Eğer yunusların yüzdüğünü gördüyseniz, balıklar gibi yan yana hareket etmek yerine neden dalgalandıklarını merak etmişsinizdir. Balinaları, yunusları ve domuz balıklarını da içeren deniz memelileri, balığa benzer bir gövdeye sahip olmalarına rağmen, karada yaşayan atalardan gelen memelilerdir.
Deniz memelileri, su ortamlarında gelişmek için iskelet yapılarında, arka bacakların azalması ve yüzgeçlerin ve kuyruk parazitlerinin evrimi de dahil olmak üzere, aerodinamik bir vücutla sonuçlanan derin değişikliklere uğramıştır. Bilim insanları, yaklaşık 53 milyon yıl önce karadan suya geçişin, deniz memelilerinin iskeletlerinin merkezi unsuru olan omurgasını nasıl etkilediğini hâlâ anlamıyorlar.
Nature Communications'da yayınlanan yeni bir çalışma, ataları sudaki yaşama adapte olurken bu deniz memelilerinin omurgalarının nasıl yeniden düzenlendiğine ışık tutuyor. Bilim liderliğindeki uluslararası ekip, önceki varsayımların aksine, deniz memelilerinin omurgasının, uzunluğu boyunca homojen bir şekle sahip olmasına rağmen oldukça bölgesel olduğunu buldu. Ancak omurgadaki bölgeselleşme, karadaki memelilerden büyük ölçüde farklıdır.
Ekip ayrıca omurgadaki bölgelerin yaşam alanı ve yüzme hızıyla nasıl ilişkili olduğunu da araştırdı. Kıyıdan uzakta yaşayan türlerin daha fazla omurgaya, daha fazla bölgeye ve daha yüksek yüzme hızına sahip olduğunu keşfettiler. Kıyıya bu kadar yakın olan nehirlerde ve körfezlerde yaşayan türlerin omurgası ve bölgeleri daha az, ancak bölgeleri birbirinden daha farklı, bu da onlara potansiyel olarak daha fazla manevra kabiliyeti sağlıyor.
Bilim Organizma ve Evrimsel Biyoloji Bölümü ve Biyoloji Bölümü'nden Marie Curie Üyesi, başyazar Amandine Gillet, “Ataları suya geri döndüğünde balinalar ve yunuslar arka bacaklarını kaybettiler ve balık benzeri bir vücut geliştirdiler” dedi. Manchester Üniversitesi'nde Yer ve Çevre Bilimleri. “Fakat bu morfolojik değişim aynı zamanda omurganın artık su ortamında hareketi sağlayan iskeletin ana parçası olduğu anlamına da geliyor.”
Karada hareket eden kara memelilerinin omurgası, bacakların vücut ağırlığını taşımasına yardımcı olmak için destek sağlamalıdır. Deniz memelileri karadan suya geçiş yaptığında, yerçekimi kuvvetleri havadan yüzen suya doğru kayarak vücut ağırlığını taşıma basıncını serbest bıraktı. Suda hareket etmek için gereken yeni vücut yapısı ve hareketler, bu hayvanların omurgasının yeni ortamlarına uyum sağlamak için bir şekilde değişmesi gerektiği anlamına geliyordu.
Önceki çalışmalar omurgayı vertebral morfolojik açıdan incelemişti. 2018 tarihli bir Science makalesinde, ortak yazarlar Stephanie Pierce ve Katrina Jones, ilk olarak yılanların omurgalarını incelemek için geliştirilen yeni bir istatistiksel yöntemi kullanarak memeli omurgasının karmaşık evrimsel tarihini araştırdılar. Pierce ve Jones, modeli çalışmalarına uyacak şekilde revize ettiler; bu, kara memelilerinin omurgasının amfibiler ve sürüngenlerle karşılaştırıldığında çok sayıda farklı bölgeyle karakterize edildiğini göstermelerine olanak tanıdı.
