جانوران مهره‌دار — علوم تیزهوشان نهم (استعداد درخشان)

جانوران مهره‌دار (علوم تیزهوشان نهم)

جانوران دو گروه بزرگ دارند: بی‌مهرگان و مهره‌داران. بیش از نود درصد گونه‌های جانوری شناخته‌شده بی‌مهره‌اند؛ تنها ده‌ها هزار گونه مهره‌دار شناسایی شده، در حالی که شمار بی‌مهرگان نام‌گذاری‌شده به میلیون‌ها می‌رسد و هنوز گونه‌های ناشناختهٔ بسیاری باقی است. با این حال مهره‌داران از نظر ساختار بدن پیشرفته‌تر به نظر می‌رسند.

ویژگی‌های مهره‌داران

مهم‌ترین ویژگی آن‌ها ستون مهره و نخاع است. اسکلت درونی کاملاً رشدیافته، مغز و دستگاه عصبی پیشرفته و پوست محافظ هم دارند. معمولاً جثه‌ای بزرگ‌تر از بی‌مهرگان دارند و ساختار بدنشان حرکت سریع در مقیاس بزرگ را ممکن می‌کند؛ پرواز یک پرنده با پرواز حشره قابل مقایسه نیست. دستگاه عصبی پیشرفته هم واکنش‌های سریع و دقیق به محرک‌ها را ممکن کرده است.

پیشرفتگی به اندازه نیست: مرغ مگس‌خوار زنبوری، کوچک‌ترین پرندهٔ جهان، فقط حدود دو گرم وزن دارد و بسیار تند بال می‌زند؛ اسکوئید غول‌آسا، از بزرگ‌ترین بی‌مهرگان، چند متر طول و چشم‌هایی به بزرگی یک بشقاب دارد که در تاریکی اعماق می‌بیند. مرغ مگس‌خوار مهره‌دار، خونگرم و دارای قلب چهارحفره‌ای است و اسکوئید نرم‌تنی است که اسکلت درونی استخوانی ندارد. اما هر دو با محیط خود سازگارند و اسکوئید هم مغز و چشم پیچیده‌ای دارد.

این مقایسه نشان می‌دهد رده‌بندی کامل نیست و با شواهد تازه تغییر می‌کند؛ اندازه و ظاهر تنها معیار نیستند و ساختار، ژن‌ها و تاریخچهٔ تکاملی هم مهم‌اند.

رکوردهای عمر: پژوهشگران با سن‌یابی کربن پرتوزا در عدسی چشم کوسهٔ گرینلند دریافتند این کوسه‌ها چند سده عمر می‌کنند؛ چون فقط حدود یک سانتی‌متر در سال رشد می‌کنند، رسیدن به طول پنج متر صدها سال طول می‌کشد. نهنگ سرکمانی هم بیش از دو سده عمر می‌کند. کوسهٔ گرینلند بسیار کند و کوسهٔ سفید بزرگ بسیار سریع شنا می‌کند، اما سرعت و سن معیار رده‌بندی نیستند؛ رده‌بندی به شباهت‌های ساختاری و ژنتیکی و توانایی آمیزش وابسته است.

طنابداران و نوتوکورد

در رده‌بندی، شاخهٔ طنابداران به دو زیرشاخه تقسیم می‌شود: طنابداران بی‌مهره که تنوع کمی دارند ولی شباهت زیادی به مهره‌داران دارند، و مهره‌داران.

نوتوکورد لوله‌ای دراز و انعطاف‌پذیر میان لولهٔ گوارش و طناب عصبی است که در دوران جنینی همهٔ طنابداران دیده می‌شود. در برخی طنابداران تا پایان عمر به‌عنوان اسکلت محوری باقی می‌ماند، اما در بیشتر مهره‌داران اسکلتی مفصل‌دار جای آن را می‌گیرد. در انسان، دیسک‌های میان مهره‌ها بقایای نوتوکوردند.

سه ویژگی دیگر طنابداران دست‌کم در دوران جنینی:

1. طناب عصبی پشتی و توخالی که به مغز و نخاع تبدیل می‌شود؛
2. شکاف‌های حلقی که در ماهی‌ها به شکاف‌های آبششی و در انسان به بخش‌هایی از گوش و شیپور استاش تبدیل شده‌اند؛
3. دم ماهیچه‌ای پشت مخرج که در انسان تحلیل رفته و استخوان دنبالچه از آن باقی مانده است.

