[Из песочницы] Эволюция животных как серия технологических прорывов
В школьные годы изучение различных классов животных воспринималось как тяжкая повинность. То немногое, что было вызубрено в школе, благополучно забылось, и до недавнего времени я вряд ли мог бы причислить улитку или пиявку к тому или иному классу — как, вероятно, и большинство завсегдатаев Хабра и ГТ. Да и зачем вообще это помнить?
Но вот недавно попалась в руки книга Николая Александровича Бернштейна, написанная в 40-е годы XX века и изданная только в конце прошлого столетия. Название книги — «О ловкости и её развитии». Книга полна всевозможных открытий, и я рекомендую прочесть ее всем и каждому.
А в этой небольшой заметке попробую вкратце изложить взгляд автора книги на то, как эволюция животного мира стала результатом целой серии ключевых «технологических прорывов», нацеленных на развитие движений. Очень надеюсь, что этот реферат поможет привлечь внимание к научному наследию блестящего физиолога Н.А. Берштейна.
Итак, начнем все же с классификации животных. Бернштейн делит их на 7 основных классов:
- Простейшие — одноклеточные, микроскопически малые животные.
- Кишечнополостные (например, коралловые полипы, голотурии, губки, морские лилии).
- Иглокожие (например, морская звезда).
- Черви (например, дождевой червь, пиявка, ленточная глиста).
- Мягкотелые, или моллюски (например, улитка, каракатица, устрица).
- Членистоногие (насекомые, раки, пауки, сороконожки).
- Позвоночные (рыбы, лягушки, ящерицы, птицы, звери).
Считается, что простейшие (класс 1) были первыми представителями животного мира, и в далекие времена населяли теплый бульон мирового океана, в котором были растворены многочисленные химические элементы и соединения. Их организмы состояли всего из одной клетки, которая сама пробивала себе дорогу в жизнь, шевеля своими жгутиками или ложноножками и работая «за одну» в отношении и питания, и движения, и самосохранения, и размножения.
Первый апргрейд: дифференциация клеток и химический интерфейс
Следующим шагом в развитии животных стало появление многоклеточных организмов. Группа клеток уже способна «окружить» добычу и совместными усилиями создать химическую среду, которая расщепит пойманные в ловушку одиночные (и не только) клетки на «съедобные» элементы.
Именно так и действуют представители 2-го и 3-го классов животных. Кишечнополостные и иглокожие — округло-симметричные, малоподвижные существа.
Из класса кишечнополостных многие ведут полностью образ жизни растений, всю жизнь произрастая на одном месте. Их пищеварительная полость имеет еще вид мешка, и они пользуются как для питания, так и для испражнения одним и тем же отверстием. У иглокожих уже имеется сквозной пищеварительный канал.
Но с точки зрения эволюции гораздо более важной особенностью многоклеточных организмов является то, что их клетки уже потому не могут остаться равными друг другу, что одни из них находятся в глубинах тела, а другие — на поверхности. Возникает специализация клеток: лежащие на покровах тела приспосабливаются к «несению службы» раздражимости и чувствительности, другие, глубинные, — преимущественно к изменениям формы, к «сократительности», к обеспечению первобытных движений. Эти движения, пусть даже беспорядочные и ни на что не нацеленные, помогали многоклеточным просто потому, что шевелившиеся особи имели лучшие шансы в борьбе за жизнь, чем совершенно неподвижные.
Каждый физиологический процесс связан с какими-нибудь химическими превращениями в клетке. Рецептивные клетки поверхности тела, приобретшие повышенную раздражимость, тоже выделяли из себя во время своей деятельности какие-то химические продукты обмена веществ.
Понятно, что те особи, у которых, может быть чисто случайно, мышечные клетки оказались возбудимыми от действия проникавших в них рецептивных веществ, получили серьезное, почти решающее, биологическое преимущество перед другими. В то время, как эти последние были способны только на самопроизвольные шевеления, иногда бывшие просто ни к чему, а иногда бывшие и прямо невпопад, особи новой «марки» могли реагировать на внешние раздражения (например, поворачиваться лицом к добыче или спиной к опасности).
