علم الحفريات الفقارية - من الأسماك البدائية إلى عصر الديناصورات والتقارب التكيفي

يعد علم الحفريات الفقارية مفتاحا لفهم تطور الحياة المعقدة على الأرض. يستعرض هذا البحث التحولات التطورية من الأسماك البدائية إلى هيمنة الديناصورات، مبرزا آليات التقارب التكيفي في بناء التنوع البيولوجي.

المقدمة

1. تمهيد عام

يُعد علم الحفريات الفقارية من أهم فروع علوم الأرض والأحياء القديمة، إذ يدرس بقايا الكائنات الفقارية المتحجرة ليعيد رسم صورة الحياة على كوكب الأرض عبر مئات ملايين السنين. وقد بدأت قصة الفقاريات في السجل الحفري بأسماك بدائية عديمة الفكوك سبحت في بحار العصر الكمبري، ثم توالى ظهور الأسماك الفكية والأسماك ذات الزعانف الفصية، فالبرمائيات والزواحف، وصولا إلى الديناصورات التي سادت اليابسة نحو 165 مليون سنة.

وفي هذا السياق، تكشف هذه الرحلة الطويلة عن ظاهرة لافتة تعرف بالتقارب التكيفي (Convergent Adaptation)، حيث تظهر أشكال متماثلة في كائنات متباعدة النسب لأنها واجهت متطلبات بيئية متشابهة. ومما يزيد الموضوع إثارة أن ما بين أيدينا من حفريات لا يمثل إلا جزءا يسيرا من الحياة القديمة، ما يجعل كل اكتشاف جديد صفحة إضافية في كتاب مفتوح لم يُقرأ كله بعد.

2. إشكالية المقال

كيف أسهمت دراسة الحفريات الفقارية في تفسير مسار ظهور الفقاريات من الأسماك البدائية إلى الديناصورات، وما دور ظاهرة التقارب التكيفي في تشكيل أنماط شكلية متشابهة بين مجموعات مختلفة؟ وتتفرع عن هذه الإشكالية الأسئلة الآتية.

1. ما الأسس العلمية لهذا العلم وما أدواته؟
2. ما أبرز المحطات الحفرية بين الأسماك البدائية والديناصورات؟
3. كيف يفسر التقارب التكيفي التشابه بين كائنات متباعدة النسب؟

3. أسباب اختيار الموضوع

• سبب ذاتي - الميل الشخصي إلى علوم الأرض والأحياء القديمة، والفضول المعرفي تجاه تاريخ الحياة، وشغف خاص بعالم الديناصورات والحفريات.
• سبب موضوعي - الأهمية العلمية للحفريات الفقارية في توثيق ظهور المجموعات الحيوية وتتبع صلاتها، وقلة الدراسات العربية المتخصصة، والحاجة إلى تبسيط هذا العلم للقارئ العربي، مع اكتشافات حديثة تعيد النظر في كثير من التصورات القديمة.

4. أهداف المقال

• التعريف بالعلم ونشأته ومناهجه.
• تتبع مراحل ظهور الفقاريات من الأسماك البدائية إلى البرمائيات والزواحف.
• إبراز خصائص الديناصورات وأسباب هيمنتها وانقراضها.
• توضيح مفهوم التقارب التكيفي وأمثلته في السجل الحفري.
• بيان أهمية هذا الميدان في فهم التنوع الحيوي الحالي.

5. المنهج أو المناهج المستخدمة

• المنهج الوصفي - لوصف الحفريات والمجموعات الفقارية وخصائصها.
• المنهج التاريخي - لتتبع التسلسل الزمني للفقاريات عبر الأزمنة الجيولوجية.
• المنهج المقارن - للمقارنة بين البنى التشريحية وتفسير التقارب التكيفي.
• المنهج التحليلي - لتحليل الأدلة الحفرية واستخلاص النتائج منها.

6. عرض خطة المقال

يتناول المقال ثلاثة مباحث. يعرض الأول الإطار المفاهيمي والمنهجي، ويدرس الثاني رحلة الفقاريات من الأسماك البدائية إلى عصر الديناصورات، ويخصص الثالث لظاهرة التقارب التكيفي وأمثلتها في السجل الحفري، ثم تأتي خاتمة تضم أهم النتائج والتوصيات. وللإشارة، فإن المقال يكتفي بعرض المعطيات الحفرية وصفا وتحليلا، ويترك للقارئ حرية تقدير التفسيرات النظرية المختلفة المتداولة بين الباحثين.

المبحث الأول - الإطار المفاهيمي والمنهجي لعلم الحفريات الفقارية

قبل الدخول في تفاصيل الأسماك والديناصورات، يحسن بنا أن نضع الأساس الذي يقوم عليه هذا الميدان. فالقارئ الذي يفهم كيف تتحجر العظام، وكيف يعرف العلماء أعمارها، وكيف يصنفونها، سيقرأ بقية المقال بعين أكثر وعيا بحدود المعرفة وقوتها معا.

المطلب الأول - مفهوم علم الحفريات الفقارية ونشأته

1. تعريف العلم وموضوعه

علم الحفريات الفقارية (Vertebrate Paleontology) فرع من علم الحياة القديمة (Paleontology) يختص بدراسة الحيوانات الفقارية (Vertebrata) التي عاشت في الأزمنة الجيولوجية الماضية، أي الأسماك والبرمائيات والزواحف والطيور والثدييات. ويعتمد هذا العلم على بقايا متحجرة مثل العظام والأسنان والحراشف والبيض وآثار الأقدام والفضلات المتحجرة.

وبالإضافة إلى ذلك، لا يقتصر موضوع علم الحفريات الفقارية على وصف الهياكل العظمية، فهو يسعى إلى فهم طريقة عيش الحيوان وغذائه وحركته وبيئته.