هاگ‌فیش جانوری مارماهی‌شکل است که مهره‌دار شمرده می‌شود، اما ستون مهره و آرواره ندارد؛ تنها اسکلتش جمجمه‌ای غضروفی است و نوتوکوردش تا بزرگسالی می‌ماند. برخی دانشمندان بر پایهٔ DNA آن را به بی‌مهرگان نزدیک‌تر می‌دانند.

ظاهر یا DNA؟ هر دو مهم‌اند، اما امروز DNA وزن بیشتری دارد. ویژگی‌های ظاهری ممکن است در جانداران نامرتبط به دلیل سازگاری مشابه پدید آیند (مانند بال خفاش و پرنده)، در حالی که DNA خویشاوندی را دقیق‌تر نشان می‌دهد. ساختارهایی مانند نوتوکورد و ستون مهره هم آسان‌تر دیده می‌شوند و پایهٔ تاریخی رده‌بندی‌اند؛ بهترین روش، ترکیب هر دو است.

همهٔ مهره‌داران تولیدمثل جنسی دارند، اما در بی‌مهرگان تولیدمثل غیرجنسی هم دیده می‌شود (مانند جوانه زدن هیدر). تولیدمثل جنسی با تقسیم کاستمان (میوز) تنوع ژنتیکی بیشتری پدید می‌آورد که به سازگاری با محیط متغیر کمک می‌کند. آمیزش دو گونهٔ متفاوت فرزندی نازا مانند قاطر پدید می‌آورد.

ماهی‌ها

نظریه‌های گوناگونی دربارهٔ آغاز حیات هست و هیچ‌کدام قطعی نیست، اما بسیاری از آن‌ها پیدایش ساده‌ترین شکل‌های حیات را در آب محتمل‌تر می‌دانند. قدیمی‌ترین سنگواره‌های جانداران تک‌یاخته‌ای حدود ۳٫۵ میلیارد سال عمر دارند. در میان مهره‌داران، ماهی‌ها قدیمی‌ترین رده‌اند:

لامپری ابتدایی‌ترین مهره‌دار است و بیشتر گونه‌هایش انگل‌اند و با دهان گرد خود به پهلوی ماهی‌ها می‌چسبند. اگر لامپری، کوسه و کپور را مقایسه کنیم، کوسه و کپور به هم نزدیک‌ترند، چون هر دو آرواره دارند؛ صفت آرواره از جنس اسکلت مهم‌تر است. در رده‌بندی ماهی‌ها، داشتن آرواره مهم‌ترین تقسیم است، سپس جنس اسکلت و سرپوش آبششی؛ شکل باله‌ها و بدن برای تشخیص تیره و گونه به کار می‌رود و رنگ اهمیت کمی دارد.

غضروف و استخوان: غضروف بیشتر از رشته‌های پروتئینی مانند کلاژن ساخته شده و نرم، انعطاف‌پذیر و سبک است. استخوان افزون بر پروتئین، نمک‌های کلسیم و فسفات دارد، سخت‌تر و محکم‌تر است و مغز استخوانش یاخته‌های خونی می‌سازد. به نظر می‌رسد تغییر شیوهٔ تغذیه و شکار در مهره‌داران با معدنی شدن اسکلت همراه بوده است.

ماهی‌های استخوانی کیسهٔ شنا دارند که با تبادل گاز با خون، شناوری را تنظیم می‌کند. داروین گمان می‌کرد شش از کیسهٔ شنا پدید آمده است، اما امروز می‌دانیم بسیاری از ماهی‌های استخوانی شش هم دارند و از آن برای تنفس کمکی استفاده می‌کنند. این نمونه یادآوری می‌کند که بسیاری از فرضیه‌های تکاملی فقط فرضیه‌اند و کشف یک سنگواره ممکن است آن‌ها را رد کند؛ داوری قطعی به دلیل محکم نیاز دارد.

