Текст книги "Странности нашей эволюции"
Автор книги: Кит Харрисон
сообщить о нарушении
Текущая страница: 5 (всего у книги 12 страниц) [доступный отрывок для чтения: 5 страниц]
Локти и колени
У наших предков терапсид смена положения конечностей сопровождалась их разворотом в противоположных направлениях: так плечевые кости расположились вдоль тела назад, а бедренные – вдоль тела вперед.
В результате этого разворота суставы передних и задних конечностей стали сгибаться в противоположных направлениях. Вот почему наши локти и колени сейчас сгибаются в разные стороны, как и суставы конечностей всех млекопитающих, а также других потомков пресмыкающихся и птиц. Правда, при взгляде на задние конечности птиц и таких двуногих динозавров, как тиранозавр, может создаться впечатление, что их «колени» направлены назад и сгибаются совсем в другую сторону. Такое же впечатление создается и при взгляде на задние конечности многих млекопитающих (кошек, собак, лошадей). На самом деле это не так, но почему это не так, мы узнаем позднее.
Примерно 240 миллионов лет назад появилась новая группа терапсид, называемая учеными цинодонтами (в переводе с греческого «собачьи зубы»). Некоторые из них были травоядными, но большинство – хищными, поэтому их зубы и были похожи на зубы собак. На протяжении последующих 10 миллионов лет они оставались самыми распространенными наземными хищниками. Их конечности располагались прямо под телом. Есть свидетельства, что эти животные постепенно становились теплокровными. Другим рептилиям, как и всем позвоночным до них, для повышения скорости обмена веществ приходилось полагаться на солнечное тепло. Цинодонты обладали и лучшим слухом по сравнению с другими животными того времени, потому что у них появилась барабанная перепонка. Изначально размером они были с крупную собаку, но впоследствии многие виды уменьшились и в длину не превышали 25 см.
В ту эпоху терапсиды были доминирующей группой животных, по развитию обогнавших других пресмыкающихся и выживших земноводных. Но примерно 210 миллионов лет назад их время закончилось, они почти вымерли. Последние особи вымерли 60 миллионов лет назад, но перед этим они успели дать начало новой ветви животных, небольших по размерам и похожих на современных грызунов. Это и были первые млекопитающие. Со временем их потомкам, принадлежащим к виду Homo sapiens,предстояло вновь покорить планету, но пока что доминирующими животными на Земле стали представители другой ветви пресмыкающихся. Так начался юрский период, время безусловного господства динозавров.
Что мы унаследовали от наших предков-пресмыкающихся
От некоторых видов пресмыкающихся нам достались следующие особенности: водонепроницаемая кожа без чешуи; поясничный отдел позвоночника без ребер; сгибающиеся в разные стороны локти и колени; барабанная перепонка и зачатки функции теплокровности. Примерно в то же время у этих животных исчезла необходимость возвращаться в воду для размножения.
Глава девятая
Млекопитающие
Наши млекопитающие предки жили бок о бок с динозаврами 150 миллионов лет, прячась от этих «ужасных ящеров». И лишь когда примерно 65 миллионов лет большинство динозавров вымерло, млекопитающие вышли из своих убежищ и начали заполнять освободившиеся ниши. Вскоре они обрели самые разнообразные формы и освоили почти все уголки суши по всему миру.
Одни из главных признаков млекопитающих – это волосяной покров и молочные железы, по которым они и названы млекопитающими. В настоящее время существуют три группы млекопитающих: однопроходные, сумчатые и плацентарные. Наименее распространенные среди них – однопроходные (названные так потому, что их кишечник и мочеполовая система заканчиваются общим отверстием). Единственные дожившие до наших дней представители этой группы – утконос и два вида ехидны, обитающие в Австралии и на островах Австралазии. Однопроходные откладывают яйца, но кормят своих детенышей молоком.
Сумчатые млекопитающие рождаются не до конца развитыми и поэтому какое-то время обитают в сумке матери. При этом мать кормит детенышей молоком из молочных желез.
У плацентарных млекопитающих, к которым принадлежим и мы, детеныш вплоть до поздних стадий развивается внутри тела матери и получает питательные вещества через особый орган, плаценту.
Ни одну из этих групп животных нельзя назвать «более совершенной» или «более развитой» по сравнению с другими; каждый способ рождения детенышей представляет собой итог естественного отбора, хотя первые млекопитающие, по всей видимости, откладывали яйца с мягкой скорлупой, как это делают однопроходные и как это делали их предки-пресмыкающиеся.
