צעדים ראשונים

גידול דגים מחוץ למים גרם לשינויים ששיפרו את יכולת ההליכה שלהם – ושפך אור על המעבר האבולוציוני מהים ליבשה

נעם לויתן ויונת אשחר | גליליאו

רב סנפיר סנגלי (Polypterus senegalus) שוחה. צילום: Antoine Morin.

אם תתבקשו לדמיין דג ולמנות את התכונות שלו, ככל הנראה הליכה היא לא התכונה הראשונה (או העשירית) שתמנו. למרות זאת, אנחנו והחולייתנים האחרים החיים ביבשה חבים את קיומנו לדגים בעלי יכולת הליכה. הדגים שיכלו להלך באמצעות סנפיריהם על הקרקעית, ואולי אף עלו לזמן קצר ליבשה, היו אלו שמהם התפצלה לבסוף שושלת הדגים שהתפתחה לחולייתנים בעלי הגפיים – הטטרפודים (Tetrapods, "בעלי ארבע רגליים").

המעבר מדגים לטטרפודים החל לפני כ-385 מיליוני שנים וכלל שינויים בהתנהגות והופעת צורות ומבנים חדשים, כגון שינויים במבנה עצמות הכתפיים והופעת גפיים בעלות אצבעות. רשומות המאובנים, שכוללות צורות מעבר מהדגים הקדומים ועד הטטרפודים הקדומים, כדוגמת דג הטיקטאליק (Tiktaalik) המפורסם, יכולות לשפוך אור על התפתחות התכונות שאפשרו הליכה והובילו לטטרפודים. אך מאחר שמדובר במאובנים, המידע מתקבל בעיקר ממראה עצמות מאובנות ומהשערות לגבי חיבורי שרירים ויציבה.

דרך טובה יותר ללמוד על תכונותיהם של האבות הקדומים הדגיים שלנו ועל אופן תנועתם בים וביבשה היא אם היינו יכולים לצפות בדג חי שכזה, אך כמובן שאין זה אפשרי – הדגים האלו נכחדו לפני מאות מיליוני שנים. התחליף המוצלח ביותר לכך הוא למצוא דג בן ימינו, בעל דמיון רב ככל האפשר לאב הקדמון שממנו התפצלו שושלות הדגים הקיימות היום והטטרפודים, ולבחון את דרך תנועתו וכיצד יסתגל לתנועה ביבשה.

במאמר, שפורסם בכתב העת המדעי Nature, מתארים אמילי סטנדן (Standen) ושני עמיתיה מאוניברסיטת מקגיל במונטריאול כיצד גדילה בסביבה יבשתית השפיעה על הליכתו של דג שכזה. הדג שבחרו החוקרים הוא רב סנפיר סנגלי (Polypterus senegalus), דג מים מתוקים אפריקאי בן לשושלת קדומה במיוחד ובעל תכונות שהתקיימו גם באבות הקדומים של הטטרפודים: גוף מוארך, קשקשים גדולים וקשיחים, זוג ריאות וסנפירי חזה קרובים לגחון. בטבע, במקרה שמקווה המים שבו חי הדג מתחיל להתייבש, הרב סנפיר יוצא ליבשה וזוחל בעזרת סנפירי החזה למקווה מים חדש.

סטנדן ועמיתיה גידלו 111 דגי רב סנפיר בסביבה יבשתית, בטֶרַריום שעל קרקעיתו פוזרו חלוקי אבן. כדי למנוע מהדגים להתייבש, ולשמור אותם לחים ומרוצים, רצפת הטרריום כוסתה בשכבה דקה של כשלושה מילימטרים מים, ומערפלים שמרו על האוויר רווי בלחות. הדגים גדלו בסביבה זו במשך שמונה חודשים, כשהם נאלצו ללכת ממקום למקום, ללא כל אפשרות לשחות. בשלב זה השוו החוקרים בין יכולת ההליכה של הדגים שגדלו מחוץ למים לבין דגי רב סנפיר ששחו כל חייהם.

בהתחשב בכך שמדובר בדגים, דגי רב סנפיר הולכים לא רע בכלל. עם זאת דגים שגדלו ביבשה הלכו בצורה טובה יותר ויעילה יותר מאלה שגדלו במים. דגי היבשה מיקמו את סנפירי החזה שלהם מתחת לגופם, ולא פרושים לצדדים, ולכן החליקו פחות, יכלו לתמוך במשקל גוף רב יותר ביעילות והקטינו את חיכוך הגוף עם הקרקע. הם גם "צעדו" צעדים קצרים ומהירים יותר מאשר דגי המים. נוסף לכך, הם התפתלו פחות מדגי המים במהלך הליכתם.

