Текст книги "Странности нашей эволюции"
Автор книги: Кит Харрисон
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 12 страниц) [доступный отрывок для чтения: 5 страниц]
Плавники
У древних бесчелюстных рыб плавники располагались вдоль срединной линии. Ученые предполагают, что у некоторых рыб вдоль всего тела по бокам шли непрерывные складки кожи. Со временем эти складки сократились до одной пары плавников у переднего края и одной пары плавников у заднего края.
Рисунок, изображающий, как складки кожи древних бесчелюстных рыб могли превратиться в две пары плавников.
Даже в наши дни у современных рыб, разнообразные плавники которых могут располагаться на спине, в нижней части тела и на хвосте, сохраняется только по два вида парных плавников – грудные спереди и брюшные сзади (хотя у некоторых видов рыб брюшные плавники «переместились» вперед и теперь находятся ниже и спереди от грудных плавников). Современные рыбы используют парные плавники в качестве тормоза или для совершения медленных движений. Именно из-за того, что продольные складки кожи сократились до двух пар плавников, у всех других позвоночных, включая нас, имеются две пары конечностей – передние и задние. От этих парных плавников в процессе эволюции произошли наши руки и ноги; они начинают формироваться еще у маленького зародыша не более 5 мм длиной и представляют собой поначалу по две полукруглые складки с обеих сторон тела. Если бы у древних рыб сформировалось три пары плавников, то сейчас бы у нас было шесть конечностей, но четырех оказалось достаточно для того, чтобы придать древним рыбам равновесие – одна пара перед центром тяжести и одна пара позади него.
Челюсти
К тому времени, как образовались грудные и брюшные плавники, естественный отбор привел также к значительным изменениям в передней части многих рыб. Внутри головы, сформированной у древних рыб внешними костяными пластинами, начали формироваться челюсти. У самых древних рыб, как и у современных акул, с обеих сторон головы располагались ряды жаберных щелей. Между этими щелями кожу в растянутом состоянии поддерживали косточки, называемые жаберными дугами. Со временем первая дуга в каждом ряду постепенно растягивалась вдоль рта, до этого представлявшего собой простое отверстие. Благодаря этим костям рот обретал форму, и так появились первые челюсти.
Одна из реконструкций процесса превращения жаберных дуг в челюсти.
Благодаря такому приспособлению рыбы получили возможность питаться более твердой пищей, захватывая и удерживая ее ртом. До этого они питались мелким планктоном, процеживая его из воды. Скорее всего, это преимущество и позволило закрепиться такому ярко отличительному признаку. После этого произошло еще одно важное изменение: у части пластин, располагавшихся вокруг рта, начали формироваться острые зазубренные края, позволявшие еще крепче удерживать добычу. Так в ходе естественного отбора из пластин, в придачу к недавно образовавшимся челюстям, сформировались зубы.
От плавников к конечностям
У современных рыб мышцы, контролирующие движения парных плавников, находятся внутри тела. Наружу выступают только тонкие мембраны, поддерживаемые тонкими костистыми подпорками. Мы же произошли от кистеперых рыб – древнего типа костных рыб, у которых мышцы, контролирующие движения парных плавников, располагались снаружи, в мясистых отростках, заканчивающихся плавниками. Сегодня такой тип рыб представлен лишь немногими дожившими до наших дней видами, вроде целаканта в Индийском океане или тропических пресноводных двоякодышащих рыб, но в древности, примерно до 255 миллионов лет назад, они были очень широко распространены в пресноводной среде обитания.
Кистеперая рыба пандерихтис (длина примерно 1 м).
Биологи пока не знают, почему у кистеперых рыб возникли такие мясистые плавники. По мере того как некоторые виды рыб покидали моря и осваивали новые места обитания, реки, озера и болота, они все чаще попадали в мелкие водоемы. Мясистые плавники, скорее всего, помогали им пересекать самые мелководные участки, поросшие растениями. Во время плавания такие плавники помогали рыбам увереннее двигаться вперед, отталкиваясь от камней или водорослей. На небольшой скорости движения этих плавников дополняли движения хвоста.
