی دستگاه تفسی پیشرفته دلیل رشد جثه است.

از نظر گیلاردی، جالب‌ترین جنبه‌ی پژوهش نکاتی بود که درمورد روش‌های مختلف تکامل در کیسه‌های هوایی آشکار شد. در این نمونه، تغییرات در ساختار استخوان این گونه‌ها نشان می‌دهد به‌جای پیشرفت خطی، تکامل ازطریق «کسب تجربه» با سازگاری دایناسورها در محیط پیش رفته است. دوره‌ی تریاس مانند میدانی برای آزمودن بوده و به پیدایش بزرگترین دایناسورهایی منجر شد که در دوره‌ی کرتاسه می‌زیستند.

محققان ازطریق میکروسی‌تی (بررسی درون استخوان بااستفاده از پرتو ایکس) استخوان‌های فسیلی را بررسی کردند. علی نبوی‌زاده دیرینه زیست‌شناس و استادیار بالینی آناتومی در دانشگاه پنسیلوانیا که در این پژوهش شرکت نداشت، درباره‌ی پژوهش اخیر می‌گوید: «فناوری‌هایی مانند سی‌تی‌اسکن، مدل‌سازی کامپیوتری و مطالعه‌ی ریزساختارها در استخوان‌های فسیل‌شده، درطول سال‌های گذشته پیشرفت بسزایی داشته و به‌طور تصاعدی، به‌افزایش دانش ما کمک می‌کند. اما درعین حال، راه درازی پیش‌رو داریم که بسیار هیجان‌انگیز است.»