Большинство пресмыкающихся прекратили откладывать яйца и стали вынашивать детенышей внутри своего тела, потому что у животного, свободно передвигающегося во время вынашивания плода, больше преимуществ, чем у животного, вынужденного высиживать яйца. Возможно, выживанию способствовал кочевой образ жизни большинства древних млекопитающих или способность вынашивать плод, скрываясь на ветвях деревьев, вдали от подстерегающих на земле опасностей. В любом случае, оболочка остававшегося внутри яйца исчезла, а вместо нее появились другие приспособления.
Молочные железы
Наличие молочных желез – общая особенность всех млекопитающих, как и вообще наличие желез в коже. У пресмыкающихся и птиц очень мало желез в коже, но у млекопитающих они весьма распространены и бывают разных типов. Предположительно молочные железы – это уплотнения увеличенных потовых желез, а молоко – это видоизмененный пот.
Количество молочных желез у млекопитающих широко варьирует и бывает самым разным. У человека их две, у других млекопитающих – четыре, шесть, восемь и более (у некоторых опоссумов их количество достигает двадцати). Грудные железы всегда располагаются в нижней части туловища; при этом у некоторых животных они идут вдоль всего туловища (у свиньи, собаки), но у других располагаются только между задних ног (у коровы, лошади, овцы). У человека и других приматов они находятся между передними конечностями.
Волосы
Наличие волосяного покрова свойственно всем млекопитающим, хотя его происхождение до конца не выяснено. У других потомков пресмыкающихся – птиц – сформировались перья, по поводу которых можно почти с уверенностью утверждать, что это модифицированная чешуя. У птиц сохранились и обычные чешуйки, хорошо заметные, например на ногах курицы. У некоторых млекопитающих также есть чешуйки на коже (например, на хвосте у крысы), но относительно происхождения волос от чешуи возникают сомнения.
Каково бы ни было происхождение волос, они оказались хорошим средством защиты от низких температур и от травм, а также для маскировки. В настоящее время они бывают следующей окраски: черной (например, у пантер, окраска представляет собой разновидность окраски леопардов или ягуаров); почти белой (белые медведи и другие полярные животные зимой); черно-белой (зебры, скунсы, большие панды); серой (волки) и многочисленных оттенков коричневого, среди которых встречаются более экзотические – желтая и рыжая (жирафы, тигры, пятнистые коты). Все эти расцветки зависят от одного пигмента, меланина, существующего в двух формах; одна форма дает черные и темно-коричневые, а другая желто-красные оттенки. (Между прочим, это тот же пигмент, от которого зависит цвет кожи человека.) Волосы не бывают зеленого цвета, но большинству млекопитающих все равно присуща цветовая слепота по красному и зеленому цветам. Они видят синий и желтый цвета, но не различают или с трудом различают между собой красный, зеленый, оранжевый и коричневый. Среди млекопитающих полностью цветное зрение имеется лишь у приматов. Для лисы кролик того же цвета, что и трава, как и для кролика – лиса.
Люди (по крайней мере, представители европеоидной расы) необычны в том отношении, что у них наблюдаются почти все варианты окраски внутри одного вида, хотя «белые» или «серые» волосы, как правило, бывают седыми, то есть изменившимися в результате старения; кроме того, у каждого человека цвет волос одинаков, то есть не бывает пятнистых или пегих людей. Среди других млекопитающих такое разнообразие окраски внутри одного вида наблюдается только у домашних животных, которых человек специально разводил, используя искусственный отбор.
Что касается пятнистости у диких животных, то по этому поводу были выдвинуты различные предположения. Чаще всего такая окраска объясняется необходимостью в маскировке, хотя не ясно, почему у гепардов пятнистая окраска, а у львов, живущих в той же среде, сплошная (если только не принимать во внимание тот факт, что львы, точнее львицы, охотятся стаей). Кажется также странным и то, что у пятнистых представителей семейства кошачьих рисунок пятен разный. Если пятнистость объяснялась бы прежде всего маскировкой, то в процессе эволюции возник бы один рисунок. Вполне возможно, что для животных с ограниченным цветным зрением рисунок пятен служит способом отличать «своих» от «чужих». Другие позвоночные отличают друг друга по окраске.
Конечности и позвоночник
Древние земноводные, конечности которых отходили от тела под прямым углом, могли передвигаться, только совершая своими ногами попеременные движения, подобные тем, что совершает пловец стилем «кроль». Животное отталкивается ногой от земли и переносит ее, описывая дугу в сторону от тела.