ماهی چهاردست‌وپا: تیکتالیک

تتراپود یعنی چهارپا. سنگوارهٔ معروفی در قطب شمال کانادا کشف شده که به ماهی‌ای با باله‌های گوشتی به نام تیکتالیک تعلق دارد و حدود ۳۷۵ میلیون سال عمر دارد. باله‌های آن ساختاری شبیه اندام‌های حرکتی دارند و کشف آن، این نظریه را تقویت کرد که خشکی‌زیان از ماهی‌ها پدید آمده‌اند و دوزیستان از آن‌ها شکل گرفتند. یعنی حیات حدود سه میلیارد سال ساده و آبزی بود تا جانوران چهارپا پدید آمدند.

دوزیستان و دگردیسی

دوزیستان سه گروه‌اند: سمندرها که دم دارند، قورباغه‌ها که دم ندارند و گروهی بی‌دست‌وپا. تخم آن‌ها پوسته ندارد و در خشکی خشک می‌شود، پس باید در آب تخم‌ریزی کنند و دوران نوزادی را در آب بگذرانند.

نوزاد قورباغه دم، آبشش و خط جانبی دارد، بی‌دست‌وپاست و گیاه‌خوار است. در طی دگردیسی پاها می‌رویند، شش‌ها کار می‌کنند، آبشش و خط جانبی از بین می‌رود، دم تحلیل می‌رود و دستگاه گوارش با گوشت‌خواری سازگار می‌شود. قورباغهٔ بالغ با شش و پوست تنفس می‌کند.

کتاب دگردیسی قورباغه را هم از نوع کامل می‌شمارد، چون نوزاد شباهت کمی به بالغ دارد. «کرم ابریشم» در واقع لارو یک پروانه است که پس از گذراندن دوران پیله، پروانه می‌شود. همهٔ مراحل زندگی یک جاندار به یک گونه و یک نام علمی تعلق دارند؛ رده‌بندی بر پایهٔ ویژگی‌های بالغ و ژن‌هاست، اما نوع دگردیسی خود صفتی مهم برای رده‌بندی است.

خزندگان: فاتحان خشکی

لاک‌پشت‌ها، تمساح‌ها، مارها و مارمولک‌ها خزنده‌اند. خزندگان چهارپا هستند یا مانند مارها اندام‌هایشان را در طول زمان از دست داده‌اند. مهم‌ترین گام آن‌ها تخم‌گذاری در خشکی بود: پوستهٔ سخت یا چرمی تخم از جنین محافظت می‌کند و جنین از ذخایر آن تغذیه می‌کند. درون تخم سفیده (آب و پروتئین)، زرده (غذا)، آمنیون (پرده‌ای پر از مایع که جنین را دربرمی‌گیرد)، پرده‌ای برای تبادل گاز و کیسه‌ای برای ذخیرهٔ مواد دفعی وجود دارد. نوزاد خزنده شبیه بالغ اما کوچک‌تر است.

پولک‌های خزندگان از پروتئینی به نام کراتین ساخته شده‌اند؛ از بدن محافظت می‌کنند و از هدر رفتن آب جلوگیری می‌کنند. لاک‌پشت لاکی استخوانی متصل به اسکلت دارد. شکل و رنگ پوشش از معیارهای رده‌بندی خزندگان است. شباهت پولک خزندگان با فلس ماهی، فلس بال پروانه، پولک پای پرندگان و پولک مورچه‌خوار پولک‌دار حاصل همگرایی است: کارکرد مشابه ساختار مشابه پدید آورده، اما جنس و سازوکار ساخت آن‌ها متفاوت است و نشانهٔ خویشاوندی نزدیک نیست.

خزندگان خونسردند؛ دمای بدنشان از محیط پیروی می‌کند. پرندگان و پستانداران خونگرم‌اند و دمای بدنشان (مثلاً ۳۷ درجه در انسان) ثابت است. پستاندار برای حفظ این دما انرژی و غذای زیادی مصرف می‌کند، در حالی که خزنده با غذای کم سر می‌کند (مار ممکن است هفته‌ها غذا نخورد) اما در سرما کند و بی‌حرکت می‌شود.

برخی دانشمندان خزندگان و پرندگان را در یک گروه می‌گذارند، چون هر دو تخم پوسته‌دار با آمنیون دارند، پرندگان روی پاهایشان پولک دارند، اسکلت و ژن‌هایشان شبیه است و پرندگان از تبار دایناسورها دانسته می‌شوند.

