1

کشف یک فسیل جدید از ماهی نشان می‌دهد که بزرگ‌ترین گروه ماهیان آب شیرین جهان برخلاف تصور رایج، ابتدا در دریاها پدید آمده‌اند، نه در رودخانه‌ها. این گروه عظیم بیش از ۱۰ هزار گونه را در بر می‌گیرد؛ از غول‌های رودخانه‌ای گرفته تا ماهی‌های کوچک آکواریومی که در سراسر جهان محبوب هستند.

فسیل کلیدی این پژوهش، اسکلت بسیار کوچکی است که در رسوبات باستانی رودخانه‌ای در استان آلبرتای کانادا کشف شده است. یک تیم بین‌المللی با بررسی استخوان‌های بسیار ظریف گوش این ماهی توانسته‌اند فصل مهمی از تاریخ تکامل ماهیان را بازنویسی کنند.

منشأ ماهیان آب شیرین؛ بازنگری در یک فرض قدیمی

این پژوهش به سرپرستی خوان لیو، دیرینه‌شناس دانشگاه کالیفرنیا در برکلی انجام شده است. تمرکز اصلی تحقیقات او بر تکامل سیستم شنوایی ماهیان و ارتباط آن با تنوع بالای گونه‌های آب شیرین است.

برای دهه‌ها، کتاب‌های درسی فرض می‌کردند که اوتوفیزان‌ها، گروهی بسیار بزرگ از ماهیان آب شیرین با توانایی شنوایی پیشرفته، در رودخانه‌های ابرقاره باستانی پانگه‌آ شکل گرفته‌اند.

اما ترکیب داده‌های فسیلی جدید با اطلاعات ژنتیکی گونه‌های زنده نشان می‌دهد که منشأ این گروه به محیط‌های دریایی و حدود ۱۵۴ میلیون سال پیش بازمی‌گردد.

این مطالعه همچنین نشان می‌دهد که حداقل دو مهاجرت مستقل از آب شور به رودخانه‌ها و دریاچه‌ها رخ داده است:

• یک شاخه که به گربه‌ماهی‌ها و تتراهای امروزی منتهی شد.
• شاخه‌ای دیگر که منشأ کپورها، مینوها، ساکرها و گونه‌های مدل پژوهشی مانند زبرا فیش بود.

فسیلی کوچک با داستانی بزرگ

گونه تازه شناسایی‌شده با نام Acronichthys maccagnoi حدود ۶۷ میلیون سال پیش در یک سامانه آب شیرین، در محدوده‌ای که امروز آلبرتای کانادا نام دارد، زندگی می‌کرد.

طول بدن این ماهی تنها حدود پنج سانتی‌متر بود، اما جمجمه آن ساختارهای ظریف گوش داخلی را حفظ کرده است؛ ساختارهایی که به‌ندرت در فسیل‌ها سالم باقی می‌مانند.

پژوهشگران با استفاده از اسکن میکرو CT با وضوح بالا، یک مدل سه‌بعدی دقیق از سر و مهره‌های این ماهی ساختند.

این مدل وجود یک دستگاه وبرین کامل را نشان داد؛ زنجیره‌ای از استخوان‌های بسیار ریز که ارتعاشات صوتی را از کیسه شنای پر از هوا به گوش داخلی منتقل می‌کند.

«مطمئن نبودیم که این دستگاه وبرین کاملاً عملکردی بوده باشد، اما شبیه‌سازی‌ها نشان داد که سیستم به‌خوبی کار می‌کرد.»

— خوان لیو

بازسازی تیم لیو نشان می‌دهد که این ماهی متعلق به اواخر دوره کرتاسه قادر بوده صداهای با فرکانس متوسط را تقریباً به همان شیوه بسیاری از اوتوفیزان‌های امروزی تشخیص دهد.

گوش‌ها و شنوایی در ماهیان آب شیرین

شنوایی در آب با شنوایی در هوا تفاوت اساسی دارد، زیرا چگالی آب و بدن ماهی بسیار به هم نزدیک است.

بیشتر ماهیان دارای یک کیسه شنای پر از هوا هستند؛ اندامی که علاوه بر تنظیم شناوری، به تغییرات فشار ناشی از صدا نیز واکنش نشان می‌دهد و به ارتعاش درمی‌آید.

در ماهیان اوتوفیزان، دستگاه وبرین این کیسه شنا را به گوش داخلی متصل می‌کند و باعث می‌شود تغییرات بسیار کوچک فشار صوتی به سیگنال‌های قوی‌تری برای مغز تبدیل شوند.