Когда у наших древних предков-млеко питающих (или у пресмыкающихся, ставших впоследствии млекопитающими) конечности стали располагаться вертикально, при ходьбе и беге их движения в виде более плоской дуги стали совершаться непосредственно под туловищем.
В результате их туловище больше не волочилось по земле, и им не нужно было совершать движения из стороны в сторону. Позвоночник уже не колебался в горизонтальной плоскости; отталкивающие движения производились исключительно ногами под туловищем. Несмотря на то что теперь основная нагрузка ложилась на ноги, их мышцы уменьшились, ведь туловище над землей поддерживали теперь не столько они, сколько кости ног. Мышцы теперь были нужны не для поддержки, а для ходьбы. Благодаря таким переменам эти животные тратили гораздо меньше энергии на быстрое перемещение, чем их предки на ползание.
Новый способ передвижения распространился почти среди всех древних млекопитающих, так что туловище большинства современных видов этого класса находится на вертикально вытянутых ногах. Некоторые пресмыкающиеся также освоили эту позу (взять хотя бы динозавров для примера), и эта черта явно заметна у их потомков, птиц. Большинство современных рептилий передвигается по-старому, но некоторые во время бега иногда приподнимаются повыше. Когда крокодилы лениво лежат у берега реки, их брюхо покоится в иле, а лапы растянуты в стороны. Но когда им нужно быстро передвигаться, они выпрямляют ноги вертикально и приподнимают туловище. Такое положение не только позволяет им не волочить брюхо по земле, но и помогает делать более широкие шаги. На суше крокодилы часто выглядят ленивыми и неповоротливыми, но постороннему наблюдателю лучше не проверять их способность к бегу.
Почему мы умеем пожимать плечами
Кости таза прочно сочленяются с нижней частью позвоночника, ведь сильные ноги при отталкивании от земли должны крепко соединяться с туловищем. Между тазом и позвоночником нет никаких промежуточных мягких тканей, поэтому ничто не гасит импульс движения ноги, отталкивание сразу же передает движение вперед позвоночнику, а за ним и всему телу. Передние конечности, в отличие от задних, не настолько важны для движения вперед; они скорее используются для смены направления, а для этого им нужна гибкость. У млекопитающих кости передних ног крепятся к грудной клетке и лопатке, но не жестко, а системой мышц и связок. Отличие легко продемонстрировать тем, что мы можем пожимать плечами, то есть эти сочленения более подвижные, чем сочленения костей таза. У четвероногих млекопитающих соединительные мышцы также служат амортизатором удара передних конечностей о землю во время бега на большой скорости. Поглощение удара уменьшает тряску черепа и глаз, которые во время бега должны зорко следить за окружающей обстановкой. Для нас в этом тоже есть преимущества. Если бы наши плечи крепились непосредственно к позвоночнику наподобие таза, то работать с пневматической дрелью или отбойным молотком было бы просто невозможно – они бы вытрясли из нас все мозги.
Но для древних млекопитающих прочное соединение таза с позвоночником обернулось одной проблемой. Когда одна задняя нога поднималась для того, чтобы сделать шаг вперед, весь таз нужно было приподнимать и наклонять при этом в противоположную ноге сторону. Между тем противоположная задней передняя нога на другом конце туловища заканчивала шаг, а соответствующая лопатка оставалась еще приподнятой. В результате во время ходьбы позвоночник постоянно скручивался вдоль всей своей длины – задняя часть в одну сторону, передняя – в другую. Это похоже на то, как выжимают мокрую тряпку во время мытья полов. Именно из-за этой необходимости скручивать позвоночник во время ходьбы мы теперь можем крутиться верхней частью туловища в разные стороны, стоя на одном месте. Без этой способности мы никогда бы не могли играть, например, в гольф. Другие позвоночные так делать не могут. Кроме того, только млекопитающие с гибким позвоночником и гибким креплением передних конечностей могут ложиться на бок (и вставать из положения лежа на боку). Пресмыкающиеся могут лежать только на своем брюхе.
После того как конечности стали крепиться под туловищем вертикально и двигаться взад и вперед, произошло еще одно изменение в строении тела. Позвоночнику уже не нужно было изгибаться из стороны в сторону, как у рыб; вместо этого он стал изгибаться вверх и вниз. Когда задняя конечность делала шаг вперед, задняя часть позвоночника изгибалась вниз, и благодаря этому передняя конечность касалась земли дальше, чем если бы позвоночник был жестким, а шаг делался только одной ногой. Так увеличилось расстояние, преодолеваемое за один шаг во время ходьбы или бега. Благодаря этой способности млекопитающих изгибать позвоночник в вертикальной плоскости, мы теперь можем нагибаться вперед и дотрагиваться до кончиков пальцев на ногах.