تنفس: همهٔ جانداران برای تنفس یاخته‌ای و سوزاندن غذا اکسیژن مصرف می‌کنند. دستگاه تنفس خزندگان پیشرفته‌تر از دوزیستان و ساده‌تر از پرندگان و پستانداران است. در مارمولک حرکت دنده‌ها و اندام‌ها به ورود و خروج هوا کمک می‌کند و در تمساح پرده‌ای شبیه دیافراگم نقش دارد. از نگاه فیزیک و شیمی: وقتی قفسهٔ سینه بزرگ می‌شود، حجم ریه زیاد و فشار درون آن کم می‌شود و فشار هوای بیرون، هوا را به درون می‌راند؛ کشسانی ریه در بازدم آن را جمع می‌کند؛ لایهٔ نازک آب درون حبابک‌ها کشش سطحی دارد و ماده‌ای کاهش‌دهندهٔ کشش سطحی آن‌ها را باز نگه می‌دارد؛ و اکسیژن در جایی که فشارش بیشتر است (ریه) در خون حل می‌شود و در بافت‌ها که فشارش کمتر است آزاد می‌شود.

پرندگان

پرواز انرژی بسیار زیادی می‌خواهد و بدن پرندگان برای آن سازگار شده است:

استخوان‌های اندام جلویی کبوتر، خفاش، دلفین، انسان، اسب و لاک‌پشت الگوی یکسانی دارند (بازو، ساعد، مچ، کف دست و انگشتان)؛ این اندام‌ها همتا هستند، یعنی ریشهٔ مشترک و کارکرد متفاوت دارند. خفاش پستانداری است که بالش غشایی پوستی میان انگشتان بلند است. همهٔ پرندگان پرواز نمی‌کنند؛ شترمرغ می‌دود و پنگوئن شنا می‌کند. پنگوئن پرنده است، چون پر، منقار بی‌دندان، تخم آهکی، خونگرمی، کیسه‌های هوایی و DNA پرندگان را دارد و باله‌اش همان بال تغییریافته است.

مهاجرت: هر سال میلیاردها پرنده مهاجرت می‌کنند و بخش بزرگی از گونه‌های پرندگان ایران مهاجرند. پرندگان مهاجر معمولاً دسته‌جمعی و با الگوی ویژه پرواز می‌کنند؛ غازهای وحشی به شکل V پرواز می‌کنند تا هر پرنده از جریان هوای بالاروندهٔ پرندهٔ جلویی استفاده کند و انرژی کمتری مصرف شود. به نظر می‌رسد پرندگان میدان مغناطیسی زمین را حس می‌کنند و مانند قطب‌نمایی زیستی از آن بهره می‌برند. افزون بر تغییر فصل، خشکسالی، یخبندان و کمبود غذا هم دلیل مهاجرت‌اند. چلچلهٔ دریایی قطبی هر سال ده‌ها هزار کیلومتر میان دو قطب جابه‌جا می‌شود. ماهی آزاد برای تخم‌ریزی به رودخانهٔ زادگاهش برمی‌گردد، نهنگ‌ها برای غذا به آب‌های سرد و برای زایمان به آب‌های گرم می‌روند و گورخرها و آهوهای آفریقا به دنبال باران و علف کوچ می‌کنند. تغییر طول روز و دما به ساعت زیستی جانور خبر می‌دهد که زمان کوچ رسیده است.

پستانداران

انسان پستاندار است. پستانداران از اعماق اقیانوس تا بیابان‌ها و جنگل‌های بارانی یافت می‌شوند. تمام یا بخشی از بدنشان دست‌کم در دوره‌ای از زندگی با مو پوشیده است که به شکل خز، سبیل حسی، خار دفاعی یا حتی شاخ دیده می‌شود. مو عایق گرماست، پوست را محافظت می‌کند، به استتار کمک می‌کند و در سبیل‌ها اندام حسی است.

ویژگی‌های اصلی پستانداران: غدد شیری، مو، خونگرمی، قلب چهارحفره‌ای، دیافراگم، مغز بزرگ و دندان‌های گوناگون. شیر ترکیبی کامل و تقریباً بی‌جایگزین برای نوزاد است و افزون بر مواد غذایی، موادی دارد که در روزهای نخست ایمنی نوزاد را تأمین می‌کنند. پستانداران از موش تا فیل و نهنگ آبی، بزرگ‌ترین جانور زنده، اندازه‌های بسیار متفاوتی دارند.