2. علاقة هذا العلم بعلوم الأرض والأحياء والتشريح المقارن

يقف هذا الميدان عند ملتقى علوم كثيرة. فمن علوم الأرض يأخذ علم الطبقات (Stratigraphy) وعلم الرسوبيات (Sedimentology)، لأن الحفرية لا تُفهم إلا في طبقتها الصخرية. ومن علم الأحياء يأخذ علم الحيوان وعلم وظائف الأعضاء، ومن التشريح المقارن (Comparative Anatomy) يأخذ أدوات المقارنة بين عظام الكائنات المنقرضة وعظام الأحياء.

ومن جهة أخرى، تدخل الفيزياء والكيمياء في قياس الأعمار الصخرية وتحليل التركيب المعدني للعظام، كما تساهم المعلوماتية في بناء النماذج ثلاثية الأبعاد. ولذلك فإن فريق البحث في علم الحفريات الفقارية الحديث يضم عادة جيولوجيين وأطباء بيطريين ومهندسي برمجيات إلى جانب علماء الحفريات.

3. نشأة العلم وأبرز رواده

يُعتبر الفرنسي جورج كوفييه (Georges Cuvier) من مؤسسي علم الحفريات الفقارية. ففي أواخر القرن الثامن عشر قارن عظام الفيلة الحية بعظام فيلة متحجرة، وبيّن أنها تعود إلى أنواع مختلفة لم تعد موجودة، فأرسى بذلك فكرة الانقراض، وطبق مبدأ ارتباط الأعضاء لإعادة بناء الحيوان انطلاقا من عظمة واحدة.

وفي المقابل، برز البريطاني ريتشارد أوين (Richard Owen) الذي ابتكر عام 1842 مصطلح الديناصورات (Dinosauria) ليصف مجموعة من الزواحف الضخمة اكتشفت بقاياها في إنجلترا، وهو من أسس متحف التاريخ الطبيعي في لندن. وكان قبله قد اكتشف وليام باكلاند (William Buckland) الميغالوصور عام 1824، ووصف جيديون مانتل (Gideon Mantell) الإغواندون في مطلع العشرينيات من القرن التاسع عشر.

كذلك لا يجوز إغفال ماري أنينغ (Mary Anning) التي جمعت حفريات الإكثيوصورات والبلزيوصورات من سواحل ليم ريجيس في بريطانيا في مطلع القرن التاسع عشر، وأسهمت إسهاما كبيرا في معرفة الزواحف البحرية. وبعد ذلك شهدت الولايات المتحدة في العقود الأخيرة من القرن نفسه ما سمي بحروب العظام بين أوثنيل مارش (Othniel Marsh) وإدوارد كوب (Edward Cope)، وهي منافسة محمومة أسفرت عن اكتشاف عشرات الأنواع الجديدة.

4. تطور العلم في العصر الحديث

وفي ضوء ذلك، دخلت الحفريات الفقارية مرحلة جديدة في ستينيات القرن العشرين، حين وصف جون أوستروم (John Ostrom) الديونيكوس عام 1969 وبيّن أن بعض الديناصورات كانت رشيقة نشيطة، وهو ما سمي لاحقا بنهضة الديناصورات. ثم جاءت الاكتشافات الضخمة في مقاطعة لياونينغ الصينية منذ عام 1996 لتغير صورة هذه المجموعة تغييرا كبيرا.

ومما يعزز هذا التوجه أن علم الحفريات الفقارية اليوم علم عالمي متشابك، تتبادل فيه البعثات في الأرجنتين والصين ومنغوليا وأفريقيا بياناتها عبر قواعد مفتوحة مثل قاعدة بيانات علم الأحياء القديمة (Paleobiology Database). كما تجمع جمعية علماء الحفريات الفقارية (Society of Vertebrate Paleontology) آلاف الباحثين حول العالم.

المطلب الثاني - التحجر والتأريخ الجيولوجي

1. مفهوم التحجر وأنواعه

التحجر (Fossilization) عملية تتحول فيها بقايا الكائن الحي أو آثاره إلى مادة صخرية أو تُحفظ في الرواسب. ويسمى العلم الذي يدرس ما يحدث للكائن بعد موته حتى دفنه علم الترسب الحفري أو التافونومي (Taphonomy)، وهو يفسر لماذا نعثر على بعض الأنواع بكثرة وعلى غيرها بندرة.

ومن أبرز أنواع التحجر ما يلي.

• التمعدن (Permineralization) - تمتلئ مسام العظم بمعادن ترسبت من المياه الجوفية فيصبح صلبا.
• الاستبدال (Replacement) - تحل معادن جديدة محل مكونات العظم الأصلية تدريجيا.
• القوالب والنسخ (Molds and Casts) - يترك الكائن بصمته في الرسوبيات فتمتلئ لاحقا بمعدن آخر.
• الحفظ في الكهرمان (Amber) - يحتفظ الراتنج المتصلب بأجسام صغيرة بتفاصيل دقيقة.
• الحفريات الأثرية (Trace Fossils) - كآثار الأقدام والأعشاش والبيض والفضلات المتحجرة (Coprolites).

2. العوامل المساعدة على حفظ بقايا الفقاريات

لا تتحجر معظم الكائنات، فالأغلب أن تتحلل أو تأكلها الجوارح أو تفتتها العوامل الجوية. ولكي يحدث الحفظ لا بد من الدفن السريع، لأنه يحمي الجثة من الحيوانات الكانسة ومن الأكسجين، وكلما كانت الرواسب ناعمة كانت التفاصيل المحفوظة أدق.

وعلاوة على ما سبق، تساعد الأجزاء الصلبة كالعظام والأسنان على البقاء، وتفيد البيئات قليلة الأكسجين كقيعان البحيرات العميقة. ومن هنا ظهرت مواقع استثنائية تسمى مواقع الحفظ الكبرى (Lagerstätten)، مثل سولنهوفن في ألمانيا وتشنغجيانغ ولياونينغ في الصين وميسيل في ألمانيا، وقد حفظت أحيانا ريشا وجلدا وأعضاء رخوة.