В любом случае мясистые плавники оказались весьма удачным нововведением для пресноводной среды обитания. У некоторых групп рыб плавники на конце выростов и вовсе утратились, сменившись рядом костей. Ими можно было цепляться за камни и растения; возможно, благодаря им увеличивалась поверхность выростов, а следовательно, и сила отталкивания от воды. Какова бы ни была причина, но эти костистые отростки позже превратились в пальцы рук и ног.
Такие древние рыбы, передвигавшиеся по озерам и болотам с помощью своих примитивных мышечных «конечностей», постепенно приспосабливались к жизни на мелководье, но здесь их поджидали опасности, с которыми их морские предки ранее никогда не сталкивались.
Легкие
Пресные водоемы, особенно мелкие, во время жары катастрофически теряют кислород. Даже при 15 °C вода содержит лишь треть кислорода от того количества, что содержится в атмосфере. Сегодня многие пресноводные рыбы реагируют на его недостаток так: они всплывают к поверхности, где содержание растворенного кислорода выше. Там некоторые виды рыб даже приспособились хватать насекомых, летающих над поверхностью воды, заглатывая при этом немного воздуха. От этого остается лишь один шаг к потреблению кислорода непосредственно из воздуха, необходим только способ усваивать его.
У современных рыб дыхательные органы развивались несколько раз независимо у разных групп, живущих в пресных водоемах с резкими сезонными колебаниями уровня содержания кислорода. В качестве примера можно привести электрического угря, который заглатывает воздух и впитывает кислород через тонкую кожу в ротовой полости, а также хоплостернума из семейства панцирных сомов, который тоже заглатывает воздух и усваивает его в кишечнике, где имеются участки с особо тонкими кровяными сосудами. Нетрудно представить, что древние рыбы, обитающие в схожей среде, научились дышать воздухом по той же причине. Чем лучше у них это получалось, тем меньше они зависели от воды и тем больше у них было шансов выжить. У некоторых рыб даже появились специальные органы для усваивания атмосферного воздуха, которые мы называем легкими.
У эмбрионов всех дышащих воздухом позвоночных, в том числе и у нас, легкие развиваются из выроста кишки зародыша, а это дает повод предположить, что наши древние предки-рыбы заглатывали воздух и усваивали его в кишечнике подобно современному хоплостернуму. Это также объясняет, почему мы дышим и поглощаем пищу через одно и то же отверстие, то есть через рот, и почему дыхательное горло ответвляется от пищевода в горле. (Мы также можем дышать носом, но это всего лишь трубка, ведущая к ротовой полости.)
Выход на сушу
Первые рыбы вышли на сушу более 360 миллионов лет назад, в эпоху чередующихся засух и наводнений, когда эволюция создала много новых типов рыб.
Никто точно не знает, почему рыбы вышли на сушу, но сегодняшние позвоночные успешно осваивают различные среды обитания. Некоторые млекопитающие большую часть времени проводят в воде (выдры, бобры), другие очень хорошо приспособились к водному образу жизни (тюлени и морские львы), а некоторые полностью переселились в водную среду (киты, дельфины, дюгони, ламантины). Млекопитающие могут питаться в воздухе и приспосабливаться к воздушной среде обитания (летучие мыши). Птицы также могут находить пропитание в воде (утки, лебеди, пеликаны), а некоторые приспособились к водному образу жизни (пингвины), хотя постоянно живущих в воде птиц не существует. Многие птицы находят пропитание на земле, некоторые даже утратили способность летать (страусы, нанду, киви). Многие рептилии приспособились к водному образу жизни (крокодилы, морские игуаны), а некоторые виды почти всегда обитают в воде (морские черепахи, морские змеи). В доисторические времена некоторые пресмыкающиеся были полностью водными (ихтиозавры, плезиозавры) или летающими (птерозавры) животными. Беспозвоночные также приспособились к самым разным средам обитания. Улитки, рако образные и черви обитают в океанах, в пресных водах и на суше. Поэтому не стоит удивляться, что некоторые древние рыбы приспособились к «пограничному» образу жизни вдоль берегов древних рек и озер. Для животных, которые уже научились заглатывать воздух и шагать в воде, это был совсем незначительный шаг.