Позже эта способность позвоночника сказалась на развитии одной отдельной группы млекопитающих. Когда четвероногие предки дельфинов и китов «вернулись» в море и снова принялись использовать хвост для плавания, то он уже совершал колебательные движения вверх и вниз, а не из стороны в сторону, как у их предков-рыб.
Почему мы скачем на лошадях, а не на кошках
У гепарда способность изгибать позвоночник поистине достигла высот совершенства. Во время бега его спина изгибается словно лук, сначала вверх, затем вниз. Когда средняя часть позвоночника выгнута вниз, передние ноги простираются далеко вперед, увеличивая общий размах конечностей. Когда передние ноги касаются земли, спина начинает сгибаться в противоположном направлении, то есть вверх, так что вперед теперь устремляются задние ноги.
Из-за большой гибкости позвоночника задние ноги касаются земли даже перед передними. Затем мышцы задних конечностей толкают животное вперед, а мышцы спины распрямляют позвоночник, после чего он снова начинает сгибаться вниз. Эти движения похожи на движения гребца во время олимпийских соревнований: сначала он наклоняется вперед, пока его руки почти не коснутся ног, затем выпрямляет спину и отталкивается назад своими сильными ногами.
Благодаря своему гибкому позвоночнику гепард развивает большую скорость, но, к счастью для нас, не все млекопитающие придерживаются именно такого способа передвижения. Если бы спина лошади во время движения изгибалась точно так же, как у гепарда, то скакать на ней было бы все равно что ездить на катапультируемом сиденье.
Лошади и другие копытные животные во время передвижения практически сохраняют горизонтальное положение позвоночника. В отличие от гепардов, они не приспособлены к быстрым забегам на короткие дистанции; в процессе эволюции они приспособились к продолжительной скачке на открытой местности. Гепард действительно бегает быстрее всех остальных животных, развивая скорость свыше 100 километров в час, но только на очень коротком расстоянии. Лошадь же может равномерно бежать несколько часов подряд. Этому способствует ряд особенностей ее тела.
Задняя конечность человека, собаки и лошади (в разном масштабе). Видны различные способы опоры о землю: полной стопой (человек), на цыпочках (собака и кошка) и на вытянутом пальце (лошадь).
Во-первых, ноги лошади удлинились, ее стопа вытянулась, а пятка поднялась очень высоко от земли. Многие млекопитающие, подобно ей, передвигаются постоянно на пальцах, но эволюция на этом не остановилось. Пальцы лошади тоже постепенно вытягивались, пока она не стала стоять на самых кончиках, словно балерина.
Вместе с удлиненными конечностями такая поза еще больше увеличивает длину шага и уменьшает затраты энергии на передвижение. То, что нам кажется коленом задней ноги у лошади, направленным назад, на самом деле является ее постоянно приподнятой пяткой, располагающейся примерно посередине ноги. Настоящее колено у лошади находится рядом с туловищем, и оно направлено вперед, как и следовало ожидать. То, что кажется коленом на передней ноге лошади, это на самом деле запястье. Настоящий локоть, как и у нас, направлен назад; он тоже располагается высоко рядом с туловищем.
Во-вторых, конечности лошади стали легче с утратой некоторых костей. На всех четырех ногах сохранился только один средний палец, а другие остались в рудиментарном состоянии. В стопе количество костей сократилось, а две кости голени превратились в одну. Уменьшение веса играет немалую роль в скорости, ведь каждый раз, как лошадь делает шаг, особенно во время бега, ей нужно поднять ногу и передвинуть ее вперед. Чем тяжелее нога, особенно в области стопы, тем больше усилий требуется для ее перемещения. Ногу же с малым весом поднимать и перемещать легче и быстрее.
В-третьих (но по той же причине), мощные и тяжелые мышцы ног располагаются не в районе костей, движениями которых они заведуют. У нас икроножные мышцы, которые бывают очень сильно развитыми, находятся ближе к концу наших ног, и во время ходьбы нам приходится каждый раз поднимать их. У лошади же все мощные мышцы расположены в верхней части ноги, в задней части туловища или в районе плеча. Эти мышцы связаны с нижними костями ноги легкими и прочными сухожилиями. Сокращаясь, мышцы натягивают сухожилия, и те, словно веревки, тянут кости ног. В результате лошадь с тонкими и легкими ногами может без устали непрерывно скакать на протяжении долгого времени.
