Позвоночные

В общем и целом хордовые, как они были описаны до сих пор, не слишком преуспевающий тип. Число видов, которое он объединяет, невелико, жизнь они ведут пассивную и медлительную. Однако у них имелся большой потенциал. Спинная струна – прототип внутреннего каркаса, к которому могут прикрепляться мышцы. Внутренний каркас гораздо легче и более эффективен, нежели такой внутренний каркас, как раковина. К тому же жаберные щели можно приспособить для того, чтобы извлекать из воды не только пищу, но и кислород, делая дыхание более эффективным, чем у других типов. Наконец, дорсальный нервный тяж оказался гораздо более способным к усовершенствованию и развитию на протяжении нескольких сотен миллионов лет, чем любой нервный тяж, расположенный вентралыно.

Но все это скорее потенциальные, чем реальные качества небольшой и довольно неудачливой троицы подтипов, описанных до сих пор. Однако остается четвертый подтип, который предположительно мог развиться из предков ланцетника, той самой примитивной группы, сохраняющей спинную струпу на протяжении всей жизни. Именно к этому четвертому подтипу принадлежит человек, а также большинство известных нам животных.

Произошло то, что спинная струна, сплошной несегментированный стержень, взяла на себя сегментацию остального организма. Она постепенно трансформировалась в ряд хрящевых дисков, по одному на каждый сегмент. Это не только снабдило новое существо более упругим и эластичным стержнем. Помимо этого, отдельные сегменты стали окружать дорсальный нервный тяж так, чтобы обеспечить эту ключевую часть организма надежной защитой от толчков и ударов. Полоски хрящей также выстлали жаберные щели, ужесточив их и образовав жаберные дуги.

Отдельные диски, в которые превратилась спинная струна, называются позвонки, по причинам, которые я приведу ниже. Существа с такими позвонками являются представителями всех остальных хордовых и включены в четвертый и последний из их подтипов – позвоночные. Именно этот подтип и включает в себя позвоночных животных Ламарка.

Все позвоночные имеют полый дорсальный нервный тяж, характерный для хордовых, заключенный в позвонки. Он есть и у человека, что делает его представителем и хордовых и позвоночных. Однако последние, обзаведясь позвонками, утратили спинную струну. Не придал ли им этот факт статус отдельного типа? По-видимому, это было бы возможно, если бы спинная струна действительно исчезла, но это не так. Для того чтобы относиться к хордовым, организм должен обладать спинной струной в какой-то момент его жизни, как оболочечник на стадии личинки.

Теперь позвоночное, такое, как человек, не имеет формы личинки в обычном смысле, по развивается от стадии к стадии из исходной оплодотворенной яйцеклетки. С момента оплодотворения яйцеклетки до момента рождения проходит период протяженностью около девяти месяцев. Весь период человеческое существо систематически развивается внутри материнского тела в виде эмбриона (что по-гречески означает «внутренняя опухоль»). Человеческий эмбрион изучен не столь хорошо, как эмбрионы других существ, более доступных для экспериментов и анатомирования, но основная линия развития вполне ясна. К примеру, во время третьей педели развития у человеческого эмбриона присутствует спинная струна. С течением времени ткани вокруг нее сегментируются, образуя блоки, которые поглощают и заменяют спинную струну, формируя вместо нее позвоночник. Однако коль скоро спинная струна некоторое время присутствовала, человек (как и все другие позвоночные) является законным представителем хордовых.

Подтип позвоночных подразделяется на более узкие подразделы, называемые классами, а те, в свою очередь, группируются по четыре в два подкласса. Если мы кратко опишем природу этих классов, то продолжим рассматривать эволюцию человека, в процессе которой продолжались структурные усовершенствования до тех пор, пока он не появился на земле.