Первые рыбы, скорее всего, вышли на сушу в поисках пищи. Судя по форме зубов, они были не травоядными, а питались насекомыми и другими членистоногими. Преследовать добычу, выбегающую из воды на сушу, – успешная стратегия для выживания. Некоторые косатки (из семейства дель финовых), охотящиеся за детенышами морских львов, пользуясь приливом, выбрасываются на берег, несмотря на то что вернуться в воду им бывает очень трудно. Если эта стратегия окажется весьма удачной, то можно даже представить, как у потомков этих косаток разовьются более крепкие и гибкие передние плавники, а затем и ноги, на которых они будут передвигаться по суше. В конечном итоге эти китообразные могли бы снова стать полностью сухопутными животными, какими были их предки.
Уши
То, что мы воспринимаем как звук, представляет собой колебательное движение частиц окружающей среды. (В научно-фантастических фильмах стараются как можно громче представить взрывы бомб и шум ракетных двигателей в космосе, но в действительности в вакууме звук не распространяется, так что там царит абсолютная тишина). У рыб (в том числе и у наших предков) плотность тела была примерно такой же, как и плотность окружающей воды. Звук, распространяющийся в воде, свободно проходит через тело рыбы, так что никакие специальные органы ей не требуются. У современных рыб имеется небольшое внутреннее приспособление для восприятия вибраций, но внешнего уха у них нет. Когда некоторые из древних рыб стали все больше и больше времени проводить вне воды, им потребовались органы слуха, потому что воздух был гораздо более разряжен по сравнению с плотностью их тканей и звуковые волны, распространявшиеся в воздухе, очень плохо воспринимались их телом. Теоретически эти древние животные могли бы улавливать вибрации земли, но поскольку они первыми из позвоночных животных вышли на сушу, то вокруг них просто не было того, кто мог бы как следует сотрясать землю. Камнепады или огромные растения, конечно, производили ощутимое сотрясение, но к тому времени, как они обрушивались на землю, бедной рыбе было уже поздно убегать от них. У рыб оставалась возможность обнаружить движения других рыб, что давало им преимущество в поисках пищи или помогало спрятаться от хищников. Первые выползающие на землю рыбы проводили почти все время в воде, и на то, чтобы у них сформировались полноценные органы слуха, понадобилось очень долгое время.
Что мы унаследовали от своих предков-рыб
От рыб нам достался позвоночник, две руки, две ноги, челюсти, зубы, легкие, а также рот, которым мы одновременно едим и дышим.
Глава седьмая
Когда мы были земноводными
Рыбы, со временем научившиеся дышать воздухом, все лучше и лучше приспосабливались к жизни вне воды. Примерно 360 миллионов лет назад некоторые виды изменились настолько, что их уже можно назвать не рыбами, а земноводными животными, хотя ни на одно из современных земноводных они не походили. По форме тела они были ближе всего к современным тритонам, но достигали в длину нескольких метров, а один из видов – даже пяти метров. На конце примитивных конечностей имелись пальцы, хотя их число еще не зафиксировалось, так что у разных групп животных их было разное количество (обычно от шести до восьми). Среди самых известных ископаемых животных, принадлежавших к этому классу, – акантостега и ихтиостега, хотя они и не были нашими непосредственными предками.
Ископаемое земноводное ихтиостега.
Акантостега(в переводе с латинского «колючками покрытая») в длину достигала всего 7 см и выглядела как покрытый броней тритон. Подобно древним рыбам, ее голова была защищена толстыми костными пластинами. Ее передние конечности заканчивались восемью пальцами. Похоже, что она все еще вела полностью водный образ жизни, поскольку у нее был хвост, похожий на хвост тритона, и внутренние жабры, как у рыб.
Ихтиостега(в переводе с латинского «рыба скрытая») представляла собой гораздо более крупное животное, длиной примерно с метр, с семью пальцами на передних конечностях. У нее также был хвост с плавником, как у тритона, и она проводила большую часть жизни в воде. Правда, при этом у ихтиостеги не было внутренних жабр.