Sığ sularda (solda) ve açık okyanusta (sağda) yaşayan türlerin omurgalarının karşılaştırılması, omur sayısı, bölge ve modül sayısındaki farklılıkları gösterir.
Kredi bilgileri: Amandine Gillet
Profesör Pierce, “Kara memelilerinin omurgasındaki bölgelerin balinalarda ve yunuslarda nasıl bulunabileceğini anlamak zor bir iştir ve bunun bir nedeni, onlardan evrimleşmiş olsalar bile omurgalarının morfoloji açısından çok farklı görünmesidir” dedi. Bilim'ın Organizma ve Evrimsel Biyoloji Bölümü'nden ve çalışmanın kıdemli yazarı. “Arka ayakları destekleyen kaynaşmış bir omur dizisi olan kuyruk sokumunu ve kuyruğu vücudun geri kalanından ayırmak için gereken kritik bir dönüm noktasını kaybettiler.”
Deniz memelilerinin omurları, anatomik özellikleri bakımından daha homojen hale geldikleri için daha da karmaşık hale geldi. Yani bir omurdan diğerine geçiş, kara memelilerinde bulunan aşırı geçişlere kıyasla kademeli olarak gerçekleşir ve bu da bölgelerin tanımlanmasını daha da zorlaştırır.
Jones, “Sadece çok benzer omurlara sahip olmakla kalmıyor, aynı zamanda bazı türlerin, özellikle de domuz balıklarının ve yunusların, karadaki memelilerden çok daha fazla omurları var; bazı türlerin 100'e yakın omurları var” dedi. “Bu, kara memelilerinde bulunan bölgeleri balina ve yunuslardaki omurgalara aktarmayı gerçekten zorlaştırıyor.”
Bölgeselleşme modellerini tanımlamak için kullanılan geleneksel istatistiksel yöntemler, örnekler arasında tam olarak aynı sayıda öğeyi gerektirir. Pierce ve Jones'un uyguladığı istatistiksel yöntem (Bölgeler olarak adlandırılır), her örneğin omurgasını ayrı ayrı analiz ederek bu sorunun üstesinden gelmelerine olanak sağladı. Yöntem, kara memelilerinin kısıtlı omurgası için iyi işe yarasa da, deniz memelilerindeki yüksek sayıdaki omurlar için hesaplama açısından zorlayıcı olduğu ortaya çıktı. Gillet, kodu yeniden yazmak için Bilim Kantitatif Sosyal Bilimler Enstitüsü'ndeki Veri Bilimi Hizmetleri ekibiyle işbirliği yaparak programın dakikalar içinde sonuç almasına olanak sağladı. Araştırmacılar, MorphoRegions adı verilen yeni programı, hesaplamalı bir yazılım R paketi olarak bilim camiasının kullanımına sundu.
Pierce, “Bu kesinlikle çalışmamızdaki en büyük ilerlemelerden biri” dedi. “Amandine, bilgisayarı çökertmeden yüksek oranda tekrarlanan birimlerden oluşan bir sistemi analiz edebilecek şekilde programı geliştirmek için aylar harcadı.”
Gillet, MorphoRegions yöntemini daha önce doktora çalışması sırasında topladığı verilere uyguladı. iş. Avrupa, Güney Afrika ve ABD'deki altı müzeyi ziyaret ederek, yaklaşık 90 canlı türünün üçte ikisi olan 62 deniz memelisi türünden 139 örnek hakkında bilgi topladı. Gillet toplamda 7.500 omur ölçtü ve bunları analitik boru hattından geçirdi.
Araştırmacılar, deniz memelilerinin omurgasının ön kaudal ve kaudal bölümlere ayrıldığı bir model önermektedir.
Kredi bilgileri: Amandine Gillet
Gillet, “Geniş veri setimiz, deniz memelilerinin omurgasının organizasyonunun karadaki memelilerden farklı olmasının yanı sıra, türlere bağlı olarak altı ila dokuz bölge arasında tanımladığımız için deniz memelileri içindeki desenlerin de değiştiğini göstermemize olanak sağladı” dedi. daha sonra bölgeler arasındaki benzerlikleri bulmak için oradan yola çıktık ve tüm deniz memelileri için ortak bir model belirledik; bu, Yuvalanmış Bölgeler hipotezimiz tarafından özetlenmiştir.”