Первый из двух подклассов позвоночных – это рыбы, и он включает в себя существа, которые живут в воде. Самый примитивный из четырех классов рыб должен объединять существа, похожие на ланцетника, у которых впервые образовался хрящевой позвоночник, окружающий нервный тяж. Подобно ланцетнику, они сохранили круглое ротовое отверстие без челюсти, которая может открываться и закрываться. По этой причине представителей такого класса называют бесчелюстными.

Первые бесчелюстные были безобидными существами, питающимися с помощью фильтрования воды, вроде современных ланцетников, но немногочисленные бесчелюстные, которые сохранились до сегодняшнего дня, освоили всевозможные премудрости. Наиболее известная – минога, ее круглое ротовое отверстие снабжено небольшими твердыми присосками, которыми она прикрепляется к рыбе, как вампир.

Первые бесчелюстные, существовавшие полмиллиарда лет тому назад, приобрели еще одно усовершенствование. У ряда типов, как я уже объяснял, появилась твердая внешняя защитная оболочка, и бесчелюстные развивались в этом же направлении. Одна группа существ обзавелась панцирем на голове и передней части туловища и поэтому была названа ostracoderms (что по-гречески означает «панцирная кожа»), или панцирные.

Однако эти панцири бесчелюстных не были еще одной разновидностью раковин, и здесь мы сталкиваемся с жизненно важной новой отправной точкой. Вместо того чтобы состоять из углекислого кальция, как раковины моллюсков, они состоят из фосфорнокислого кальция. Структуры из фосфата кальция, производимые панцирными, называются костью, и это вещество уникально для позвоночных. Оно не обнаружено ни у каких других живых существ. Преимущество кости перед раковинами из других материалов состоит в ее необычной твердости. Отрезок кости с поперечным сечением один квадратный дюйм обладает предельной прочностью на разрыв почти 6 тонн, именно такая сила потребуется, чтобы сломать ее пополам.

Следующим шагом, поскольку позвоночные были уже достаточно эффективно защищены, стало обретение оснащения для возможной агрессии. Первые жаберные дуги, те, что располагались ближе всего к круговому отверстию, служившему бесчелюстным ртом, постепенно раздвоились и стали примитивной челюстью. Такого изменения оказалось достаточно, чтобы иметь основание поместить существа с новообразованной челюстью в отдельный класс. Поскольку они сохранили костную переднюю раковину панцирных, этот новый класс называется placodermi (по-гречески «пластинчатая кожа»), или пластинчатые. С развитием зубов они обрели возможность хватать пищу, разрывать ее на куски и проглатывать. Жаберные щели утратили связанные с пищей свойства и начали приспосабливаться только для дыхания.

К нашему времени пластинчатые вымерли, и теперь это единственный класс позвоночных, не имеющий живых представителей. Но в свое время они были весьма жизнеспособными и положили начало новым классам рыб, которые пришли им на смену. Представители этих новых классов в целом отказались от внешнего панциря и полагались скорее на маневренность и скорость, чем на пассивную защиту. В процессе эволюции это зачастую неплохой ход. Панцирные также вымерли, но некоторые из множества лишившихся брони бесчелюстных – всего несколько видов – все еще существуют и сегодня.

Из пластинчатых развились оставшиеся два класса рыб. Оба класса отказались от внешней брони, как таковой. Некоторые их представители исчезли совсем, а оставшиеся покрылись кожей так, что она стала внутренней защитой, окружив переднюю часть нервного тяжа, который разросся и превратился в примитивный мозг.

У этих двух классов развились подвижные парные плавники. Бесчелюстные и пластинчатые и прежде имели плавники (иногда даже значительное их количество), расположенные вдоль средней линии тела. Они служили органами равновесия, поддерживая их и не давая перевернуться брюхом вверх при плавании. Постепенно плавники приобрели жесткость с помощью хрящевых плавниковых лучей.

