Чешуя и эпидермис

У примитивных животных, как у одноклеточных, так и у многоклеточных, внешняя поверхность контактирует с окружающей средой, и именно на внешней поверхности происходит большая часть взаимодействий с окружающей средой. Однако по мере того, как животные становились сложнее, все больше и больше таких взаимодействий осуществлялось на внутренней поверхности. Возник пищеварительный тракт и был помещен вовнутрь. Система органов дыхания и система выделения эволюционировали как внутренние органы. Лишь очень небольшая часть внешней поверхности стала иметь отношение к потреблению пищи и воздуха, а также к избавлению от отходов. Внешняя поверхность, за исключением незначительных областей, могла поэтому сохраниться для пассивной защиты.

Многие типы животных обзавелись разнообразными панцирями (оболочками), которые служили такой защитой. Эти оболочки, тем не менее, добавляли вес и снижали чувствительность животного к стимулам внешнего мира, а также ограничивали его подвижность. Хордовые, с их внутренним остовом, могли позволить себе оставаться без панциря, и риск, вытекающий отсюда, должен был компенсироваться улучшением оперативности. Даже при этом победа беспанцирных не была быстрой. Среди беспозвоночных хордовых оболочечные обзавелись «туникой», выполняющей функцию панциря. Что же касается позвоночных, первые два класса подкрепляли свой внутренний скелет также и внешним скелетом. Фактически, как я объяснял в первой главе, кости сначала развивались не как внутренний скелет (который оставался хрящевидным миллионы лет), а как внешний панцирь. Даже у человека ключица и кости черепа унаследовали признаки этого наружного панциря, втянутого теперь внутрь и покрытого кожей.

Панцирные морские позвоночные уступили место более быстрым акулам и костным рыбам, которые избавились от панциря и вместо него полагались на скорость и маневренность, достичь которую можно было за счет снижения массы. (Но даже у классов, появившихся позднее, тенденция вернуться к защищающей безопасности панциря оставалась. Среди животных, живущих по сей день, примерами могут служить черепахи у рептилий и броненосец у млекопитающих. Этот маневр оказался не слишком удачным с эстетической точки зрения, но все же черепахи и броненосцы выжили, поэтому мы не можем считать его совсем неудачным.)

Утрата костяного панциря не означала, что рыбы остались совершенно обнаженными и незащищенными. Взамен костей появились легкие, искусно перекрывающие друг друга чешуйки – твердые и эластичные. У наземных позвоночных образовалась несколько видоизмененная чешуя, более поверхностного типа, обладающая способностью легко сниматься и заменяться новым, находящимся внизу слоем. Лучше всего умеют это делать рептилии – и способность змеи периодически менять свой чешуйчатый покров хорошо известна. Чешуя рептилий в адаптированном виде сохранилась у теплокровных предков рептилий, птиц и млекопитающих. Их можно, к примеру, обнаружить на птичьих лапках (при ближайшей возможности рассмотрите лапки цыпленка) и на крысиных хвостах. Даже у человека ногти на руках и ногах – это разновидность чешуи рептилий.

Однако птицы и млекопитающие являются теплокровными, и для предотвращения избыточного выделения тепла во внешний мир им необходима изоляция. Чешуя не может служить достаточно хорошим изолятором, если только она не настолько рыхлая, чтобы можно было поймать слой неподвижного воздуха рядом с телом. У птиц такая рыхлая чешуя видоизменилась и превратилась в перья, а у млекопитающих преобразовалась в волосяной покров.

Из этих двух видов перья более эффективны в качестве изолятора. К тому же они выполняют и другие дополнительные функции. Большие (маховые) перья крыльев дают возможность полета, а большие (рулевые) перья хвоста служат балансирующим устройством. Связь между перьями и полетом, кажется, вытекает из того факта, что нет ни одной летающей птицы без полного комплекта перьев, даже в теплом климате (за небольшим исключением – к примеру, у грифов голова без перьев). Даже нелетающие птицы сохранили перья, хотя в некоторых случаях от них мало что осталось, кроме центрального стержня. Волосяной покров в основном не имеет других функций, кроме функции предотвращения теплопотери (лишь у некоторых животных он выполняет несколько иные функции), поэтому в тропиках нередки животные с небольшим волосяным покровом. У слонов и бегемотов волосяной покров, например, состоит из небольшой щетины. Киты, которые в качестве изолятора используют ворвань, полностью лишены волосяного покрова, хотя у эмбрионов появляются несколько щетинок. Под чешуей, перьями или мехом находится мягкая и чувствительная кожа позвоночных, которая до сих пор служит им защитой. Микроорганизмы и инородные тела не могут проникнуть через неповрежденную кожу, и она может выдержать удары дождя, ветра, жару и холод, в то время как внутренние органы не обладают такой способностью.