اوتوفیزان‌ها امروزه بر زیست‌بوم‌های آب شیرین جهان تسلط دارند و حدود دو سوم از کل گونه‌های ماهیان آب شیرین را تشکیل می‌دهند.

زبرافیش، یکی از شناخته‌شده‌ترین اوتوفیزان‌ها در آزمایشگاه‌های علمی، از همین سیستم برای شنیدن طیف وسیعی از فرکانس‌ها استفاده می‌کند.

مطالعات الکتروفیزیولوژی نشان داده‌اند که نمونه‌های بالغ زبرافیش می‌توانند به صداهایی تا حدود ۱۲ هزار هرتز واکنش نشان دهند.

شبیه‌سازی شنوایی در اعماق تاریخ

لیو برای بررسی واکنش استخوان‌ها به صدا از روشی به نام تحلیل اجزای محدود استفاده می‌کند؛ یک تکنیک محاسباتی که ارتعاشات سازه‌ها را شبیه‌سازی می‌کند و هم روی ماهیان زنده هم فسیل‌ها به کار می‌رود.

پژوهش‌های پیشین روی استخوانچه‌های وبرین زبرافیش نشان داده بود که این زنجیره استخوانی در حوالی ۹۰۰ هرتز بیشترین تشدید را دارد.

همین مدل‌سازی وقتی روی Acronichthys maccagnoi اعمال شد، نشان داد که زنجیره وبرین آن به صداهایی در بازه تقریبی ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ هرتز بیشترین پاسخ را می‌داده است.

این دامنه حساسیت با محدوده شنوایی بسیاری از خویشاوندان زنده آن هم‌خوانی دارد و نشان می‌دهد که یک گوش میانی با ساختاری مدرن، پیش از انقراض دایناسورهای غیرپرنده وجود داشته است.

رشد شنوایی در طول تکامل

مطالعات رشدشناسی روی زبرافیش نشان می‌دهد که دستگاه وبرین پیش از آن‌که جهش‌های بزرگ در توان شنوایی ظاهر شوند، به اسکلت متصل و تثبیت می‌شود.

الگوی مشابهی در گربه‌ماهی‌ها نیز دیده می‌شود؛ جایی که تکمیل استخوانچه‌های وبرین با افزایش ناگهانی حساسیت شنوایی در فرکانس‌های پایین و بالا همراه است.

یک مطالعه روی رشد گوش گربه‌ماهی‌ها نشان داد که بیشترین بهبود شنوایی دقیقاً پس از کامل شدن زنجیره ارتباطی بین کیسه شنا و گوش داخلی رخ می‌دهد.

درس‌هایی از اوتوفیزان‌ها برای درک تنوع ماهیان آب شیرین

خط زمانی مبتنی بر فسیل‌های مورد مطالعه لیو نشان می‌دهد که نیاکان دریایی این ماهیان بیش از یک‌بار زیستگاه‌های آب شیرین را آزموده‌اند و همین ورودهای مکرر، مسیرهای تکاملی متعددی را گشوده است.

«این ورودهای تکرارشونده به آب شیرین در مراحل اولیه واگرایی، احتمالاً فرایند گونه‌زایی را تسریع کرده است.»

— خوان لیو

امروزه این تاریخ تکاملی توضیح می‌دهد که چرا رودخانه‌ها و دریاچه‌های غنی از اوتوفیزان‌ها، گونه‌هایی مانند لوچ‌ها، بارب‌ها، ماهیان چاقویی الکتریکی و کاراسین‌های دسته‌جمعی را در کنار یکدیگر میزبانی می‌کنند.

درک چگونگی تکامل سیستم شنوایی این ماهیان برای حفاظت از تنوع زیستی نیز اهمیت دارد، زیرا آلودگی صوتی زیرآبی و تغییر زیستگاه می‌تواند گونه‌هایی را که به صدا وابستگی زیادی دارند، به‌شدت تهدید کند.

سناریوی منشأ دریایی نشان می‌دهد که بزرگ‌ترین گروه ماهیان آب شیرین، نوادگان ساکنان باستانی اقیانوس‌ها هستند که با خود یک ابزار شنوایی قدرتمند را به خشکی‌های آبی منتقل کردند.

با کشف فسیل‌های بیشتر و افزودن آن‌ها به مدل‌های شنوایی، تصویر ما از چگونگی ورود ماهیان به آب شیرین و تکامل گوش‌هایشان شفاف‌تر خواهد شد.

نتایج این پژوهش در مجله علمی Science منتشر شده است.