Эти плавники у новых классов превратились в два парных плавника, расположенные по обе стороны средней линии тела, одна пара сразу за головой, а другая – перед хвостом. Их ужесточали не только хрящевые плавниковые лучи, но и внутренние жесткие тяжи, спускающиеся от позвонков. К этим опорам прикреплялись мышцы, которые могли управлять движениями плавников, и превратили их из пассивного приспособления для балансировки в весла, которые помогали при быстрых разворотах и всевозможных маневрах, требующих скорости. Позвонки приобрели изогнутые отростки, которые сделали более жесткими бока существа. Таким образом то, что началось с простого тяжа спинной струны, превратилось в сложную систему, включающую в себя суставной позвоночный столб с черепом, защищающим мозг, набором ребер, защищающим внутренние органы, и плавниками вместо конечностей.

Два новых класса имели одно важное отличие – отношение к костям. Один класс регрессировал, совершенно отказавшись от костей и образовав остов, целиком и полностью состоящий из хрящей. Это класс chondrichthyes (что по-гречески означает «хрящевые рыбы»), представленный сегодня разнообразными акулами. Второй класс, который состоял из оставшихся рыб, сохранил кости, переместив их внутрь. У них хрящи позвоночного столба с отростками превратились в кости. Это класс osteichthyes (что по-гречески значит «костные рыбы»), и именно к этому классу принадлежат все знакомые нам сегодня рыбы.

Костные рыбы широко распространились в девонский период (названный так по названию области в Южной Англии, где впервые были найдены и изучены горные породы того периода), существовавший около 400 миллионов лет назад. Потребовалось 100 миллионов лет эволюции хорды, чтобы достичь этого, но тип в конечном итоге оставил свой след. Костные рыбы доминируют в океане и образовали большое число видов. По этой причине этот период иногда называется «расцветом рыб». Что же касается океана, в действительности век «расцвета рыб» так и не закончился, поскольку костные рыбы и сейчас преобладают в океане.

Большая часть многообразных костных рыб сохранили свои парные плавники в форме тонких оборок тканей, поддерживаемых плавниковыми лучами. Костные опоры были небольшими и сильными, настолько, насколько это необходимо для маневрирования плавниками как веслами. Человек произошел не от этих рыб, которым повезло больше всего, а от бедных родственников этих рыб с плавниковыми лучами.

У этих бедных родственников мясистая часть плавника вместе с костями и мышцами развилась до такой степени, что каждый из четырех плавников, казалось, образовывал похожее на обрубки продолжение тела, с тонким выступом каймы, поддерживаемой лучами. Это рыбы с дольчатыми плавниками или crosspterygii (что по-гречески означает «бахромчатые плавники»).

Рыбы с дольчатыми плавниками пожертвовали проворностью плавания в угоду такому строению плавников и были гораздо менее удачливыми, чем другие группы костных рыб. Считалось, что они вымерли около 70 миллионов лет назад, но в 1939 году в водах Южной Африки была поймана сетью живая рыба с дольчатыми плавниками, а после Второй мировой войны еще несколько представителей таких рыб. Это означает, что незначительному числу представителей этих рыб удалось преодолеть многие века. Однако рыбы с дольчатыми плавниками добились преимущества в мелких, болотных водах, где их похожие на обрубки плавники, плохо пригодные для плавания, оказались вполне подходящими опорами. Они при необходимости могли перебираться из высыхающего водоема в более глубокий.

Совершенствовались конечности и другие приспособления, включая легкие и сердце, приобретая формы жизни, которые впервые были способны пребывать на суше достаточно продолжительное время, а в конечном счете – и постоянно. Таким образом, хотя одни потомки рыб с дольчатыми плавниками исчезли (во всяком случае, в значительной степени из воды), другие их потомки благополучно заселили сушу и положили начало второму подклассу позвоночных, подклассу, к которому принадлежит человек.