3. طرق التأريخ النسبي والمطلق للحفريات

يقوم التأريخ النسبي في علم الحفريات الفقارية على مبدأ التراكب الذي صاغه نيكولاس ستينو (Nicolas Steno) في القرن السابع عشر، ومفاده أن الطبقات السفلى أقدم من العليا في المناطق غير المضطربة. وأضاف وليام سميث (William Smith) في مطلع القرن التاسع عشر أن لكل مجموعة طبقات حفرياتها المميزة، فصارت الحفريات الدالة (Index Fossils) أداة لمقابلة الطبقات بين المواقع.

أما التأريخ المطلق فيعتمد على التحلل الإشعاعي للعناصر. ولأن الصخور الرسوبية التي تحوي العظام لا تؤرخ مباشرة في الغالب، يلجأ الباحثون إلى تأريخ طبقات الرماد البركاني التي تعلو الحفرية وتحتها بطريقتي اليورانيوم - الرصاص (U-Pb) على بلورات الزركون والأرغون - الأرغون (Ar-Ar)، فيحصلون على نطاق زمني محدد. أما الكربون المشع (Carbon-14) فلا يصلح إلا لعشرات آلاف السنين، ولذلك لا يستعمل مع الديناصورات.

4. السلم الزمني الجيولوجي وأهم الحقب

ينظم الجيولوجيون تاريخ الأرض في سلم زمني تشرف على ضبطه اللجنة الدولية لعلم الطبقات (International Commission on Stratigraphy). ويلخص الجدول الآتي أهم الأزمنة التي تعنينا في هذا المقال.

وبناء على ما تقدم، يتضح أن الديناصورات لم تظهر إلا بعد مرور مئات ملايين السنين على أولى الفقاريات، وأن زمن حياتها الطويل يتوزع على ثلاثة عصور كاملة.

المطلب الثالث - أدوات البحث ومناهج التصنيف في علم الحفريات الفقارية

1. الحفر الميداني وتقنيات استخراج الحفريات

يبدأ العمل الميداني بالمسح الجيولوجي للبحث عن الصخور الحاملة للعظام، ثم يرصد الفريق شظايا العظام المتناثرة على السطح لأنها تدل على مصدرها في الطبقة. وبعد تحديد الموقع يرسم الباحثون خريطة دقيقة تسجل موضع كل عظمة واتجاهها، لأن هذه المعلومة تفيد في فهم ظروف الدفن.

ثم تحمى العظام الهشة بمواد تقوية وتغلف بغلاف من الجبس والقماش يسمى الغلاف الواقي (Plaster Jacket) قبل نقلها إلى المختبر. وفي المختبر يزيل المحضرون الصخر العالق بأدوات دقيقة، وهي مرحلة قد تستغرق أشهرا أو سنوات للهيكل الواحد.

2. التصوير المقطعي والتقنيات الرقمية الحديثة

أحدث التصوير المقطعي المحوسب (CT Scanning) ثورة حقيقية، فهو يتيح النظر داخل الجمجمة دون كسر الصخر، وإعادة بناء قوالب الدماغ (Endocasts) والأذن الداخلية، وهما يعطيان فكرة عن الحواس والتوازن. كما تتيح الأشعة السنكروترونية دقة أعلى للعينات الصغيرة والحساسة.

ومن جهة أخرى، تستعمل المسح الضوئي والتصوير الفوتوغرامتري لإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد تتشارك بين المتاحف، وتستخدم برمجيات التحليل بالعناصر المحدودة (Finite Element Analysis) لاختبار قوة الفكوك والعظام تحت الأحمال.

3. علم التصنيف التطوري ومخططات الأنساب

يعتمد التصنيف الحديث على المنهج التفرعي (Cladistics) الذي أسسه الألماني ويلي هينيغ (Willi Hennig) في منتصف القرن العشرين. ويرتب هذا المنهج الكائنات في مجموعات بحسب ما تشترك فيه من صفات مشتقة، ويرسم النتائج في مخططات شجرية تسمى الكلادوغرام (Cladogram).

ولا بد من التنبيه إلى أن هذه المخططات فرضيات علمية تتغير بتغير البيانات، وليست حقائق نهائية. فهي تعبّر عن أقرب ترتيب تدعمه الصفات المدروسة، ولذلك تتبدل أحيانا مواقع مجموعات كاملة بعد اكتشاف حفرية واحدة.

4. حدود السجل الحفري وإشكالات التفسير

يعترف المتخصصون في علم الحفريات الفقارية أنفسهم بأن السجل الحفري ناقص. فمعظم الأنواع التي عاشت لم تترك أثرا، والأنواع ذات الأجسام الصلبة المسكنة في بيئات رسوبية هي الأكثر تمثيلا، كما أن كثيرا من المناطق ما زال غير مستكشف. وقد نشأ عن ذلك تفاوت في الصورة، فبعض المجموعات موثقة توثيقا جيدا وبعضها يعرف من شظايا.

وفي هذا الإطار، تتعدد قراءات الأدلة نفسها. فحيث يرى بعض الباحثين في صفات حفرية مرحلة انتقالية بين مجموعتين، يرى آخرون أنها تعبّر عن تصميم متنوع داخل مجموعات متمايزة، ويلاحظون أن المجموعات الكبرى تظهر في السجل بخصائصها الأساسية كاملة وبفجوات واضحة بينها. وسنعرض في المبحث التالي المعطيات الحفرية كما هي، مع الإشارة إلى مواضع النقاش.

المبحث الثاني - رحلة الفقاريات من الأسماك البدائية إلى عصر الديناصورات

بعد أن وضحنا الأدوات والمفاهيم، ننتقل إلى الرواية الحفرية نفسها. وتساعدنا هنا الدراسات التي يجريها علم الحفريات الفقارية على ترتيب المراحل ترتيبا زمنيا، من بحار الكمبري إلى غابات الطباشيري، ويلخص الجدول الآتي أهم المحطات قبل أن نفصلها.

