أسرار تطور الأسنان من الأسماك إلى الإنسان

أصل الأسنان في الحيوانات: دراسة جديدة تكشف الحقائق

ربما نشأ الجزء الداخلي الحساس من أسنان الإنسان في مكان لا يبدو محتملاً على الإطلاق: الأنسجة الحسية في الأسماك التي كانت تسبح في محيطات الأرض منذ 465 مليون سنة.

في حين أن أسناننا مغطاة بالمينا الصلبة، فإن العاج الطبقة الداخلية للأسنان المسؤولة عن نقل المعلومات الحسية إلى الأعصاب هي التي تتفاعل مع ضغط العضة القاسية أو الألم أو التغيرات مثل البرودة الشديدة أو الحلاوة.

عند محاولة تحديد أصل الأسنان، كان أحد الاحتمالات العديدة التي نظر فيها الباحثون على مر السنين هو أن الأسنان ربما تطورت من نتوءات على الهياكل الخارجية المدرعة للأسماك القديمة. لكن الغرض الحقيقي من هذه الهياكل، التي تسمى بالعنيّات، لم يكن واضحاً.

أما الآن، فقد أسفرت دراسة جديدة واستطلاع ثلاثي الأبعاد للحفريات عن أدلة على أن النتوءات الخارجية كانت تحتوي على العاج، والتي من المحتمل أنها ساعدت الأسماك على الإحساس بمحيطها. وقد نشر العلماء هذه النتائج يوم الأربعاء في مجلة نيتشر.

وقالت الدكتورة يارا هريدي، الباحثة في مرحلة ما بعد الدكتوراه في قسم علم الأحياء والتشريح في جامعة شيكاغو، في رسالة بالبريد الإلكتروني: "ربما كانت الأسماك المغطاة بهذه الأنسجة الحساسة، ربما عندما تصطدم بشيء ما يمكنها أن تستشعر ذلك الضغط، أو ربما يمكنها أن تستشعر عندما يصبح الماء باردًا جدًا وتحتاج إلى السباحة في مكان آخر".

كما اكتشف الفريق خلال تحليله أوجه التشابه بين الأسنان الحسية والسمات التي تسمى الحسيات، والتي توجد كأعضاء حسية في أصداف الحيوانات الحديثة مثل سرطان البحر والروبيان، ويمكن العثور عليها في اللافقاريات المتحجرة من المفصليات. وقالت هاريدي إن تطور الأوديودودات السنية في الأسماك، وهي من الفقاريات، والحسية في المفصليات، وهي من اللافقاريات، هو مثال رئيسي على التقارب التطوري عندما تتطور سمات مماثلة بشكل مستقل في مجموعات حيوانية مختلفة.

وقالت هاريدي: "هذه الأسماك عديمة الفك ومفصليات الأرجل (المفصليات البحرية المنقرضة) لها سلف مشترك بعيد للغاية من المحتمل أنه لم يكن لديها أجزاء صلبة على الإطلاق". وأضافت: "نحن نعلم أن الفقاريات والمفصليات طورت أجزاء صلبة بشكل مستقل، ومن المدهش أنها طورت آليات حسية متشابهة مدمجة في هيكلها العظمي الصلب بشكل مستقل."

وفي حين احتفظت المفصليات بحواسها، يبدو أن المفصليات هي السلائف المباشرة للأسنان في الحيوانات.

وبينما قارن الباحثون بين الحسية والأسنان، توصلوا أيضًا إلى نتيجة أخرى: كان أحد الأنواع، الذي كان يعتبر في السابق من الأسماك القديمة، هو في الواقع من المفصليات.

الهدف من الدراسة: كشف لغز الفقاريات القديمة

كان هدف هاريدي الأصلي هو حل لغز أقدم حيوان فقاري موجود في السجل الأحفوري. وقد تواصلت مع المتاحف في جميع أنحاء البلاد وسألت عما إذا كان بإمكانها استطلاع أي عينات أحفورية لديهم من العصر الكمبري، أي منذ 540 مليون سنة إلى 485 مليون سنة مضت.

بعد ذلك، استقرت في مختبر أرغون الوطني، حيث استخدمت مصدر الفوتون المتقدم لالتقاط صور مقطعية حاسوبية عالية الدقة أو التصوير المقطعي المحوسب.

قالت هاريدي: "لقد كانت ليلة في مسرع الجسيمات؛ كان ذلك ممتعًا".

{{MEDIA}}

اكتشافات جديدة: مقارنة الحفريات القديمة

للوهلة الأولى، بدت حفرية لمخلوق يُدعى أناتوليبيس (Anatolepis) وكأنها سمكة فقارية وبالفعل، بحث سابق من عام 1996 كان قد حددها على أنها سمكة فقارية. لاحظت هاريدي وزملاؤها وجود سلسلة من المسام المملوءة بمادة يبدو أنها عاجية.