Характерным белком кожи и кожных покровов является роговое вещество кератин (от греческого слова «рог»). Кератин – это необыкновенно плотный белок, нерастворимый, неперевариваемый и относительно невосприимчивый к повреждениям, вызываемым изменениями в окружающей среде. Плотность белкового компонента отразилась и на самой коже.

Кожа подразделяется на две основные области. Внутри, под видимым слоем, находится дерма (по-гречески «кожа»), или собственно кожа. Это живая ткань, богатая нервными окончаниями, кровеносными сосудами и различными железами. Под ней располагается слой соединительной ткани, содержащей подкожный жир. Над дермой находится часть кожи, которую мы фактически видим и которая противостоит внешнему миру, – это эпидермис (что по-гречески означает «над кожей»), мертвый слой. Клетки у основания эпидермиса живые и постоянно растут и размножаются, так что клетка за клеткой выталкиваются вверх и прочь из кровоснабжения дермы. Без кровоснабжения клетка умирает, и большая часть ее, кроме инертного кератина, атрофируется. Превратности существования постоянно стирают некоторую часть этого отмершего материала с поверхности нашего тела, но она постоянно заменяется снизу, и мы сохраняем наш эпидермис новым.

Этот процесс происходит довольно быстро. Обнаружено, что эпидермис подушечек крысиных лап полностью заменяется через три недели, и те же области человеческого эпидермиса, наиболее подверженные трению, в равной степени обновляемы. Тот факт, что эпидермис постоянно растет, означает, что эту область мы можем восстановить или регенерировать, если какая-то часть ее разрушена. Сама дерма не так легко восстанавливается после разрушения. Разрыв, несомненно, заживает, но только в виде мостика соединительной ткани. Особая структура этого участка дермы утрачена, и бесформенный участок заменившей его соединительной ткани образует рубец (от греческого слова «очаг», поскольку ожоги частая причина образования шрамов и рубцов).

Чешуя рептилий, птичьи перья, волосяной покров млекопитающих эпидермального происхождения и подобно самому эпидермису постоянно сбрасываются и заменяются. Рыбья чешуя кожного происхождения, и ее потеря – более серьезный вопрос.

Поверхность дермы шершавая и имеет похожие на язычки отростки. Эпидермис по большей части заполняет пространства между отростками и образует ровную поверхность. На ладонях рук и подошвах ног, однако, эпидермис поднимается и опускается, облегая отростки так, что здесь можно обнаружить небольшие параллельные линии, проходящие мягкими кривыми. На шаровидных косточках большинства дистальных суставов пальцев линии складываются в изгибы и завитки. Цель этих крошечных рубчиков придать поверхности большее сцепление – ноге с землей при ходьбе, руке с каким-либо предметом. Они служат той же цели, что и протектор автомобильных шин. Рисунок рубчиков на ладонях и подошвах строго индивидуален; если два отпечатка пальца оказываются идентичными во всех отношениях, вполне можно допустить, что оба отпечатка оставил один человек. Железы, которые особенно многочисленны на ладонях, выделяют крошечные капельки пота и жира. Влажная пленка, появляющаяся таким образом, еще больше способствует улучшению хватательной способности рук и ног.

Мягкость и чувствительность кожи нельзя отнести на счет эпидермиса, который сам по себе мертв и нечувствителен. Эпидермис настолько тонок, что нервные окончания в дерме расположены достаточно близко к поверхности, чтобы обеспечить чувствительность. Там, где участки кожи хронически подвергаются трению, эпидермис в ответ утолщается. Образуются мозоли. Так, подошвы ног обычно мозолистые у тех, кто имеет привычку ходить босиком, а ладони рук покрыты мозолями у неквалифицированных рабочих. В дни, когда труд был в большинстве своем ручным (немеханизированным), мягкие руки служили признаком аристократии, и один из излюбленных приемов Шерлока Холмса состоял в том, чтобы определить профессиональный род занятий кого-либо по типу мозолей на руках. Синеватые вены просвечивали через мягкую, лишенную мозолей и загара кожу ладоней и рук тех, кто не работал, поэтому аристократов называли людьми «голубых кровей».