المطلب الأول - الأسماك البدائية وظهور الفكوك

1. أصل الفقاريات الأوائل في العصر الكمبري

يشير علم الحفريات الفقارية إلى أن أقدم الفقاريات المعروفة بوضوح تعود إلى العصر الكمبري، ومن أشهرها هايكوإكثيس وميلوكونمينغيا من موقع تشنغجيانغ في مقاطعة يونان الصينية، وتقدر أعمارها بنحو 518 مليون سنة. وهي كائنات صغيرة تشبه السمكة، لها عمود ظهري وخياشيم وعضلات مقطعة، لكن دون فكوك أو زعانف مزدوجة.

وبالإضافة إلى ذلك، يضم الكمبري كائنات حبلية (Chordata) مثل بيكايا (Pikaia) في موقع بيرجس شيل بكندا، وهي تعد من الحبليات لا من الفقاريات الحقيقية. ويلفت النظر أن هذا العصر شهد ظهورا مفاجئا لمعظم الأنماط الجسدية الكبرى للحيوانات، وهي ظاهرة يعترف بها الباحثون ويسمونها الانفجار الكمبري (Cambrian Explosion).

2. الأسماك عديمة الفكوك وخصائصها

في العصرين الأوردوفيشي والسيلوري انتشرت أسماك مدرعة عديمة الفكوك تعرف بالدروع العظمية (Ostracoderms)، ومنها أراندسبيس (Arandaspis) الذي وجدت بقاياه في أستراليا ويعود إلى نحو 480 مليون سنة. كانت أجسامها مغطاة بصفائح عظمية تحمي الرأس والجذع، وفمها فتحة دائرية أو شقية لا تقبض ولا تقطع.

وفي المقابل، تعيش اليوم مجموعة قليلة من الأسماك عديمة الفكوك هي الجلكيات (Lampreys) وأسماك الهاغ (Hagfish). كذلك عُثر على كائنات صغيرة تعرف بالكونودونتات (Conodonts) تركت أسنانا دقيقة متحجرة بكثرة، واتضح من حفريات الجسم الرخو أنها كانت ذات عينين وجسم شبيه بالأنقليس، وتقرب من الفقاريات.

3. ظهور الفكوك وأهميتها

يمثل ظهور الفكوك حدثا مفصليا في تاريخ الفقاريات، لأنه سمح بالإمساك بالفريسة وتمزيقها وفتح موارد غذائية جديدة. ويربط علماء التشريح المقارن بين عظام الفك وبين الأقواس الخيشومية من حيث موضعها وبنيتها، ويعدون ذلك من أقوى الدلائل على صلة بنيوية بين التنفس والتغذية.

ومن الجدير بالذكر أن أقدم الأسماك الفكية الموثقة ترجع إلى العصر السيلوري، ومنها إنتيلوغناثوس من الصين الذي عاش قبل نحو 423 مليون سنة، وهو سمكة مدرعة تجمع صفات متباينة في تركيب الفك والرأس. ويُعد هذا الكشف في علم الحفريات الفقارية مثالا على أن الصور المبسطة للانتقال بين المجموعات تحتاج إلى مراجعة مستمرة.

4. تنوع الأسماك الغضروفية والعظمية في الحقب القديمة

يسمى العصر الديفوني عصر الأسماك بسبب غزارة أشكالها. فقد عاشت فيه الأسماك المدرعة (Placoderms) ومنها ديونكلوستيوس (Dunkleosteus) الذي بلغ طوله عدة أمتار وزود بصفائح عظمية قاطعة بدل الأسنان. وعاشت إلى جانبها الأسماك الغضروفية (Chondrichthyes) كالقرش البدائي كلادوسيلاش (Cladoselache)، والأسماك الشوكية (Acanthodians).

وفي هذه الفترة نفسها ظهرت الأسماك العظمية (Osteichthyes) التي انقسمت إلى فرعين كبيرين، الأسماك شعاعية الزعانف (Actinopterygii) التي تضم معظم أسماك اليوم، والأسماك ذات الزعانف الفصية (Sarcopterygii) التي ستلعب دورا محوريا في الفقرة التالية.

المطلب الثاني - الانتقال من الماء إلى اليابسة

1. الأسماك ذات الزعانف الفصية ودورها

تتميز الأسماك الفصية بزعانف لحمية ترتكز على عظام تشبه عظام الطرف، ومنها يوستينوبتيرون الذي وجدت حفرياته الكاملة في ميغواشا بكندا ويعود إلى نحو 385 مليون سنة. وقد قارن الباحثون عظام زعنفته بعظام العضد والساعد في الأطراف الأربعة، ووجدوا بينها تقابلا لافتا.

ومن جهة أخرى، يعطي السيلاكانث (Coelacanth) علم الحفريات الفقارية درسا طريفا. فقد ظن العلماء أنه انقرض قبل نحو 66 مليون سنة، حتى صيد أحدها عام 1938 قرب سواحل جنوب أفريقيا، وتعرفت عليه ماريوري كورتني لاتيمر وحدد هويته جيمس سميث. وتبين لاحقا أن بعض الأنواع الحية قد تغيب عن السجل الحفري ملايين السنين ثم تظهر، وهذا من أسباب الحذر في قراءة الغياب.

2. حفريات مفصلية مثل تيكتاليك وإكثيوستيغا

اكتشف فريق بقيادة نيل شوبين (Neil Shubin) وتيد دايشلر (Ted Daeschler) وفارش جينكينز (Farish Jenkins) حفرية تيكتاليك روزيه (Tiktaalik roseae) في جزيرة إليسمير بكندا عام 2004، ونشرت نتائجها في مجلة نيتشر عام 2006، ويقدر عمرها بنحو 375 مليون سنة. وتجمع هذه الحفرية بين خياشيم وحراشف سمكية ورأس مفلطح وعنق متحرك وزعانف قوية، ما يجعلها محل اهتمام واسع.

وبالمثل، وُصف الإكثيوستيغا من غرينلاند منذ ثلاثينيات القرن العشرين، وله أطراف بأصابع تتراوح بين خمسة وسبعة في الطرف الخلفي، وجسمه الثقيل يناسب الحركة على الأرض الطينية. وفي عام 2010 أعلن باحثون عن آثار أقدام لرباعيات أطراف في زاخيلميه ببولندا يعود عمرها إلى نحو 395 مليون سنة، أي أقدم من هذه الهياكل المعروفة، وهو ما دفع الباحثين إلى مراجعة الترتيب الزمني المعتمد.