Ekip tarafından önerilen hipotez, ilk önce bir ön kaudal ve bir kaudal segmentin tanımlandığı omurganın hiyerarşik bir organizasyonunu ortaya koyuyor. Daha sonra iki bölümün her biri, tüm deniz memelileri için ortak olan çeşitli modüllere bölünür: servikal, anterior torasik, torako-lomber, posterior lomber, kaudal, peduncle ve fluke. Daha sonra, türe bağlı olarak her modül, omurga boyunca en az altı ve en fazla dokuz servikal sonrası bölge olmak üzere bir ila dört bölgeye daha bölünür.
Pierce, “Şaşırtıcı bir şekilde bu bize, karadaki memelilerle karşılaştırıldığında, ön kaudal segmentin daha az bölgeye sahip olduğunu, oysa kaudal bölgenin daha fazla bölgeye sahip olduğunu gösterdi” dedi. “Karasal memeliler kuyruklarını çeşitli farklı işlevler için kullanırlar, ancak deniz memelileri gibi genellikle itici güç üretmek için kullanmazlar. Kuyrukta daha fazla bölgeye sahip olmak, kuyruğun çok spesifik bölgelerinde harekete izin verebilir.”
Deniz memelilerinin omurgasının organizasyonunu daha iyi anlayan araştırmacılar, laboratuvarda toplanan vertebral kolonun esnekliğine ilişkin deneysel verileri kullanarak bu morfolojik bölgelerin fonksiyonla nasıl ilişkili olduğunu anlamaya çalışmayı planlıyor. Modern taksonlar üzerinde toplanan bu veriler, araştırmacıların fosil balinaların yüzme yetenekleri hakkında çıkarım yapmasına olanak tanıyacak ve omurganın karadaki ağırlık taşıyan bir yapıdan sudaki itici güç üreten bir organa nasıl dönüştüğünün anlaşılmasına yardımcı olacaktır.
Deniz memelileri, su ortamlarında gelişmek için iskelet yapılarında, arka bacakların azalması ve yüzgeçlerin ve kuyruk parazitlerinin evrimi de dahil olmak üzere, aerodinamik bir vücutla sonuçlanan derin değişikliklere uğramıştır. Bilim insanları, yaklaşık 53 milyon yıl önce karadan suya geçişin, deniz memelilerinin iskeletlerinin merkezi unsuru olan omurgasını nasıl etkilediğini hâlâ anlamıyorlar.
Nature Communications'da yayınlanan yeni bir çalışma, ataları sudaki yaşama adapte olurken bu deniz memelilerinin omurgalarının nasıl yeniden düzenlendiğine ışık tutuyor. Bilim liderliğindeki uluslararası ekip, önceki varsayımların aksine, deniz memelilerinin omurgasının, uzunluğu boyunca homojen bir şekle sahip olmasına rağmen oldukça bölgesel olduğunu buldu. Ancak omurgadaki bölgeselleşme, karadaki memelilerden büyük ölçüde farklıdır.
Ekip ayrıca omurgadaki bölgelerin yaşam alanı ve yüzme hızıyla nasıl ilişkili olduğunu da araştırdı. Kıyıdan uzakta yaşayan türlerin daha fazla omurgaya, daha fazla bölgeye ve daha yüksek yüzme hızına sahip olduğunu keşfettiler. Kıyıya bu kadar yakın olan nehirlerde ve körfezlerde yaşayan türlerin omurgası ve bölgeleri daha az, ancak bölgeleri birbirinden daha farklı, bu da onlara potansiyel olarak daha fazla manevra kabiliyeti sağlıyor.