Нечувствительность эпидермиса в местах мозолей вполне очевидна, поскольку кожа там заметно жестче и менее эластична, а также относительно нечувствительна. Ощущение такое, будто живая и чувствительная дерма сменила свои изначально тонкие латексные перчатки на пару, сделанную из кожи. Иногда область избыточного раздражения или давления, к примеру вызванная ботинками не по ноге, может вызвать анормальное эпидермальное затвердение на пальце ноги. Это омозолелость, или мозоль, и она может быть довольно болезненной.

Слова «омозолелость» и «ороговелость» несколько схожи, и в действительности и то и другое похоже по химической структуре. Рога различных животных, включая оленьи, – это кератинизированная, то есть ороговевшая (кератин – роговое вещество) и затвердевшая разновидность эпидермиса. Таковыми являются и копыта разнообразных травоядных, и когти различных плотоядных животных. Мы сами имеем такие же роговые наросты в виде ногтей рук и ног, которые аналогичны когтям и копытам. Наши ногти теперь не столь полезны нам в качестве оружия нападения или защиты (хотя известно, что женщины умеют пользоваться ими с вызывающим опасение эффектом). Тем не менее они ужесточают кончики пальцев на руках, и, если дать им отрасти, получаются тонкие, твердые поверхности, которые могут быть использованы для таких деликатных задач, как собирание иголок или булавок, а также проникновение в узкие щели для извлечения оттуда мелких предметов.

Кожа защищает не только от механических толчков, ударов и царапин, но также и от воздействия различных форм энергии, например солнечного света. Большинство животных защищены от солнечного света толщей воды (если это морские животные) или препятствующим слоем мертвого вещества (если это наземные существа). Чешуя, шерсть и перья эффективно впитывают энергетические лучи солнца без всякого вреда для себя, и даже лягушка безо всякого кожного покрова, по крайней мере, покрыта толстой оболочкой слизи.

Человек необычен тем, что его сухая, обнаженная кожа подвергается воздействию солнца, имея в качестве защиты лишь относительно тонкий слой эпидермиса. Для ультрафиолетовых лучей солнца эпидермис людей со светлой кожей совершенно прозрачен, с тем же успехом его могло бы и не быть.

Ультрафиолетовое излучение достаточно энергетично, чтобы вызывать химические изменения внутри клетки. Некоторые из них благотворны. К примеру, дерма содержит определенную разновидность стирола (что по-гречески означает «твердый спирт» и является адекватным описанием его химической природы), который сам по себе представляет для организма не слишком большую ценность, но под влиянием ультрафиолетового излучения подвергается небольшим изменениям, превращающим его в форму витамина D. Вот почему рекламодатели называют витамин D «солнечным витамином». Его нет в солнечном свете, но он может вырабатываться в коже под действием солнечных лучей.

Витамин D необходим для надлежащего формирования костной ткани, и, поскольку присутствует в очень немногих продуктах питания, до XX века постоянно существовала опасность неправильного формирования костей у детей, рожденных в начале северной зимы. Солнце было почти единственным средством получения этого витамина. Принимая во внимание, что человек изначально эволюционировал как тропическое животное, его зависимость от солнца была надежной.

Однако, когда человек мигрировал на север, он достиг областей, где солнце находилось на небе всего несколько дней на протяжении большей части года (и к тому же довольно низко на небе, так что основная часть ультрафиолета поглощалась атмосферой). Витамин образовывался в недостаточном количестве, и результатом был рахит. Когда открыли витамины и поняли причину возникновения рахита, масло из печени рыб (особенно из печени трески), богатое витамином D, стало излюбленным напитком молодого поколения. Современные витаминные препараты столь же эффективны и, к счастью, гораздо меньше пахнут рыбой. Кроме того, пища, такая, как молоко и хлеб, может подвергаться специальной обработке, вследствие которой содержать соединения с активностью витамина D.