پلاتیپوس و اکیدنا با وجود تخم‌گذاری پستاندارند، چون شیر می‌دهند، مو دارند، خونگرم‌اند و ویژگی‌های دیگر پستانداران را دارند؛ پولک ندارند و خزنده نیستند. مجموعهٔ چند ویژگی مهم از یک ویژگی (تخم‌گذاری) مهم‌تر است و نیازی به تغییر رده‌بندی نیست.

مغز پستانداران نسبت به مهره‌داران هم‌اندازه بزرگ‌تر است. آن‌ها مدتی از فرزندانشان مراقبت می‌کنند و فرزندان با مشاهده و یادگیری مهارت‌های زنده ماندن را می‌آموزند. حجم مغز انسان حدود ۱۳۵۰ و شامپانزه حدود ۴۰۰ سانتی‌متر مکعب است، یعنی بیش از سه برابر؛ اما چین‌خوردگی و ساختار مغز هم به اندازهٔ حجم اهمیت دارد.

دندان‌ها و رژیم غذایی: دندان‌های پیشین برای بریدن (در جوندگان بزرگ و همیشه در حال رشد)، نیش برای پاره کردن (برجسته در گوشت‌خواران) و آسیا برای خرد کردن (پهن و تخت در گیاه‌خواران) است. ساختار دندان از معیارهای رده‌بندی پستانداران است و بسیاری از سنگواره‌ها با دندان شناسایی می‌شوند.

نخستی‌ها و انسان

نخستی‌ها پیشرفته‌ترین گروه پستانداران‌اند و انسان یکی از آن‌هاست. رفتار اجتماعی پیچیده، ناخن به‌جای چنگال، چشم‌های رو به جلو، مراقبت طولانی از فرزند، خطوط پوستی مانند اثر انگشت و مغز پیشرفته از ویژگی‌های آن‌هاست. شست مقابل، یعنی قرار گرفتن شست روبه‌روی چهار انگشت دیگر، امکان گرفتن دقیق اشیا را فراهم کرد؛ این توانایی همراه با مغز بزرگ، ساختن ابزار، شکار، کشاورزی، نوشتن و سرانجام تمدن را ممکن ساخت. در انسان شست پا این ویژگی را ندارد.

Homo sapiens تنها گونهٔ انسانی زندهٔ امروز است. گونه‌های دیگری از انسان‌تباران مانند نئاندرتال‌ها در اروپا و آسیای غربی می‌زیستند و ده‌ها هزار سال پیش از میان رفتند. بر پایهٔ شواهد باستان‌شناسی، انسان امروزی چند صد هزار سال پیش در آفریقا پدید آمد و بعدها به قاره‌های دیگر مهاجرت کرد و مدتی طولانی با نئاندرتال‌ها هم‌زمان بود. این‌ها فرضیه‌هایی‌اند که با یافته‌های تازه ممکن است تغییر کنند. انسان و شامپانزه نیای مشترک دارند؛ انسان از شامپانزه پدید نیامده است.

مقایسهٔ رده‌های مهره‌داران

پرسش‌های تمرینی با پاسخ کوتاه

• چرا خزندگان می‌توانند در خشکی تخم بگذارند و دوزیستان نه؟ تخم خزندگان پوسته و پردهٔ آمنیون دارد که آب و غذای جنین را نگه می‌دارد؛ تخم دوزیستان بی‌پوسته است و خشک می‌شود.
• چرا خفاش پستاندار است؟ مو، غدد شیری، زایمان و قلب چهارحفره‌ای دارد و بالش غشای پوستی روی انگشتان بلند است.
• نهنگ و دلفین ماهی‌اند؟ خیر، پستاندارند؛ شش دارند، خونگرم‌اند و به نوزادشان شیر می‌دهند.
• خونگرمی چه هزینه‌ای دارد؟ مصرف انرژی و غذای بسیار بیشتر برای ثابت نگه داشتن دمای بدن.

اشتباه‌های رایج

• بیشتر گونه‌های جانوری بی‌مهره‌اند، نه مهره‌دار.
• همهٔ ماهی‌ها استخوانی نیستند.
• دگردیسی فقط در دوزیستان نیست؛ حشرات هم دارند.
• پنگوئن پرنده و خفاش و پلاتیپوس پستاندارند.
• مغز بزرگ‌تر به‌تنهایی نشانهٔ هوش بیشتر نیست.