ويتضح من ذلك أن تفسير هذه الحفريات يتراوح بين من يعدها حلقات انتقالية بين الأسماك والبرمائيات، ومن يرى أنها كائنات تامة التكوين ذات صفات فريدة. والذي لا خلاف فيه أنها تعطينا صورة غنية عن تنوع الأشكال في أواخر العصر الديفوني.

3. ظهور البرمائيات الأولى والتكيفات مع الحياة البرية

ازدهرت البرمائيات (Amphibians) في العصر الكربوني حين غطت المستنقعات والغابات الفحمية مساحات واسعة. ومن أمثلتها الأنواع المنتمية إلى مجموعة التيمنوسبوندلات (Temnospondyli) كإيريوبس (Eryops)، وبعضها بلغ طوله أمتارا. وكانت لها رئات وأطراف بأصابع وجلد رطب وآذان تلتقط الاهتزازات الهوائية.

غير أن هذه الحيوانات ظلت مرتبطة بالماء في تكاثرها، لأن بيضها بلا قشرة صلبة وتفقس يرقاتها في الماء. ومما يعزز هذه الملاحظة أن البرمائيات الحية اليوم تحافظ على هذا النمط من الحياة المزدوجة.

4. بيض السلوي وظهور الزواحف

البيضة السلوية (Amniotic Egg) تتميز بأغشية داخلية هي السلى والمشيمة المحيطة والأنبوب البولي، وبقشرة تحمي الجنين وتحفظ رطوبته. وهذا ما سمح للزواحف بالتكاثر بعيدا عن الماء. ومن أقدم الزواحف المعروفة هيلونوموس (Hylonomus) الذي وجد في جوجينز بنوفا سكوشا في كندا، ويقدر عمره بنحو 312 مليون سنة.

ثم انقسمت ذوات السلى إلى فرعين كبيرين، فرع الزواحف الحقيقية (Sauropsids) الذي ضم السحالي والتماسيح والديناصورات والطيور، وفرع شبيهات الزواحف (Synapsids) الذي ضم الثدييات.

المطلب الثالث - صعود الديناصورات وهيمنتها وانقراضها

1. الزواحف قبل الديناصورات والبيئة الجيولوجية في العصر الترياسي

انتهى العصر البرمي بأكبر انقراض جماعي عرفته الأرض قبل نحو 252 مليون سنة، وقد اختفت فيه نسبة هائلة من الأنواع البحرية والبرية. وفي المرحلة التالية التي عرفت بالعصر الترياسي، كانت القارات مجتمعة في كتلة واحدة تسمى بانجيا (Pangaea)، والمناخ حار جاف في كثير من مناطقها.

ولم تكن الديناصورات أول سيادة على اليابسة في ذلك الوقت، فقد سادت زواحف من خط التماسيح القديم كالراوسوكيات (Rauisuchians)، وانتشر الليستروصور (Lystrosaurus) من شبيهات الزواحف بكثرة في بداياته. وبعد ذلك ظهرت الديناصورات الأولى بأحجام صغيرة نسبيا، وظهر معها فيما يرجح أولى الثدييات الصغيرة.

2. خصائص الديناصورات وتصنيفها إلى ورِكيات وطيرية الحوض

يصف علم الحفريات الفقارية الديناصورات بأنها تتميز بوضعية أطراف قائمة تحت الجسم بدل الانتشار على الجانبين كما عند السحالي، وبصفات في الحوض والجمجمة. وفي عام 1887 قسم هاري سيلي (Harry Seeley) هذه المجموعة بحسب شكل عظام الحوض إلى قسمين كبيرين، هما السحليات الورك (Saurischia) والطيرية الورك (Ornithischia). ويلخص الجدول الآتي أبرز الفروق.

ومن المفارقات أن الطيور ترتبط، بحسب الرأي السائد، بالسحليات الورك رغم أن حوض الطيور شبيه بحوض الطيرية الورك. وقد اقترحت دراسة نشرت عام 2017 إعادة ترتيب شجرة الديناصورات، لكنها لم تحظ بقبول عام وما زالت موضع جدل.

3. أسباب الهيمنة في العصرين الجوراسي والطباشيري

ساد الاعتقاد بأن وضعية الأطراف القائمة منحت الديناصورات كفاءة في الحركة والتنفس، وهي ميزة أسهمت في انتشارها. وفي نهاية العصر الترياسي، قبل نحو 201 مليون سنة، حدث انقراض جماعي طال كثيرا من منافسيها من خط التماسيح، فاتسعت أمامها المواطن البيئية.

وبالإضافة إلى ذلك، تفككت بانجيا تدريجيا وتنوعت المناخات والموائل، فظهرت عمالقة عاشبة كالسوروبودات التي تقدر أطوال أكبرها كالأرجنتينوصور (Argentinosaurus) بين 30 و35 مترا بحسب تقديرات متفاوتة، وظهرت في المقابل مفترسات ضخمة. وفي العصر الطباشيري انتشرت النباتات الزهرية، وتنوعت معها العاشبات ذات الأسنان المعقدة كالهادروصورات.

ويستوجب الأمر التنبيه إلى أن الديناصورات لم تكن ضخمة كلها، فقد وجدت أنواع بحجم الدجاجة، كما أن نسب الأجسام والمعدلات الأيضية موضوع بحث نشط. ومن أمثلة المفترسات الكبرى التيرانوصور الذي عاش في أواخر الطباشيري بأمريكا الشمالية، ويبلغ طوله نحو 12 مترا، وأشهر هياكله هيكل سو (Sue) الذي وجد في ساوث داكوتا عام 1990 ويعرض في متحف فيلد بشيكاغو.