Однако пример образования витамина D как благотворный результат облучения ультрафиолетом – скорее исключение, чем правило. Другие химические реакции, вызываемые энергетическим воздействием ультрафиолетового излучения, губительны, и кожа может ответить воспалением, называемым загаром. Такое состояние во всех отношениях не что иное, как ожог, и, как известно тем, кто испытал его на себе, может быть неприятным и болезненным.

Кроме того, солнечный ультрафиолет, подобно радиационному облучению, может вызывать рак. Ультрафиолетовое излучение ни в коей мере не столь опасно, как более сильное облучение рентгеновского аппарата и радиоактивных веществ, но постоянное нахождение под лучами солнца повышает шанс получить рак кожи. В качестве защиты от раздражающего воздействия ультрафиолетового облучения человеческая кожа обладает способностью образовывать темно-коричневый пигмент, называемый меланин (по-гречески «черный»). Он может поглощать ультрафиолетовый свет без вреда для себя и таким образом действует в качестве защитного прикрытия для участков, находящихся ниже. У жителей тропических областей, где солнце наиболее активно, обладание значительным количеством меланина в коже наиболее ценно, и именно у них в процессе эволюции количество этого пигмента повышалось из поколения в поколение. Следовательно, количество меланина отвечает за темный цвет кожи тропических народов, таких, как негры Африки, дравиды Индии, аборигены Австралии, папуасы Меланезии и индейцы тропической Америки. Даже среди европейцев наблюдается тенденция увеличения смуглости кожи по мере продвижения на юг.

Бледная кожа народов Северной Европы также была вызвана гнетом эволюции. Там, где солнечный свет слабый, наличие меланина не столь важно. Вместо этого лучше поддерживать эпидермис прозрачным так, чтобы как можно больше слабого солнечного света достигало дермы и произвело необходимый витамин D. В условиях низкого содержания меланина кожа бледная или белая, но дает возможность красному цвету кровеносных сосудов дермы слегка просвечивать через нее, это свойство мы называем свежий цвет лица.

Образование меланина стимулируется солнечным облучением. Это наиболее очевидно у людей, которые по количеству меланина занимают золотую середину, – тех, что имеют достаточно мало меланина, чтобы быть явно белокожими, по достаточно много, чтобы быть брюнетом. Нахождение под лучами солнца вызывает потемнение кожи, называемое загар.

Когда люди имеют очень светлую кожу, они, возможно, не только имеют недостаток меланина, но и не могут образовывать его в большом количестве. Поскольку цветом волос и глаз мы тоже обязаны меланину, люди с особенно светлой кожей, весьма вероятно, имеют светлые волосы и голубые глаза и в большинстве случаев не загорают, а «сгорают» на солнце. У некоторых светлокожих людей, когда они подвергаются воздействию солнечных лучей, меланин образуется в определенных местах. Это наиболее свойственно людям, светлые волосы которых содержат рыжеватый пигмент, обычно заглушённый, если также присутствует много меланина. Именно у этих рыжих образуются пигментные пятнышки, которые мы называем веснушками.

Даже у самых светлокожих и светловолосых людей по сравнению со среднестатистическими может образовываться достаточно меланина, чтобы окрасить их глаза в светло-голубой цвет. Однако время от времени рождаются такие люди, которые из-за специфической ошибки в химическом составе их организма вообще не способны образовывать меланин. Кожа и волосы у них белого цвета, а глаза – красные, так как из-за отсутствия пигмента крошечные кровеносные сосуды видны в радужке глаз. Такой человек – альбинос (от латинского слова «белый»). Альбиносы встречаются у любых народов, следовательно, бывают и негры-альбиносы.

У животных также встречаются альбиносы. Знакомыми примерами тому являются белые крысы и белые кролики. Белый слои, столь почитаемый в Таиланде, тоже альбинос, мы можем даже встретиться с явным противоречием в определениях: скажем, белый черный дрозд.

Меланин – не единственный кожный пигмент. В коже встречается также и желтый пигмент, называемый каротином. Это вещество весьма распространено в растительном и животном мире (действительно, английское слово «carrot» – морковь, в которой много каротина, возможно, произошло от названия этого пигмента) и имеет отношение к витамину А (каротин – это провитамин А). Обычно он заглушён более сильно окрашенным меланином, но есть группы народов, особенно в Восточной Азии, кожа которых богата каротином, но не изобилует меланином, в результате чего приобретает явственно желтоватый оттенок.