Поскольку древние земноводные все больше времени находились на суше, их тела постепенно изменились. Они все еще откладывали икру в воде, где и проводили первые стадии своей жизни, но у взрослых особей исчезли внутренние жабры и плавники вдоль боковой линии, а сами они все больше становились полноценными наземными животными. На брюхе, которым они часто ложились на землю, у них сохранялись чешуйки, но с остальной поверхности кожи чешуя исчезла, как исчезли и костные пластины на голове. Вода уже больше не поддерживала тела этих животных, так что в течение последующих 50 лет кости их конечностей, а также плечевого и тазового поясов постепенно укреплялись, как укреплялся и позвоночник.
Самым первым земноводным, лежащим на земле под тяжестью собственного веса, было трудно открывать челюсть, не поднимая всей передней части тела. По всей видимости, именно поэтому и развилась гибкая шея. Так голова могла подниматься независимо от тела, а также поворачиваться по сторонам. Рыбы, как известно, не могут вертеть головой – ни одна рыба не способна «заглядывать через плечо».
Улучшился также и слух земноводных, хотя никто не знает, какие их окружали звуки и какие звуки они издавали сами.
Конечности
Многие современные земноводные (саламандры и тритоны) передвигаются по суше примерно так же, как и рыбы в воде (и как большинство современных пресмыкающихся). Они изгибают свое тело из стороны в сторону волнообразными движениями в горизонтальной плоскости. При этом они попеременно отталкиваются от земли своими конечностями примерно так же, как рыбы отталкиваются от воды плавниками.
При таком способе передвижения на земле одновременно покоятся только две конечности, передняя и противоположная ей задняя, что, в общем-то, нельзя назвать устойчивой позой. Для устойчивости необходимо опираться на землю третьей точкой – хвостом или брюхом. В результате создается сильное трение на всех соприкасающихся с землей поверхностях, кроме самых гладких, а передвижение замедляется, если только животное не спускается по наклонной плоскости. Эволюция решила эту проблему, изменив способ передвижения наших древних предков. Они стали опираться тремя ногами и за один раз поднимать только одну ногу. Так шагают современные саламандры и рептилии, хотя среди земноводных многие при ходьбе могут до сих пор опираться на землю только двумя конечностями.
Перемены в способе передвижения отражены в форме наших рук и ног. У самых древних позвоночных конечности отходили от тела примерно под прямым углом; впоследствии же они стали сгибаться и благодаря этому прочно опираться о землю. Мышцы конечностей окрепли, позволив образовавшимся ступням сильнее отталкиваться от земли и быстрее перемещаться вперед. Теперь нашим предкам уже не надо было полагаться исключительно на гибкость позвоночника и силу боковых мышц. Изменилось и строение конечностей. У первых наземных позвоночных участок с пальцами был, по большей части, простым продолжением конечности. Позже он стал и сам сгибаться – так появились зачатки запястья и лодыжки.
Пальцы
Примерно 360 миллионов лет на планете произошла очередная смена климата и природных условий. В результате поднятия земной коры образовались огромные болота, ставшие основой современных залежей угля, из-за чего этот период в эволюции называют каменноугольным.
К тому времени естественный отбор, по всей видимости, установил стандартное количество пальцев на ногах большинства, если не всех, земноводных. Отныне у всех последующих четвероногих позвоночных животных их будет по пять на каждой конечности, хотя позже кое-какие группы и утратят несколько пальцев. Любопытно, что у современных земноводных пять пальцев на задних ногах и только четыре на передних; неизвестно, обладал ли их предок только пятью пальцами или же они произошли от той ветви древних земноводных, у которых было более пяти пальцев, и четыре пальца на передней конечности у них развились параллельно нашим пяти.
Что мы унаследовали от наших предков-земноводных
От земноводных нам достались следующие особенности: гибкая шея, локти, колени, запястья, лодыжки и по пять пальцев на руках и ногах (что впоследствии привело к созданию десятичной системы и появлению понятия «процентов»). Тогда же мы утратили плавники, жабры и большинство чешуек.
Глава восьмая
Когда мы были пресмыкающимися
До сих пор древним земноводным для размножения требовалось возвращаться в воду. Все они начинали жизнь в виде икринок. Все изменилось с появлением яйца, внешняя мембрана которого не давала испаряться находящейся внутри воде, но при этом пропускала кислород из окружающего воздуха. Земноводным, которые откладывали яйца, уже не нужно было возвращаться в воду, и они стали первыми пресмыкающимися. Таким образом, яйцо было настоящим двигателем прогресса, своего рода космической капсулой жизнеобеспечения эмбриона, сохранявшей привычную среду обитания в чужом окружении.