Это новое явление на Земле — реактивность — поначалу было огульным, неизбирательным, расплывчатым, как говорят в физиологии, диффузным. Мы и сейчас можем наблюдать у различных низших организмов подобную диффузную раздражимость и реактивность: пока не трогаешь его, он лежит смирно; прикоснешься — начинаются общие неупорядоченные движения тела, тем более значительные, чем сильнее было раздражение.
Так выявились первые в природе химические возбуждающие мышцу вещества — первобытные посредники между рецептивной поверхностью тела и мышцами. Эти вещества называются в физиологии посредниками — медиаторами, и они и по сию пору у самых высших организмов (в т.ч. у Homo Sapiens) играют очень существенную для движений роль. Каждый раз, как мы при ходьбе или выполнении гимнастических упражнений произвольно напрягаем ту или иную мышцу, у ее нервных окончаний выделяется микроскопически малая капелька вещества, которому 500 миллионов лет.
В последующих поколениях организмов начали мало-помалу обособляться каналы, специально приспособленные для доставки химических медиаторов. Однако не успели еще эти «водные пути сообщения» как следует оформиться и обеспечить хоть какую-то избирательную адресацию медиаторов к тем или иным мышечным группам, произошло другое событие, биологическое значение которого оказалось неизмеримо большим.
Развитие электрического интерфейса
Каждое химическое явление имеет свой электрический «отблеск», сопровождается теми или иными колебаниями электрического потенциала.
Так уж получилось (в порядке случайных прирожденных изменений, или еще как), что у некоторых экземпляров их мышечные клетки оказались возбудимыми не только от прямого химического воздействия медиатора, но уже и от одного только электрического спутника последнего — от того неуловимо малого электрического колебания, которым он всегда сопровождался.
Преимущества электрического способа передачи сигналов перед химическим очевидны. Во-первых, волна электрического импульса имеет гораздо большую скорость, нежели раствор, медленно сочащийся по межтканевым щелям, — значит, она дает возможность ее обладателю реагировать во много раз быстрее. Во-вторых, электрический возбуждающий импульс несет в себе хоть какие-то возможности для его «маршрутизации» в ту или другую мышечную группу, в то время как жидкость, содержащая медиатор, обязательно омывает весь организм. Неудивительно, что вновь открытый природой «телеграфный» принцип передачи возбудительных импульсов начал энергично завоевывать себе командное положение.
Постепенно вычленились волокна, обнаруживавшие лучшую проводимость для биотоков. Такие волокна представляли собою длинные отростки клеток. Специализировавшиеся на передаче импульсов (пора уже начать называть их нервными импульсами) волоконца образовали внутри организма сети, позволяющие передавать сигналы к нужным частям тела.
Но на данном этапе нервные сети отвечали только за передачу данных, как телеграфные столбы.
Отделение рта от ануса
Маловажным на вид обстоятельством оказалось появление на Земле продолговатых, колбасовидных животных форм. Те классы животных (2-й и 3-й по нашей классификации), которые были описываемы до сих пор, имели округло-симметричные формы, с ротовым отверстием посередине.
Очертания тела низших из них, кишечнополостных, менее определенны; это по сути дела, мешки с одним отверстием, что понуждает их заменять естественные отправления тела рвотой. Более продвинутые в своем развитии (сквозной пищеварительный канал) иглокожие имеют лучистое строение, и вокруг центрального рта обладают пятью симметричными отростками (лучами у морских звезд, лимонообразными дольками и у морского ежа и т.д.).
На смену им начинают появляться продолговатые животные классов 4 и 5 (в последующем — черви и моллюски) с пищеварительной трубкой, тянущейся во всю длину их тела, с ротовым отверстием на одном и заднепроходным — на другом конце. В ротовом конце-то и было все дело.