Иногда сухожилия помогают совершать движения непосредственно благодаря своей природной упругости, и наиболее известное среди них – так называемое ахиллово сухожилие, идущее от пяточной кости. У кенгуру оно очень длинное, и его упругость помогает животному прыгать. Высота прыжка кенгуру зависит не столько от намеренного сокращения мышц, сколько от естественного сокращения сухожилий. Так кенгуру быстро передвигается без лишней траты энергии, подобно тому как человек на батуте высоко подпрыгивает не столько благодаря своим ногам, сколько благодаря пружинам.
Скорость и утрата пальцев
Ноги современной лошади стоят на кончиках третьих пальцев. Такое строение конечностей было у их предков уже примерно 5 миллионов лет назад, после того как те покинули леса и приспособились к жизни на равнинах.
Сокращение количества пальцев у носорога, хищного динозавра аллозавра, оленя и лошади (в разном масштабе).
У многих нынешних животных, особенно у копытных млекопитающих, пальцев меньше, чем у их далеких предков. Носороги передвигаются на трех пальцах, а коровы и олени на кончиках двух, хотя они выглядят как одно копыто, расщепленное пополам (эти животные называются парнокопытными). Сокращение количества пальцев наблюдается не только у млекопитающих. Тираннозавр и его многочисленные родственники ходили на трех пальцах, а среди птиц у нелетающего страуса остались только два пальца.
У наших предков не было необходимости развивать навыки быстрого бега по открытой местности. На протяжении почти всего своего развития они обитали в лесу, на деревьях. Как следствие, у нас сохранились все пальцы на ногах и руках; мы также до сих пор ходим, полностью опираясь на ступню. Среди немногих млекопитающих эти особенности сохранились, например у медведей.
Теплокровность
Мы как представители млекопитающих принадлежим к группе теплокровных животных. Теплокровность – это способность поддерживать постоянную внутреннюю температуру тела вне зависимости от температуры окружающей среды, так что теплокровных животных было бы точнее называть «животными с постоянной температурой тела». Эта особенность присуща млекопитающим и птицам. Рыбы, земноводные и пресмыкающиеся, которых называют хладнокровными, не столько обладают «холодной» кровью, сколько лишены механизмов терморегуляции. Температура их тела зависит от температуры окружающей среды; чтобы повысить интенсивность обмена веществ, им приходится полагаться на внешние источники тепла, например на тепло солнца. Это может подтвердить любой, кто видел, как черепаха с трудом тащится по английскому саду, а затем наблюдал за тем, как те же самые черепахи довольно шустро бегают в лучах тропического солнца. В настоящее время разводить черепах в Великобритании не рекомендуется, что, несомненно, пойдет только на пользу самим черепахам.
Преимущество теплокровности заключается в том, что животное сохраняет активность вне зависимости от температуры окружающей среды. Особенно это полезно для поиска пищи в вечернее и ночное время. Возможно, млекопитающие приобрели эту особенность, когда жили бок о бок с древними пресмыкающимися и были вынуждены осваивать новые ниши, в частности ночной образ жизни, ведь ночью ящеры становились менее подвижными.
Недостаток же теплокровности заключается в том, что животное тратит много энергии на поддержание постоянной температуры тела. Следовательно, ему необходимо регулярно питаться, даже если оно не ведет активного образа жизни. Змея может есть раз в месяц, а большинство млекопитающих и птиц без еды погибают через несколько дней.
Кроме того, теплокровное животное должно поддерживать температуру тела даже во время активных физических нагрузок (когда оно, например, бегает или прыгает с ветки на ветку) или во время жары. Многие млекопитающие решили эту проблему с помощью потовых желез в коже. Эти железы выделяют жидкость, которая испаряется и тем самым понижает температуру организма. Тепло также теряется при выдыхании через рот и нос – вот почему многие млекопитающие так тяжело дышат, когда им жарко. Разные млекопитающие потеют и дышат с разной интенсивностью. У собак потовые железы расположены только на подушечках пальцев, поэтому животные высовывают длинный язык из пасти и часто дышат. При высокой температуре окружающей среды дыхание учащается и у нас, но основные излишки тепла помогают вывести потовые железы. Если тело обдувает ветер, то процесс испарения ускоряется – вот почему нам нравится обдувать себя веером во время жары. Конечно, мы также можем снять с себя лишнюю одежду, что недоступно другим млекопитающим.