У новых животных, называемых пресмыкающимися (или рептилиями, от латинского слово reptilis, что означает «ползающий»), кожа была покрыта легкими и гибкими чешуйками, состоящими в основном из кератина, в отличие от тяжелой чешуи их предков – рыб и земноводных. Кератин – это вещество, которое входит в состав наших ногтей и волос, а также перьев птиц.
Для таких перемен потребовалось немало времени, так что полностью к жизни на суше пресмыкающиеся приспособились не ранее 280 миллионов лет назад.
Развитие ящеров
Каждое сухопутное животное вынуждено решать проблему, связанную с силой тяжести. В плотной воде рыбы практически не имеют веса. Современные четвероногие животные либо опираются на землю как ящерицы, расставив согнутые ноги по бокам от тела, либо поддерживают вес своего тела на вертикально или почти вертикально вытянутых ногах, как коровы или собаки. Переход к такой вертикальной позе уже начался у некоторых самых древних рептилий, а наши предки и их дальние родственники динозавры значительно ее усовершенствовали.
В то время наши предки, по всей видимости, принадлежали к группе пресмыкающихся с большими кожаными «парусами» на спине. По-научному эта группа ящеров называется «пеликозавры» (от греческих слов, обозначающих «чаша» и «ящерица»).
Диметродон – пеликозавр, длина тела 3 м.
Некоторые биологи предполагают, что паруса служили своего рода солнечными панелями, позволявшими этим хладнокровным животным получать максимум тепла (но такие паруса имелись не у всех пеликозавров; некоторые более поздние виды прекрасно обходились без них). Пеликозавры были крупными пресмыкающимися (некоторые достигали 3 м в длину) и в свое время господствовали на суше, хотя большинство из них, по всей видимости, питалось рыбами и земноводными, а это значит, что они обитали близ водоемов.
Почти все пеликозавры вымерли 240 миллионов лет назад, за исключением одной группы, которая изменилась настолько, что получила свое собственное научное название – «терапсиды» (от греческих слов, обозначающих «зверь» и «арка»). Мы произошли как раз от этих терапсид.
Конечности и позвоночник
В процессе развития терапсидов значительно изменились позвоночник с ребрами, а также конечности, то есть наши будущие руки и ноги. У терапсидов, по сравнению с их предками, конечности были уже не так широко расставлены в стороны. По сравнению с пеликозаврами они меньше времени проводили у водоемов, но гораздо больше передвигались по земле, поэтому в строении их тела произошел ряд серьезных изменений. Прежде всего это касается утраты некоторых частей скелета, мешавших быстрой ходьбе. Рептилии унаследовали от земноводных способ передвижения, при котором позвоночник изгибается из стороны в сторону; большинство их позвонков между передними и задними конечностями до сих пор имеют ребра. По мере того как задние конечности становились все сильнее и играли более активную роль при ходьбе, ребра в этой части тела начинали сталкиваться между собой, мешая животным изгибать позвоночник из стороны в сторону. Естественный отбор привел к тому, что ребра в этой части позвоночника исчезли. Так образовались отличающиеся друг от друга поясничный отдел у задних ног и грудная клетка у передних ног. Вот почему у нас сейчас нет ребер в нижней части туловища, то есть в районе живота.
Второе изменение произошло после того, как конечности терапсид, которые стали более хорошими ходоками, приняли положение под телом. Животное, тело которого опирается о землю, не может быстро передвигаться; кроме того, когда конечности расставлены в стороны, для удержания веса тела требуется достаточно сильно напрягать мышцы. Попробуйте сами провести следующий эксперимент. Лягте лицом вниз и попробуйте поднять тело, отжавшись руками. Легче это сделать, опираясь ладонями о пол совсем рядом с плечами. Чем дальше вы будете расставлять руки, тем сложнее вам будет отжиматься. Животное, ноги которого расположены вертикально под телом, опирается на них как на колонны, а мышцы ног использует только для движений и для смены положения при сохранении равновесия. Мы можем очень долго стоять по стойке «смирно», но быстро устаем в положении с полусогнутыми ногами.