قالت هاريدي: "كنا نصافح بعضنا البعض قائلين: يا إلهي، لقد فعلناها أخيرًا". "كان يمكن أن يكون هذا أول تركيب شبيه بالأسنان في أنسجة الفقاريات من العصر الكمبري. لذا، كنا متحمسين للغاية عندما رأينا العلامات الدالة على ما يشبه العاج."

وللتأكد من اكتشافهم، قارن الفريق عمليات الاستطلاع الضوئي مع تلك الخاصة بالحفريات القديمة الأخرى، بالإضافة إلى سرطان البحر الحديث والقواقع والخنافس وأسماك القرش وأسماك البرنقيل وحتى سمك السلور المصاصة المصغر الذي ربته هاريدي بنفسها.

أظهرت هذه المقارنات أن أناتوليبيس تشبه إلى حد كبير حفريات المفصليات، بما في ذلك واحدة من متحف ميلووكي العام. وما كان يعتقد الفريق أنه أنابيب مبطنة بعاج الأسنان كانت في الواقع أكثر شبهاً بالحساسية.

لكنهم وجدوا بالفعل أسنانًا تحتوي على أسنان في أسماك قديمة مثل Eriptychius و Astraspis أثناء عمليات الاستطلاع.

وقد نشأ الالتباس حول الطبيعة الحقيقية لسمكة أناتوليبيس من الطبيعة المجزأة للحفريات. وقالت هاريدي إن القطع الأكثر اكتمالاً يبلغ حجمها حوالي 3 ملليمترات (0.1 بوصة) فقط، وهو ما أثبت أنه يمثل تحديًا للبحث المقارن الذي يعتمد على التصوير الخارجي.

{{MEDIA}}

تحليل النتائج: ماذا تعني الاكتشافات الجديدة؟

لكن عمليات الاستطلاع الجديدة التي أجرتها مكّنت من إلقاء نظرة ثلاثية الأبعاد على الحفريات، وكشفت عن تشريحها الداخلي.

قالت هاريدي: "يُظهر لنا هذا أن 'الأسنان' يمكن أن تكون حسية أيضاً حتى عندما لا تكون في الفم". "لذا، هناك دروع حساسة في هذه الأسماك. وهناك دروع حساسة في هذه المفصليات. وهذا يفسر الخلط مع هذه الحيوانات الكمبريّة المبكرة. اعتقد الناس أن هذه هي أقدم الفقاريات، لكنها في الواقع كانت من المفصليات."

قال الدكتور ريتشارد ديردن، وهو زميل أبحاث ما بعد الدكتوراه في مركز التنوع البيولوجي الطبيعي في ليدن بهولندا، إن التصوير الحديث المتطور المستخدم في الدراسة يحسم الجدل حول أناتوليبيس. لم يشارك ديردن في البحث الجديد.

قال ديردن في رسالة بالبريد الإلكتروني: "(مؤلفو الدراسة) يستخدمون أحدث أساليب التصوير الحديثة لمحاولة تسوية هذا السؤال، ويجمعون مجموعة رائعة من البيانات المقارنة لإثبات أن أناتوليبيس ليست بالفعل من الفقاريات."

درع ضد العناصر: كيف ساعدت الهياكل في البقاء

تعايشت الأسماك المصفحة عديمة الفك مثل أستراسبيس وإريبتشيوس والمفصليات القديمة مثل أناتوليبيس في البحار الضحلة الموحلة في العصر الأوردوفيشي، الذي حدث بين 485.4 مليون و 443.8 مليون سنة مضت.

وكان من بين الحيوانات الأخرى المعاصرة لهذه الحيوانات رأسيات الأرجل الكبيرة مثل الحبار العملاق، بالإضافة إلى العقارب البحرية الضخمة. وقد ساعدت بعض السمات مثل الأودونتودات والحساسيات الأسماك والمفصليات على تمييز المفترسات عن الفرائس.

{{MEDIA}}

"عندما تفكر في حيوان بدائي كهذا، يسبح وهو يرتدي درعاً من الدروع التي يحتاجها لاستشعار العالم. لقد كانت هذه بيئة مفترسة شديدة جدًا، وكانت القدرة على استشعار خصائص الماء من حولها أمرًا مهمًا للغاية"، كما قال كبير مؤلفي الدراسة الدكتور نيل شوبين، أستاذ الخدمة المتميزة في علم الأحياء والتشريح العضوي في جامعة شيكاغو في بيان له. "لذا، نرى هنا أن اللافقاريات ذات الدروع مثل سرطانات حدوة الحصان تحتاج إلى استشعار العالم أيضًا، ويصادف أنها توصلت إلى نفس الحل."

