קטעי מעבר (חלק ב') – לאוויר

לחלק הראשון על המעבר מהים ליבשה.

התהדרות בנוצות

התיאוריות הקושרות בין דינוזאורים, ובעיקר בין סוג מסוים של דינוזאורים, התרופודים (Theropods, "רגל של חיה"), ובין העופות בני זמננו הועלו עוד בזמנו של דרווין. הנציג המוכר ביותר של התרופודים הוא הטירנוזאור רֶקס (כוכב הסרט "פארק היורה"), ולא בדיוק משהו שמזכיר את התוכי שלכם, אבל כבר במבנה גופו אפשר למצוא כמה מרכיבים המשותפים לו ולצאצאיו הרחוקים: עמידה על שתי רגליים שלהן שלוש אצבעות המופנות קדימה, צוואר בצורת האות S ועוד.

ב-1861, שנתיים בלבד לאחר פרסום מוצא המינים, התגלה בדרום גרמניה אחד המאובנים המפורסמים ביותר מאז ומעולם – הארכיאופטריקס (Archaeopteryx), שפירוש שמו "כנף קדומה", או "נוצה קדומה". המאובן התגלה באזור עשיר במאובנים שהשתמרו היטב. אזורים כאלו קרויים לאגֶרשׁטָטֶן (lagerstätten). מאובן זה, מתקופת היוּרה המאוחרת (לפני 145-150 מיליוני שנים), השתמר בצורה מופלאה במשקעי אבן סיד, ובשנים שלאחר מכן נמצאו בסביבה עוד תשעה מאובנים מאותו מין. אורכו של הארכיאופטריקס היה כחצי מטר, ואפשר לראות בברור כי היה מכוסה נוצות. כמה מאפיינים בשלד שלו הזכירו דינוזאור יותר מאשר עוף, ומביניהם בלטו לעין כל השיניים בפיו וזנב-הזוחל הארוך שלו. מכל מקום, נוצות הארכיאופטריקס דומות מאוד לנוצותיהם של העופות המודרניים, ועצמותיו היו חלולות כמו עצמות העופות.

מאובן של ארכיאופטריקס. מתוך ויקיפדיה

רוב הפליאונטולוגים מסכימים – על פי ניתוח מבנה הנוצות ומבנה השלד – כי הארכיאופטריקס ידע לעוף. עקב הגילוי תומס האקסלי (Huxley), חברו הקרוב של דרווין ואחד מהתומכים הגדולים של תיאוריית האבולוציה, קידם את הרעיון שמוצא הציפורים הוא מן הדינוזאורים, ואף פרסם ספר בנושא. עם זאת, במשך יותר ממאה השנים שלאחר מכן לא נמצאו עדויות חותכות שתמכו בתיאוריה, ופותחו תיאוריות מתחרות – למשל, שאבותיהם של הציפורים היו דווקא דמויי-תנינים.

והנה, בשנות השמונים של המאה ה-20 החלו חפירות במחוז ליאונינג (Liaoning) שבצפון סין. המאפיינים הגאולוגיים של לאגרשטטה זה, ובייחוד הרי הגעש שכיסו את האדמה פעם אחר פעם באפר דק ועדין, יצרו תנאים יוצאים מן הכלל לשימור מאובנים. החפירות הניבו מגוון רב של מאובנים ממחלקות רבות ושונות, וביניהם גם דינוזאורים מנוצים. משנות התשעים של המאה הקודמת ועד היום התגלו כ-20 מינים של דינוזאורים כאלו, רובם באותו אזור. במקביל, התפתחויות בגנטיקה ובביולוגיה מולקולרית אפשרו להשוות בין DNA שהופק מדינוזאורים ובין מגוון של בעלי-חיים מודרניים, והוכח כי הקרובים אליהם ביותר הם אכן עופות – והעוף הקרוב ביותר לדינוזאורים הקדומים הוא, משום מה, תרנגול-הודו.