4. أصل الطيور وعلاقتها بالديناصورات ذوات القدمين

اكتشف الأركيوبتركس (Archaeopteryx) عام 1861 في الحجر الجيري بسولنهوفن في ألمانيا، ويعود إلى نحو 150 مليون سنة، وهو يجمع بين ريش طيري وسن وذيل عظمي طويل وأصابع بمخالب. ومنذ ذلك الحين ظل يشغل الباحثين بوصفه مفتاحا لفهم الصلة بين الزواحف والطيور.

وفي ضوء ذلك، أضافت اكتشافات لياونينغ منذ عام 1996، ومنها سينوصوروبتركس (Sinosauropteryx) ومايكرورابتور (Microraptor)، ديناصورات مكسوة بزغب أو ريش. ويرى معظم المتخصصين في علم الحفريات الفقارية اليوم أن الطيور تنحدر من ديناصورات ثيروبودية صغيرة ذوات قدمين، استنادا إلى صفات مثل الترقوة المتحدة (Furcula) والعظام المجوفة واليد ذات الأصابع الثلاثة وسلوك الحضانة. وفي المقابل، يشير بعض الباحثين إلى أن عددا من تفاصيل هذه الصلة ما زال محل نقاش.

5. نظريات الانقراض الجماعي في نهاية العصر الطباشيري

في عام 1980 اقترح الأب والابن لويس وولتر ألفاريز (Luis and Walter Alvarez) أن اصطداما بجرم سماوي ضخم تسبب في الانقراض، بعد أن وجدا طبقة غنية بعنصر الإيريديوم في موقع غوبيو بإيطاليا عند حد الطباشيري والباليوجين. ثم حدد الباحثون عام 1991 فوهة تشيكشولوب (Chicxulub) قرب شبه جزيرة يوكاتان المكسيكية، ويقارب قطرها 180 كيلومترا.

ومن جهة أخرى، تقترح فرضية بديلة أن النشاط البركاني الهائل في هضبة ديكان بالهند أسهم في تغيير المناخ. وقد خلصت مراجعة علمية نشرت عام 2010 في مجلة ساينس إلى أن الاصطدام كان العامل الأبرز، لكن النقاش حول وزن كل عامل لم ينته. والمؤكد أن الديناصورات غير الطائرة اختفت، بينما نجت الطيور والتماسيح والسلاحف والثدييات الصغيرة.

المبحث الثالث - التقارب التكيفي في سجل الحفريات الفقارية

ولعل من أطرف ما يكشفه السجل الحفري أن حيوانات بعيدة النسب قد تتخذ أشكالا شبه متطابقة. وفي هذا المبحث نرى كيف يوظف علم الحفريات الفقارية هذه الظاهرة لفهم وظائف الأعضاء وإعادة بناء الحيوان المنقرض، وكيف يحذر من الاستنتاجات المتسرعة المبنية على التشابه وحده.

المطلب الأول - الإطار النظري لظاهرة التقارب التكيفي

1. تعريف التقارب التكيفي والفرق بينه وبين التشابه الناتج عن الأصل المشترك

التقارب التكيفي (Convergent Evolution أو Convergence) هو ظهور صفات متشابهة في مجموعات غير وثيقة القرابة بسبب مواجهتها متطلبات بيئية متقاربة. فالتشابه هنا وظيفي المنشأ، وليس مبنيا على صلة قرابة مباشرة بين المجموعتين.

وفي المقابل، يرصد علم الحفريات الفقارية تشابها ناتجا عن الأصل المشترك كتشابه عظام الطرف الأمامي عند الإنسان والخفاش والحوت. ولذلك يميز الباحثون دائما بين التشابه الذي يعكس وحدة التصميم الأساسي والتشابه الذي يعكس حلا هندسيا متقاربا لمشكلة بيئية واحدة.

2. الانتخاب الطبيعي والضغوط البيئية المتشابهة

يشرح علماء الأحياء التقارب بالانتخاب الطبيعي (Natural Selection)، أي بقاء الأفراد الأكثر ملاءمة لظروف بيئتها. وهذه آلية مرصودة ومعروفة داخل الأنواع والمجموعات القريبة، كتغير شكل منقار الطيور أو لون الحشرات بحسب البيئة.

وبناء على ما تقدم، فإن الماء مثلا يفرض قوانين فيزيائية على كل سابح سريع، تدفعه نحو جسم انسيابي وزعنفة ذيلية قوية. وكذلك يفرض الهواء قيودا على الطائر من حيث الوزن وسطح الجناح. وبهذا تحد الفيزياء من عدد الحلول الممكنة، فتتكرر الأشكال المتشابهة في أماكن وأزمنة مختلفة.

3. البنى المتماثلة والبنى المتشابهة وظيفيا

ميز ريتشارد أوين عام 1843 بين مفهومين. فالبنى المتماثلة (Homologous Structures) تشترك في أصل بنيوي واحد وإن اختلفت وظيفتها، كعظام الطرف الأمامي في جناح الطائر وزعنفة الحوت. أما البنى المتشابهة وظيفيا (Analogous Structures) فتؤدي وظيفة واحدة دون أن تتشارك التركيب، كجناح الحشرة وجناح الطائر.

ومن الجدير بالذكر أن البنية قد تكون متماثلة وتشابهية في آن واحد بحسب مستوى المقارنة. فجناحا الطائر والخفاش متماثلان بوصفهما طرفين أماميين، ومتشابهان وظيفيا بوصفهما جناحين، لأن تركيبهما الداخلي مختلف جدا كما سنرى لاحقا.

4. دور الظاهرة في تفسير التصنيف الخاطئ

أوقع التقارب علماء كثيرين في أخطاء تصنيفية. فقد ظن بعضهم أن ذوات الحوافر الجنوب أمريكية المنقرضة المسماة الليتوبترنات (Litopterns)، ومنها ثواريوم (Thoatherium) ذو الحافر الواحد، قريبة من الخيول بسبب تشابه القوائم، ثم تبين أنها مجموعة مستقلة تماما.

وعلاوة على ذلك، ما زالت قراءة الصفات التشريحية في علم الحفريات الفقارية تتطلب الحذر. فالصفة المتشابهة قد تكون مضللة إذا لم تدعمها صفات أخرى كثيرة، ولذلك يعتمد علماء التصنيف على مجموعة كبيرة من الصفات المختلفة بدل الاكتفاء بصفة واحدة.