الأسماك الحديثة: كيف تطورت الأسنان عبر الزمن

وقالت هاريدي إن العديد من الأسماك الحديثة لديها قرون سنية، في حين أن أسماك القرش والزلاجات وبعض أسماك السلور مغطاة بأسنان صغيرة تسمى الأسنان، والتي تجعل جلدها يشبه ورق الصنفرة.

قامت هاريدي بدراسة أنسجة أسماك السلور التي قامت بتربيتها وأدركت أن أسنانها متصلة بالأعصاب بنفس الطريقة التي تتصل بها الأسنان في الحيوانات. وقالت إنه عند المقارنة بين الأسنان والعقد السنية والحواس، كانت جميعها متشابهة بشكل لا يصدق.

"نعتقد أن أقدم الفقاريات، هذه الأسماك الكبيرة المدرعة، كان لها هياكل متشابهة للغاية، على الأقل من الناحية الشكلية. إنها تبدو متشابهة في المفصليات القديمة والحديثة، لأنها جميعًا تصنع هذه الطبقة المعدنية التي تغطي أنسجتها الرخوة وتساعدها على الإحساس بالبيئة." كما قالت.

الجينات والأسنان: الرابط بين الأنواع المختلفة

من المحتمل أن الجينات اللازمة لتكوين الأسنان السنية أنتجت أيضًا أسنانًا حسية في الحيوانات بما في ذلك البشر في وقت لاحق، وفقًا لمؤلفي الدراسة.

وأشار مؤلفو الدراسة إلى أن النتائج تدعم فكرة أن الهياكل الحسية ظهرت أولاً على الهياكل الخارجية، والتي وفرت بعد ذلك المعلومات الوراثية التي يمكن استخدامها بعد ذلك لتكوين الأسنان عندما أصبحت جزءًا ضروريًا من الحياة.

وقالت هاريدي: "بمرور الوقت، طورت الأسماك الفكين، وأصبح من المفيد وجود هياكل مدببة حول الفم وداخله". "شيئًا فشيئًا أصبح لدى بعض الأسماك ذات الفكين عنق سنية مدببة على حافة الفم، ثم في النهاية أصبح بعضها في الفم مباشرةً ثم فقدت في جميع أنحاء الجسم. يتم توضيح العلاقة بين العنق السنية والأسنان باستمرار من خلال الحفريات الجديدة وعلم الوراثة الحديث."

{{MEDIA}}

تحدي الفرضيات: كيف تغيرت المفاهيم حول الأنسجة الصلبة

وقالت الدكتورة لورين سالان، الأستاذة المساعدة ورئيسة وحدة التطور الكبير في معهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا في اليابان، إن البحث الجديد يحسن الجدول الزمني لأول ظهور للأنسجة الصلبة والأسلاف الأوائل للأسماك ذات الفكين، وذلك بإزالة أناتوليبيس من شجرة حياة الأسماك. وقالت سالان، التي لم تشارك في الدراسة الجديدة، إنها تثير أيضًا فرضية جديدة مثيرة للاهتمام مفادها أن السلائف الشبيهة بالأسنان تطورت للكشف عن الفرائس أو الأصدقاء أو الحيوانات المفترسة في الماء.

وقالت سالان: "هذا تحدٍ حقيقي للافتراضات التي تبدو واضحة بأن الأنسجة الصلبة مثل العاج والهياكل مثل القشور والأسنان تطورت (في المقام الأول) للحماية على الجسم أو للتغذية في الحلق". "بدلاً من ذلك، ربما تم "تكييفها" لهذه الاستخدامات، مثلما تطورت الأطراف قبل استخدامها للمشي على الأرض. كما أنه من المثير للاهتمام أيضًا أن نرى درجة التقارب بين المفصليات المدرعة المبكرة والأسماك، ويثير تساؤلات حول مدى التداخل البيئي الذي حدث بين هاتين المجموعتين."

ترغب هاريدي في مواصلة البحث عن الحفريات التي يمكن أن تقودنا إلى أقدم الفقاريات، حيث يتوقع الباحثون وجود فقاريات أقدم من الأستراسبيس والإريبتشيوس. وعلى الرغم من أنهم لم يكتشفوا ذلك من خلال هذا البحث، إلا أنهم توصلوا إلى نتائج جديرة بالاهتمام، كما قال شوبين في رسالة بالبريد الإلكتروني.

قال شوبين: "لقد شعرنا بخيبة أمل لأن (أناتوليبيس) لم تكن من الفقاريات، لكننا اندهشنا بالأفكار الجديدة التي ظهرت". "وقد أخذنا ذلك في اتجاه جديد تمامًا. هذا هو العلم."