שחזור של ארכיאופטריקס. איור: ג'יימס רובינס
Image courtesy of James Robins

עקב גילוי המאובנים הללו עלתה שאלה חדשה: מה בעצם עשו הדינוזאורים עם הנוצות? נוצות הציפורים הן מבנים מורכבים ביותר, ומאובני הדינוזאורים חשפו, כפי שהיה אפשר לצפות, מבנים פשוטים הרבה יותר שלא היו יכולים לשמש בשום פנים ואופן לתעופה. יש לזכור כי הברירה הטבעית היא מנגנון עיוור, שאינו "מסוגל" לתכנן לטווח רחוק – אם המבנים הללו התקיימו, אזי היה חייב להיות להם שימוש שהעניק לדינוזאורים המנוצים יתרון על קרוביהם חסרי הנוצות. שלוש תיאוריות עיקריות פותחו כדי להסביר את תפקידן המקורי של הנוצות: הראשונה גורסת שהנוצות לא שימשו לתעופה אך שיפרו את המבנה האווירודינמי של הדינוזאורים, מה שאפשר להם לגלוש מצמרות העצים, בדומה לגלישת סנאים מעופפים ויונקים דומים – או לעזור להם לטפס על עצים ביעילות רבה יותר. לפי התיאוריה השנייה שימשו הנוצות כשכבת בידוד, כמו שהן משמשות גם בעופות המודרניים, ובדומה לשיער היונקים, וזאת בהנחה (הנתמכת על-ידי עדויות נוספות, אם כי עדיין שנויה במחלוקת) שהדינוזאורים היו בעלי "דם חם" (הומיאותרמיים). התיאוריה השלישית מציעה שהנוצות שימשו לתצוגה ולמשיכת בני/בנות זוג, כפי שהן משמשות במינים רבים של ציפורים.

כיום ברור למדי שהתעופה התפתחה בכמה שלבים, שאחד מהם אכן היה דאייה מצמרות העצים. המאובן שהוכיח זאת בצורה הטובה ביותר הוא המיקרורפטור (Microraptor, "חוטף קטן"), שנמצא גם הוא בליאונינג, וחי שם לפני כ-120 מיליון שנה. המיקרורפטור הוא צורת ביניים מובהקת אולי עוד יותר מהארכיאופטריקס שכן היה בעל זנב, שיניים וטפרים של לטאה, ונוצות מפותחות מאוד על הזרועות ואפילו על הרגליים. לנוצות סימנים ברורים של נוצות תעופה, אך המיקרורפטור חסר את אחד המאפיינים הבולטים של עופות מעופפים – עצם חזה גדולה במיוחד, התומכת בשרירי התעופה. ללא עצם כזו, נראה שהמיקרורפטור לא היה מסוגל לנפנף בזרועותיו ולעוף ממש, אלא ככל הנראה התגורר על צמרות העצים והשתמש בזרועות אלה כדי לדאות ביניהן.

אך האם דאייה היתה השימוש הראשוני של הנוצות, ברגע שהתפתחו? כנראה שלא. למיקרורפטור היו נוצות תעופה מודרניות, אבל הנוצות של לפחות חלק מהדינוזאורים האחרים כלל לא היו אווירודינמיות – מכאן מובן שדאייה לא היתה התפקיד שלהן. שתי התיאוריות הנוספות הן המובילות כיום, וממצאים שהתפרסמו ממחוז ליאונינג מחזקים דווקא את ההסבר השלישי – נוצות שהתפתחו לצורך תצוגה. באוקטובר 2008 התפרסם ב- Nature תיאור של דינוזאור מתקופת היורה שזכה לשם אפידקסיפטריקס (Epidexipteryx), "מציג נוצה". גופו של הדינוזאור כוסה במבנים קצרים דמויי-נוצה, שאינם מסוגלים לשמש לתעופה. אך המאפיין הבולט ביותר שלו הוא ארבע נוצות זנב מאורכות, שאינן דומות לשום דבר שנמצא עד כה. מבנים דומים, הנמצאים אצל ציפורים בנות-זמננו, משמשים באופן בלעדי לתצוגה ולחיזור, ולכן ההנחה היא שזה היה תפקיד הנוצות גם אצל אפידקסיפטריקס.