المطلب الثاني - أمثلة التقارب التكيفي بين الفقاريات المنقرضة

1. تشابه الإكثيوصورات والدلافين وأسماك القرش في شكل الجسم

تُعد الإكثيوصورات (Ichthyosaurs) في علم الحفريات الفقارية زواحف بحرية عاشت من العصر الترياسي إلى منتصف الطباشيري، ومنها إكثيوصور (Ichthyosaurus) وأوفثالموصور (Ophthalmosaurus). كان لها جسم انسيابي وخطم مدبب وزعنفة ظهرية وذيل هلالي، حتى تكاد تشبه الدلفين بنظرة سريعة، مع أنها زواحف وليست ثدييات.

وفي المقابل، تختلف التفاصيل اختلافا واضحا. ففي الإكثيوصور ينحني العمود الفقري نحو الأسفل داخل الفص السفلي للذيل، بينما يتحرك ذيل الدلفين أفقيا من غير عمود فقري داخل الزعنفة، وذيل القرش يحمل الفص العلوي الأطول. وقد دلت حفريات إكثيوصور حوامل بصغارها (Stenopterygius) على أنها كانت تلد صغارها أحياء في الماء.

2. التشابه بين الزواحف الطائرة والطيور والخفافيش في تكيف الطيران

الزواحف الطائرة أو التيروصورات (Pterosaurs) ليست ديناصورات، وقد عاشت من العصر الترياسي حتى نهاية الطباشيري. ويرتكز جناحها على إصبع رابع مستطيل جدا يمتد منه غشاء جلدي. وبلغ باع جناحي كويتزالكواتلوس (Quetzalcoatlus) نحو عشرة أمتار.

وفي هذا الإطار، يعتمد جناح الطائر على الريش المثبت على الساعد واليد المختزلة، بينما يعتمد جناح الخفاش على أربعة أصابع مستطيلة يربطها غشاء. فالمجموعات الثلاث وصلت إلى الطيران بحلول مختلفة التركيب، وهذا مثال كلاسيكي على التقارب الوظيفي، ويستند إليه باحثو علم الحفريات الفقارية في دراسة الميكانيكا الهوائية للأجنحة.

3. تشابه الديناصورات الآكلة للنبات مع الثدييات العاشبة الحديثة

تظهر المشابهة بين العاشبات القديمة والحديثة في الجسم والأسنان. فالهادروصورات (Hadrosaurs) ذات المناقير الشبيهة بمنقار البط حملت مئات الأسنان المتراصة في بطاريات سنية تطحن النبات، وهو ما يذكر بأسنان الخيول والأبقار الطاحنة. ولا صلة وثيقة بين المجموعتين، لكن الوظيفة واحدة.

ومن جهة أخرى، تشبه الديناصورات ذات القرون كتريسيراتوبس وحيد القرن في الجسم الثقيل والرأس المدرع، وتشبه الأنكيلوصورات المدرعة (Ankylosaurs) الجليبتودونات (Glyptodonts) الثديية الجنوب أمريكية والمدرعات الحديثة. أما السوروبودات ذات الأعناق الطويلة فتقارن بالزرافة في الوصول إلى الأغصان العالية، مع فارق ضخم في الحجم والتركيب.

4. التقارب في الأطراف والأسنان وأنماط التغذية

ظهرت في أرجاء الأرض أمثلة كثيرة عن تقارب الأطراف والأسنان. فديناصورات الأورنيثوميميات (Ornithomimids) كسترثيوميموس (Struthiomimus) تشبه النعام في الأرجل الطويلة والعنق الطويل والمنقار عديم الأسنان، وهي من أشكال الركض السريع.

وكذلك الحال في الأنياب، فالثيلاكوسميلوس (Thylacosmilus) من الجرابيات الجنوب أمريكية حمل أنيابا سيفية تشبه أنياب القط ذي الأسنان السيفية المسمى سميلودون (Smilodon) من السنوريات، رغم تباعد المجموعتين. وفي الماء تشابه أسنان السبينوصورات (Spinosaurids) المخروطية أسنان التماسيح الهندية آكلة السمك. وتلخص الجدول الآتي هذه الأمثلة.

المطلب الثالث - دلالات التقارب التكيفي في فهم أنماط الحياة القديمة

1. التقارب التكيفي دليل على قوة الانتخاب الطبيعي

يستند كثير من علماء الأحياء وعلم الحفريات الفقارية إلى التقارب بوصفه دليلا على قدرة الضغوط البيئية على تشكيل الصفات داخل المجموعات. فحين تظهر العين المعقدة أو الجناح أو الجسم الانسيابي في خطوط مستقلة، يستنتج الباحثون أن الوظيفة تفرض شكلها بدرجة كبيرة.

وفي المقابل، ينبغي ألا نحمّل الظاهرة أكثر مما تحتمل. فهي تبين قدرة الكائنات على التكيف ضمن حدود تصميمها الأساسي، لكنها لا تفسر وحدها نشأة الأنماط الجسدية الكبرى. وهذه نقطة يختلف عليها المتخصصون، ويكفينا أن نسجل أن التشابه الوظيفي وحده لا يحسم أسئلة الأصل.

2. أثره في دراسة قابلية التنبؤ بمسارات التطور

يدور جدل معروف بين من يرون أن الحياة لو أعيد تشغيلها لأنتجت أشكالا قريبة من الحالية، ومن يرون أن الصدفة تلعب دورا كبيرا. فقد دافع سايمون كونواي موريس (Simon Conway Morris) في كتابه حل الحياة الصادر عام 2003 عن الرأي الأول مستشهدا بكثرة أمثلة التقارب، بينما دافع ستيفن جاي غولد (Stephen Jay Gould) في كتابه الحياة الرائعة عام 1989 عن أهمية الظروف العرضية.

