דג שיכול ללכת?

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 עד 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.

יכולנו ללמוד הרבה יותר 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 מחד גיסא שושלות הדגים הקיימות היום ומאידך גיסא הטטרפודים – ולבחון את דרך תנועתו וכיצד יסתגל לתנועה ביבשה.

סרטון קצרצר של רב סנפיר סנגלי מהלך:

במאמר שפורסם בכתב העת 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 סֶנֶגלי (Polypterus senegalus), דג מים מתוקים אפריקאי, בן לשושלת קדומה במיוחד ובעל תכונות שהתקיימו גם באבות הקדומים של הטטרפודים: גוף מאורך, 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 אל מקווה מים אחר.

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

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

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 על כך, הם התפתלו פחות מדגי המים במהלך הליכתם.

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 שחייה, גרמו לשינוי במבנה העצמות בחגורת הכתפיים. עצם הבריח של הדגים התעבתה והתחזקה כך שסיפקה תמיכה טובה יותר בגוף, בעוד החיבור בין עצמות אחרות נחלש וכך 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 משום שלא מדובר במוטציות בגנים שעשויות לעבור בתורשה לדור הבא.

אם כך, נשאלת השאלה – איך כל זה קשור לאבולוציה?

התופעה שהחוקרים הדגימו קרויה גמישות התפתחותית (Developmental plasticity), או גמישות פֶנוֹטיפית. זוהי היכולת של אורגניזמים בעלי מטען גנטי נתון (גנוטיפ) 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 כמה דורות, הברירה הטבעית תעדיף דגים שבהם התרחשו מוטציות שמקבעות את התכונות המועילות לחיים ביבשה – עד שלבסוף הגמישות הפנוטיפית תיעלם, והדגים יבקעו מראש עם מבנה גוף המותאם ליבשה, ושהגמישות פלסטיות אף תאפשר את התפתחותן של תכונות מורכבות יותר מאלו. הסתגלות לגבהים בבני אדם היא דוגמה לגמישות התפתחותית שהפכה להתאמה אבולוציוניות באוכלוסיות מסוימות. בני אדם החיים באזורים נמוכים ועוברים לסביבה הררית גבוהה 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, אוכלוסיות שחיות כבר אלפי שנים בגבהים לא צריכות להסתגל לאוויר הדליל. פרטיהן נולדים עם תכונות שהתקבעו במהלך האבולוציה. למשל, אינדיאנים מהרי האנדים מסוגלים לשאת יותר חמצן בתאי הדם שלהם, ולטיבטים יש כלי דם מורחבים המאפשרים זרימת דם חזקה יותר העברה של יותר חמצן.

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.