Представители этого второго подкласса не могли больше полагаться на способность держаться на воде, которая помогала им перемещаться в пространстве. Им приходилось бороться с силой гравитации, поэтому конечности стали больше и сильнее, по большей части их сохранилось всего четыре, хотя иные представители подкласса, такие, как некоторые нелетающие птицы, ограничились всего двумя функциональными конечностями, а змеи вообще избавились от них. Тем не менее это исключения. Ми одно наземное позвоночное при этом так и не обзавелось пятой конечностью, по этой причине весь подкласс называется четвероногие. Мы пользуемся почти тем же самым, но латинским термином «quadrupeds», когда говорим о животных, с которыми наиболее близко знакомы, что тоже значит «четвероногое».

Четвероногие подразделяются на четыре класса, первый из которых образовался из рыб с дольчатыми плавниками около 300 миллионов лет назад. Он включает в себя существа, которые еще не могут обходиться полностью без воды. Они откладывают в воду яйца, и личиночные формы, которые вылупляются, довольно сильно походят на рыбу с плавниковыми хвостами и жабрами. В конце концов эти личинки подвергаются радикальным изменениям, заменяют жабры легкими, а хвост – лапками. Всю свою взрослую жизнь они проводят на земле, хотя и рядом с водой. Поскольку их жизнь проходит как в воде, так и на суше, они представляют собой амфибий (что по-гречески означает «двойная жизнь»). Лягушки, ящерицы и саламандры – наиболее известные из существующих сегодня амфибий.

В конечном счете потомки амфибий стали откладывать яйца на суше, и таким образом освободились от воды. Они составили второй класс четвероногих – класс рептилий (название происходит от латинского «ползать», на том основании, что наиболее известные из современных рептилий – змеи – передвигаются именно таким образом). Амфибии и рептилии, хотя и знавали времена, когда их представители были доминирующими формами жизни на земле, сегодня переживают не лучшие времена. Их вытеснили определенные потомки рептилий, которые достигли новых высот.

Рептилии и амфибии, вместе со всеми представителями подкласса рыб и всех типов вне хордовых, являются хладнокровными – их внутренняя температура имеет тенденцию становиться равной температуре окружающей их внешней среды. Однако около 150 миллионов лет назад от рептилий произошло два развивавшихся независимо друг от друга класса животных, которые обладали способностью быть теплокровными, то есть поддерживать внутреннюю температуру более высокой, чем температура внешнего окружения. Это стало явлением новым, уникальным и дающим преимущества, которых я еще коснусь в этой книге.

Первыми из этих возникших классов были млекопитающие, названные так потому, что представители этого класса обладают органами, выделяющими молоко для кормления детенышей. Четвертым и последним классом стал класс птиц. Простейший способ различить эти два класса теплокровных состоит в способе изоляции их тел от избыточной потери тепла. Для этой цели птицы используют перья, а млекопитающие – волосяной покров.

Того факта, что человек обладает волосяным покровом, вполне достаточно, чтобы отнести его к млекопитающим. Кроме того, он обладает рядом других признаков, характерных для млекопитающих.

Четвероногие после амфибий лишились жаберных щелей и таким образом утратили один из трех характерных признаков типа хордовых, но утратили не окончательно, что становится ясно, если мы обратим внимание на развитие эмбриона. У человеческого эмбриона, к примеру, существует период в четвертую неделю развития, когда в горле появляются жесткие конструкции, напоминающие жаберные дуги. Между ними даже появляются пустоты, как будто горло будет перфорировано, и образуются жаберные щели. На самом деле эти жаберные карманы так и не прорежутся, тем не менее этого достаточно, чтобы придать нам признак хордовых вместе со спинной струной, которую мы имеем в какой-то момент эмбрионального развития, и с полым дорсальным нервным тяжом, которым мы обладаем на протяжении всей своей жизни.

Я подробнее расскажу о развитии различных классов четвероногих ближе к концу книги и рассмотрю вопрос о том, к какой группе млекопитающих принадлежит человек. А пока довольно того, что мы определили человека как млекопитающее и показали его место в природе.