רב סנפיר סנגלי בזמן הליכה. צילום: Antoine Morin.

אופן ההליכה היעיל של דגי היבשה הוא תוצאה של שינוי התנהגות בתגובה לסביבת הגידול, אך ההבדלים בדגים לא הסתכמו בכך. החוקרים השוו את מבנה העצמות של דגי היבשה ודגי המים וגילו כי הכוחות שהופעלו על העצמות בעקבות ההליכה, ששונים מהכוחות המופעלים במהלך שחיה, גרמו לשינוי במבנה העצמות בחגורת הכתפיים. עצם הבריח של הדגים התעבתה והתחזקה כך שסיפקה תמיכה טובה יותר בגוף, בעוד החיבור בין עצמות אחרות נחלש ולכן הגדיל את מידת הגמישות של תנועות הסנפיר והראש של הדגים. שינויים אלו דומים לשינויים שמוצאים במאובנים של הטטרפודים הראשונים.

השינויים שעברו דגים שהסתגלו לסביבה שונה התרחשו במהלך חייהם ולא יעברו לצאצאים שלהם. לא מדובר במוטציות בגנים שעשויות לעבור בתורשה לדור הבא, אז איך כל זה קשור לאבולוציה?

התופעה שהחוקרים הדגימו קרויה גמישות התפתחותית (developmental plasticity), או גמישות פֶנוֹטיפית. זוהי היכולת של אורגניזמים בעלי מטען גנטי (גנוטיפ) נתון להתפתח באופן שונה (להציג פנוטיפים שונים) בהתאם לתנאי סביבה שונים. במקרה של הרב סנפיר הסביבה היבשתית גרמה לתכונות המשפרות יציבה והליכה לבוא לידי ביטוי. גמישות זו פותחת פתח לשינוי אבולוציוני. ייתכן כי אם ימשיכו לגדל את הדגים ביבשה למשך מספר דורות, הברירה הטבעית תעדיף דגים שבהם התרחשו מוטציות שמקבעות את התכונות המועילות לחיים ביבשה. עד שלבסוף הגמישות הפנוטיפית תעלם, והדגים יבקעו מראש עם מבנה גוף המותאם ליבשה, ואף יפתחו תכונות מורכבות יותר מאלו שהגמישות מספקת.

הסתגלות לגבהים בבני אדם היא דוגמה לגמישות התפתחותית, שהפכה להתאמה אבולוציוניות באוכלוסיות מסוימות. בני אדם החיים באזורים נמוכים ועוברים לגובה רב עלולים ללקות במחלת גבהים בעקבות ירידה בריכוז החמצן באוויר, אלא אם הם עוברים תהליך הסתגלות הכולל שינויים בקצב הנשימה, בקצב פעימות הלב, בריכוז ההמוגלובין בדם ועוד. לעומת אנשים אלה, בני אוכלוסיות שחיות כבר אלפי שנים בגבהים לא צריכים להסתגל לאויר הדליל. הם נולדים עם תכונות שהתקבעו במהלך האבולוציה שלהם. למשל, אינדיאנים מהרי האנדים מסוגלים לשאת יותר חמצן בתאי הדם שלהם ולטיבטים יש כלי דם מורחבים המאפשרים זרימה של יותר דם וכך העברה של יותר חמצן.

רב סנפיר סנגלי הולך. צילום: Antoine Morin, courtesy of Emily Standen.

בדומה לכך, תוצאות המחקר על דגי רב סנפיר מראות כי ייתכן שלגמישות התפתחותית היה חלק במעבר מהים ליבשה. ייתכן כי אבות הטטרפודים הקדומים נאלצו לעלות לאדמה או לחיות במים רדודים והצליחו לעשות זאת בזכות הגמישות המקודדת בגנים שלהם. עם הזמן הופיעו מוטציות שהקטינו את הגמישות והתאימו אותם יותר ויותר ליבשה, עד שלבסוף סנפירים התפתחו לגפיים והטטרפודים כבר לא היו כמו דג מחוץ למים, שצריך ללמוד כל פעם מחדש כיצד להיות חיה יבשתית.

למידע נוסף

המאמר המקורי [PDF]:

ניל שובין. הדג שבּתוֹכֵנוּ. תרגום: עדי מרקוזה-הס. ספרי עליית הגג, ידיעות אחרונות, 2010.

סרטון קצר על המחקר, מערוץ היוטיוב של Nature:

המאמר המקורי התפרסם באתר של גליליאו ויופיע גם בגיליון אוקטובר 2014 של המגזין