وبناء على ذلك، فإن السجل الحفري هو الحكم الميداني لهذا النقاش، لأنه يمنحنا عشرات الأمثلة التي تسمح بالمقارنة. وكلما اتسعت قاعدة البيانات الحفرية صار الجواب أدق، وهو ما يجعل من علم الحفريات الفقارية مختبرا تاريخيا لا غنى عنه.

3. أهميته في إعادة بناء بيئات الكائنات المنقرضة

يوظف باحثو علم الحفريات الفقارية التقارب في ما يعرف بالتشريح الوظيفي (Functional Morphology)، فإذا ظهرت في حفرية زعانف وجسم انسيابي استنتجوا حياة مائية، وإذا ظهرت أرجل طويلة وعظام خفيفة استنتجوا الركض. وهكذا تتحول المقارنة بين الحي والمنقرض إلى أداة لإعادة بناء السلوك.

ومن الأمثلة اللافتة أن العين تترك أثرا في الحفرية. فالحلقة الصلبية العظمية (Sclerotic Ring) تدل على حجم العين، وقد نشرت دراسة عام 2011 في مجلة ساينس قارنت أحجامها بين الديناصورات والطيور والزواحف الحية لاستنتاج أوقات النشاط الليلي أو النهاري. وبلغت عيون الأوفثالموصور نحو عشرة سنتيمترات، ما يدل على قدرة على الصيد في أعماق مظلمة.

4. الاكتشافات الحديثة وأثرها في مراجعة التصورات

وفي ضوء ذلك، لا تتوقف المراجعة. فقد أمكن عام 2010 تحليل الصبغات (Melanosomes) في ريش حفريات صينية، وتقدير ألوان بعض الديناصورات كأنكيورنيس (Anchiornis)، وهي مثال على إعادة قراءة الشكل الخارجي للحيوان. كما اقترحت دراسة نشرت عام 2020 أن سبينوصور (Spinosaurus)، الذي وصفه إرنست شترومر (Ernst Stromer) من مصر عام 1915 ودمرت عيناته الأصلية في قصف ميونخ عام 1944، ذو ذيل شبيه بالمجداف وحياة شبه مائية، وناقشت دراسات أخرى هذا الاستنتاج.

ومن جهة أخرى، تقدم القارة الأفريقية إسهاما متناميا. فقد وصفت جامعة المنصورة المصرية عام 2018 ديناصورا من فصيلة التيتانوصورات (Titanosaurs) سمي مانصوراصور (Mansourasaurus) من واحة الداخلة، وتعرف مواقع الكم كم (Kem Kem) في المغرب بكنوزها الحفرية. أما وادي الحيتان في مصر فمدرج في قائمة التراث العالمي لليونسكو منذ عام 2005 لأحافير الحيتان القديمة فيه. وهذه شواهد على أن الصحراء العربية والأفريقية مخزن ينتظر المزيد من البحث، وتتيح المتاحف مثل متحف التاريخ الطبيعي في لندن (Natural History Museum) ومتحف سميثسونيان (Smithsonian National Museum of Natural History) مواد معرفية يمكن للقارئ العربي الاستفادة منها.

الخاتمة

بعد هذه الجولة الطويلة، يتضح أن علم الحفريات الفقارية يقدم لنا سجلا غنيا عن تاريخ الفقاريات، يبدأ بأسماك صغيرة في بحار الكمبري، ويمر بعصر الأسماك الفكية والزعانف الفصية، ثم يصل إلى البرمائيات والزواحف وإلى الديناصورات التي سادت الأرض عصورا طويلة قبل أن يطويها الانقراض قبل نحو 66 مليون سنة. وقد رأينا أن هذه الرواية الحفرية نفسها تستدعي الحذر، لأن السجل ناقص وتفسيراته متعددة، ولأن الاكتشافات الجديدة تعدل الخرائط القديمة باستمرار.

وللإجابة عن الإشكالية المطروحة، فقد أسهمت الحفريات الفقارية في ترتيب أزمنة ظهور المجموعات الكبرى ووصف بنيتها ووظائفها وبيئاتها، وأتاح التقارب التكيفي بين الإكثيوصورات والدلافين والتيروصورات والطيور والعاشبات القديمة والحديثة فهم الكيفية التي تفرض بها البيئة أشكالا متشابهة على كائنات متباعدة. وهكذا صار التقارب أداة لقراءة الوظيفة وإعادة بناء الأنماط الحيوية، لا مجرد طرفة تشريحية.

ومن أهم النتائج المتوصل إليها أن السجل الحفري يوثق ظهور المجموعات الكبرى وتحولات المشهد الحيوي عبر الأزمنة، وأن التقارب التكيفي ظاهرة مركزية في تشكل الأنماط الحيوية المتشابهة، وأن الاستنتاجات المبنية على التشابه الشكلي وحده قد تقود إلى أخطاء تصنيفية. كما تبين أن للتقنيات الحديثة كالتصوير المقطعي وتحليل الصبغات أثرا واضحا في تغيير الصورة القديمة للديناصورات.

وبناء على ذلك، نوصي بدعم البحث الحفري العربي وتشجيع البعثات الميدانية في الصحارى الغنية بالطبقات، وتعزيز المتاحف ومراكز البحث وتجهيز مخابر التحضير والتصوير المقطعي، وتبسيط المعرفة الحفرية للجمهور عبر المناهج الدراسية والمحتوى العربي الدقيق. ومن المفيد كذلك تدريب جيل جديد من الباحثين العرب في هذا المجال، وحماية المواقع الحفرية من النهب والتجارة غير المشروعة.

ويبقى الأفق مفتوحا أمام أسئلة جديدة، منها ما يخبئه شمال أفريقيا من حفريات لم تستكشف بعد، وما ستكشفه التقنيات الرقمية والذكاء الاصطناعي من تفاصيل في العظام والرواسب، وما ستضيفه الأبحاث على البروتينات القديمة والأصباغ. ومهما اختلفت التفسيرات، فإن مواصلة الدراسة الجادة في علم الحفريات الفقارية هي السبيل الأمثل لتحويل أحجار صامتة إلى معرفة حية عن ماضي كوكبنا.

مراجع