במאמר שפורסם במגזין PNAS בינואר 2009 הוצג עוד דינוזאור מתקופת הקרטיקון המוקדם – מיד לאחר תור היוּרה. גופו של דינוזאור זה מכוסה במבנים דמויי-נוצות, אך במקרה זה המבנים פשוטים במיוחד: לצד סיבים דקים וקצרים שכבר נמצאו בעבר במאובנים דומים נמצאו סיבים ארוכים ועבים, אך לא מסועפים, שהיו חדשים למדע. החוקרים סבורים כי סיבים אלו עשויים לייצג את השלבים הראשונים ביותר של התפתחות הנוצות. אם זהו אכן המצב, לְמה שמשו מבנים אלו? תעופה אינה באה בחשבון, כמובן, והמבנה של הסיבים פשוט אפילו מכדי ליצור שכבת בידוד יעילה. לפיכך, התיאוריה המועדפת גם מממצא זה – אם כי רק כברירת מחדל – היא תיאוריית נוצות התצוגה.

שחזור של הדינוזאור בעל כסות הסיבים דמויי-נוצות, בֵּייפיָאוּזאור (Beipiaosaurus, "לטאה מבייפיאו" על שם העיר שנמצא לידה)

התרופודים המנוצים מראים לנו לא רק את צורות הביניים בין זוחל לעוף, אלא גם את שלבי ההתפתחות של הנוצות – ובכך הם מדגימים את אחד העקרונות הבסיסיים ביותר באבולוציה: מבנים עשויים להתפתח למטרה מסוימת, ובסופו של דבר לשמש למטרה אחרת לחלוטין. הברירה הטבעית עובדת עם מה שיש, ומסוגלת, עקב בצד אגודל, להפוך גם סיבים פשוטים שאינם מסוגלים אפילו לשמור על טמפרטורת הגוף, לנוצות התעופה של עיט זהוב.

קומיקס (xkcd) על דינוזאורים מנוצים

השמיים הם הגבול

האבולוציה של חיות מעופפות אחרות, העטלפים, הציבה בפני החוקרים בעיה קשה: מדובר בקבוצה מצליחה מאוד (כרבע ממיני היונקים הם עטלפים!) שפיתחה התמחות מיוחדת במינה – היכולת לעוף. חלק גדול מהעטלפים, אם כי לא כולם, אף פיתחו איכּון הד (eco-location): היכולת לזהות עצמים בסביבה בעזרת קליטת הד הקול החוזר מהם, בדומה לרדאר.

אך כיצד החלו העטלפים לעופף? עד לאחרונה נראו כל מאובני העטלפים שנמצאו, מלפני כ-50 מיליון שנה, כעטלפים "מושלמים": זרועות ארוכות מאוד ורגליים קצרות מאוד, כמו בעטלפים מודרניים, ועצמות חזה ובריח שהראו בברור כי גם יצורים אלו נהגו לעופף. צורות ביניים לא נמצאו כלל. דרווין בעצמו נתן את דעתו על בעיה זו וציין אותה ב"מוצא המינים" כאחד הקשיים בתיאוריה שלו. גילוי איכון ההד רק הוסיף על התעלומה: ממבנה האוזן של מאובני העטלפים נראה כי גם הם ניחנו בתכונה זו. אם כך, האם העטלפים למדו לעוף ואז פיתחו את הרדאר שלהם, או להפך?

זמן רב היו הדעות בעניין זה חלוקות: היו שסברו כי העטלפים החלו את דרכם כיונקים הרצים על פני האדמה או מטפסים על עצים, ופיתחו את איכון ההד, עם ידיים ואצבעות ארוכות, בשביל לחטוף חרקים מהאוויר. משם, הדרך לדאייה ומאוחר יותר לתעופה מלאה כבר היתה סלולה. אחרים גרסו שאיכון ההד התפתח מאוחר יותר, והסתמכו על כך שקל הרבה יותר לייצר את הצריחות הגבוהות הדרושות לשם כך תוך כדי תעופה, שכן כיווץ השרירים הדרוש לתעופה יכול לשמש גם להפקת הצלילים.