Bilim Organizma ve Evrimsel Biyoloji Bölümü ve Biyoloji Bölümü'nden Marie Curie Üyesi, başyazar Amandine Gillet, “Ataları suya geri döndüğünde balinalar ve yunuslar arka bacaklarını kaybettiler ve balık benzeri bir vücut geliştirdiler” dedi. Manchester Üniversitesi'nde Yer ve Çevre Bilimleri. “Fakat bu morfolojik değişim aynı zamanda omurganın artık su ortamında hareketi sağlayan iskeletin ana parçası olduğu anlamına da geliyor.”
Karada hareket eden kara memelilerinin omurgası, bacakların vücut ağırlığını taşımasına yardımcı olmak için destek sağlamalıdır. Deniz memelileri karadan suya geçiş yaptığında, yerçekimi kuvvetleri havadan yüzen suya doğru kayarak vücut ağırlığını taşıma basıncını serbest bıraktı. Suda hareket etmek için gereken yeni vücut yapısı ve hareketler, bu hayvanların omurgasının yeni ortamlarına uyum sağlamak için bir şekilde değişmesi gerektiği anlamına geliyordu.
Önceki çalışmalar omurgayı vertebral morfolojik açıdan incelemişti. 2018 tarihli bir Science makalesinde, ortak yazarlar Stephanie Pierce ve Katrina Jones, ilk olarak yılanların omurgalarını incelemek için geliştirilen yeni bir istatistiksel yöntemi kullanarak memeli omurgasının karmaşık evrimsel tarihini araştırdılar. Pierce ve Jones, modeli çalışmalarına uyacak şekilde revize ettiler; bu, kara memelilerinin omurgasının amfibiler ve sürüngenlerle karşılaştırıldığında çok sayıda farklı bölgeyle karakterize edildiğini göstermelerine olanak tanıdı.
Sığ sularda (solda) ve açık okyanusta (sağda) yaşayan türlerin omurgalarının karşılaştırılması, omur sayısı, bölge ve modül sayısındaki farklılıkları gösterir.
Kredi bilgileri: Amandine Gillet
Profesör Pierce, “Kara memelilerinin omurgasındaki bölgelerin balinalarda ve yunuslarda nasıl bulunabileceğini anlamak zor bir iştir ve bunun bir nedeni, onlardan evrimleşmiş olsalar bile omurgalarının morfoloji açısından çok farklı görünmesidir” dedi. Bilim'ın Organizma ve Evrimsel Biyoloji Bölümü'nden ve çalışmanın kıdemli yazarı. “Arka ayakları destekleyen kaynaşmış bir omur dizisi olan kuyruk sokumunu ve kuyruğu vücudun geri kalanından ayırmak için gereken kritik bir dönüm noktasını kaybettiler.”
Deniz memelilerinin omurları, anatomik özellikleri bakımından daha homojen hale geldikleri için daha da karmaşık hale geldi. Yani bir omurdan diğerine geçiş, kara memelilerinde bulunan aşırı geçişlere kıyasla kademeli olarak gerçekleşir ve bu da bölgelerin tanımlanmasını daha da zorlaştırır.
Jones, “Sadece çok benzer omurlara sahip olmakla kalmıyor, aynı zamanda bazı türlerin, özellikle de domuz balıklarının ve yunusların, karadaki memelilerden çok daha fazla omurları var; bazı türlerin 100'e yakın omurları var” dedi. “Bu, kara memelilerinde bulunan bölgeleri balina ve yunuslardaki omurgalara aktarmayı gerçekten zorlaştırıyor.”
Bölgeselleşme modellerini tanımlamak için kullanılan geleneksel istatistiksel yöntemler, örnekler arasında tam olarak aynı sayıda öğeyi gerektirir. Pierce ve Jones'un uyguladığı istatistiksel yöntem (Bölgeler olarak adlandırılır), her örneğin omurgasını ayrı ayrı analiz ederek bu sorunun üstesinden gelmelerine olanak sağladı. Yöntem, kara memelilerinin kısıtlı omurgası için iyi işe yarasa da, deniz memelilerindeki yüksek sayıdaki omurlar için hesaplama açısından zorlayıcı olduğu ortaya çıktı. Gillet, kodu yeniden yazmak için Bilim Kantitatif Sosyal Bilimler Enstitüsü'ndeki Veri Bilimi Hizmetleri ekibiyle işbirliği yaparak programın dakikalar içinde sonuç almasına olanak sağladı. Araştırmacılar, MorphoRegions adı verilen yeni programı, hesaplamalı bir yazılım R paketi olarak bilim camiasının kullanımına sundu.
Pierce, “Bu kesinlikle çalışmamızdaki en büyük ilerlemelerden biri” dedi. “Amandine, bilgisayarı çökertmeden yüksek oranda tekrarlanan birimlerden oluşan bir sistemi analiz edebilecek şekilde programı geliştirmek için aylar harcadı.”
Gillet, MorphoRegions yöntemini daha önce doktora çalışması sırasında topladığı verilere uyguladı. iş. Avrupa, Güney Afrika ve ABD'deki altı müzeyi ziyaret ederek, yaklaşık 90 canlı türünün üçte ikisi olan 62 deniz memelisi türünden 139 örnek hakkında bilgi topladı. Gillet toplamda 7.500 omur ölçtü ve bunları analitik boru hattından geçirdi.
Araştırmacılar, deniz memelilerinin omurgasının ön kaudal ve kaudal bölümlere ayrıldığı bir model önermektedir.
Kredi bilgileri: Amandine Gillet
Gillet, “Geniş veri setimiz, deniz memelilerinin omurgasının organizasyonunun karadaki memelilerden farklı olmasının yanı sıra, türlere bağlı olarak altı ila dokuz bölge arasında tanımladığımız için deniz memelileri içindeki desenlerin de değiştiğini göstermemize olanak sağladı” dedi. daha sonra bölgeler arasındaki benzerlikleri bulmak için oradan yola çıktık ve tüm deniz memelileri için ortak bir model belirledik; bu, Yuvalanmış Bölgeler hipotezimiz tarafından özetlenmiştir.”
Ekip tarafından önerilen hipotez, ilk önce bir ön kaudal ve bir kaudal segmentin tanımlandığı omurganın hiyerarşik bir organizasyonunu ortaya koyuyor. Daha sonra iki bölümün her biri, tüm deniz memelileri için ortak olan çeşitli modüllere bölünür: servikal, anterior torasik, torako-lomber, posterior lomber, kaudal, peduncle ve fluke. Daha sonra, türe bağlı olarak her modül, omurga boyunca en az altı ve en fazla dokuz servikal sonrası bölge olmak üzere bir ila dört bölgeye daha bölünür.
Pierce, “Şaşırtıcı bir şekilde bu bize, karadaki memelilerle karşılaştırıldığında, ön kaudal segmentin daha az bölgeye sahip olduğunu, oysa kaudal bölgenin daha fazla bölgeye sahip olduğunu gösterdi” dedi. “Karasal memeliler kuyruklarını çeşitli farklı işlevler için kullanırlar, ancak deniz memelileri gibi genellikle itici güç üretmek için kullanmazlar. Kuyrukta daha fazla bölgeye sahip olmak, kuyruğun çok spesifik bölgelerinde harekete izin verebilir.”
Deniz memelilerinin omurgasının organizasyonunu daha iyi anlayan araştırmacılar, laboratuvarda toplanan vertebral kolonun esnekliğine ilişkin deneysel verileri kullanarak bu morfolojik bölgelerin fonksiyonla nasıl ilişkili olduğunu anlamaya çalışmayı planlıyor. Modern taksonlar üzerinde toplanan bu veriler, araştırmacıların fosil balinaların yüzme yetenekleri hakkında çıkarım yapmasına olanak tanıyacak ve omurganın karadaki ağırlık taşıyan bir yapıdan sudaki itici güç üreten bir organa nasıl dönüştüğünün anlaşılmasına yardımcı olacaktır.