בפברואר 2008 חל שינוי בתפישות אלה. במשקעי נהר בוויומינג שבארצות הברית, מקום שכבר נמצאו בו בעבר כל מיני מאובני עטלפים, נמצא מאובן בן כ-52.5 מיליון שנה. המאובן החדש נקרא אוניקוניקטריס (Onychonycteris, "עטלף בעל טפרים"), משום שהוא נושא טפרים על כל חמש אצבעותיו בניגוד לטופר היחיד, או במקרים נדירים שני טפרים, במאובני עטלפים שהתגלו לפניו ובעטלפים בני זמננו. אוניקוניקטריס הוא צורת ביניים אמיתית – הזרועות שלו ארוכות למדי, ארוכות דיין כדי לשמש ככנפיים, ויש לו גם עצם חזה מפותחת לתמיכה בשרירי תעופה חזקים – כלומר, הוא היה עטלף מעופף. אך הזרועות שלו בכל זאת קצרות יותר ורגליו ארוכות יותר מאלו של עטלפים מודרניים, כך שגפיו נראים כשלב ביניים בין יונקים הולכי-על-ארבע ויונקים מעופפים. החוקרים סבורים שגפיו הארוכות והטפרים באצבעותיו אפשרו לאוניקוניקטריס לנוע על ענפי העצים בקלילות שעטלפים מודרניים אינם מסוגלים לה.

העתק מדויק של מאובן האוניקוניקטריס. עטלף זה, שאורכו 5.5 ס"מ, הוא העטלף הקדום ביותר המוכר כיום. הטפרים על כל אחת מאצבעותיו סייעו לו ככל הנראה לטפס ולנוע על ענפי העצים בחפשו אחר חרקים. תצלום: ארויד אזה (Aase), שירות הפארקים הלאומיים של ארה"ב

אולי הגילוי החשוב ביותר במאובן זה הוא כי מבנה האוזן שלו מראה בבירור שאין הוא ניחן באיכון הד, דבר שיכול להצביע על כך שהתעופה התפתחה בעטלפים לפני היכולת לאכּן בעזרת קול. אם כך, איך ניווטו העטלפים הראשונים בחשכה? או אולי היו דווקא פעילים ביום? ישנם כמה מיני עטלפים מודרניים שאינם ניחנים באיכון הד, אך הם בעלי עיניים גדולות המותאמות לראיית לילה. האם זה היה המצב גם אצל אוניקוניקטריס? לרוע המזל, הגולגולת היחידה של אוניקוניקטריס שנמצאה היתה מחוצה בחלקה: האוזן היתה שלמה מספיק, אך ארובות העין היו הרוסות ולא היה אפשר להסיק דבר על גודל העין. יישוב העניין הזה יצטרך לחכות, ככל הנראה, עד אשר יימצא מאובן נוסף.

אוניקוניקטריס מסמן את הדרך שעברו העטלפים מיצורים שוכני עצים ליונקים מעופפים, ורק לאחר מכן לבעלי איכון הד. אבל מאפיינים נוספים שנמצאו אצלו מראים, שוב, שמבנים המתפתחים לצורך מסוים עשויים לשנות את תפקודם במהלך האבולוציה. לאוניקוניקטריס היה קרום עור המחבר בין רגליו האחוריות לזנבו, בדומה לעטלפים מודרניים רבים. אצלם הוא משמש בדרך-כלל כמעין מלכודת לחרקים: העטלף מזהה את מקומם בעזרת איכון הד, לוכד אותם בעזרת הקרום שבין רגליו ואז תופס אותם בפיו. לאוניקוניקטריס לא היה איכון הד, כך שהקרום שימש בהכרח למטרה אחרת. ייתכן שהמטרה המקורית שלו היתה לעזור בתעופה – קרום כזה יכול להקל על עצירות או פניות במהירות גבוהה.

על המעבר של קבוצת יונקים חזרה למים בחלק הבא.