Ясно, что ротовой конец тела — это его активный конец. Он ищет питания, он первым сталкивается с добычей, первым же — и с опасностью. Он, как правило, движется впереди.
Переднему концу тела важнее, чем какой-либо другой его точке, тонко и своевременно ощутить свойства того, с чем он соприкоснулся, к чему он подполз. Но кроме обострения древних видов чувствительности (осязательная, температурная, вкусовая, химическая), которые можно объединить под общим названием «контактной» или «чувствительности непосредственного соприкосновения», на переднем, ротовом, конце начинают развиваться качественно новые, более совершенные виды органов чувств.
Новым рецепторам удобно присвоить, воспользовавшись широко привившейся в техническом языке приставкой, имя телерецепторов. По аналогии этого слова с такими терминами, как телефон, телеграф, телевидение и т. п., легко понять его смысл: речь идет о дальнодействующих или дальнобойных рецепторах.
Каждый из древних видов контактных рецепторов, видоизменяясь, породил один из усовершенствованных дальнодействующих. Орган химической чувствительности — вкус — дал начало химическому телерецептору — органу обоняния. Осязательная чувствительность переднего конца, утончаясь, обратилась в чувствительность к частым и мелким сотрясениям, или вибрациям, передаваемым издали через окружающую среду: в орган слуха, «слышания» звуков, которые и есть не что иное, как колебания, или вибрации, воды или воздуха.
Наконец, температурная контактная чувствительность преобразовалась сперва в восприимчивость к лучистой теплоте, а затем и к лучистой энергии самого мощного отдела солнечного спектра — световой энергии. Отсюда, таким образом, возникло зрение.
С появлением телерецепторов (воспринимаемый) окружающий мир стал гораздо больше по объему, чем само животное. Теперь можно было узреть-унюхать-услышать добычу или опасность издалека, и, соответственно, двигаться к ней либо от нее.
Обладание телерецепторами породило целый ряд новых потребностей для организма, таких как:
- согласование движений различных частей тела, чтобы можно было двигаться в заданном направлении как единое целое;
- механизм планирования действий или движений, чтобы можно было выработать тактику нападения на, или самообороны от, объекта, обнаруженного на расстоянии (загодя);
- зачатки памяти, хотя бы для того, чтобы запомнить план действий, о котором говорилось выше.
Для удовлетворения указанных выше потребностей у животных сформировались скопления нервных клеток, называемые нервными узлами, или ганглиями, которые взяли на себя функции согласования, планирования и запоминания.
Естественно, что этим центрам всего более подходит помещаться на переднем конце, так сказать, на капитанском мостике всего тела, там, где находятся все телерецепторы, и там, откуда наиболее открытый вид для наблюдения.
Таким путем ротовой конец оказался сперва, по неминуемой логике вещей, передним концом тела, а затем, оснастившись в качестве переднего высокопробными телерецепторами, стал головным концом тела и, наконец, его главным концом.
Как ни парадоксально, именно отделение рта от ануса привело к возникновению глаз, ушей, носа и мозга.
Забегая вперед, отметим, что физиологические особенности рептилий чуть было не привели к возникновению у них второго мозга, расположенного именно в области ануса. Но об этом — читайте далее.
Как анизотропные диски изменили мир
До возникновения анизотропных дисков древний животный мир был медленным и неторопливым. Мышцы животных в те времена были способны только на слабые и медленные движения. Но вот появился новый элемент, который сделал возможным формирование совершенно нового типа мускулатуры.
Анизотропные диски — это особые клетки, которые способны к молниеносным сокращениям под действием электрического тока. Именно благодаря этому крылья комара или мухи способны совершать несколько сот движений в секунду.
Другое свойство анизотропных дисков — это высокая механическая мощность, вырабатываемая при их сокращении. При том же весе, анизотропные диски вырабатывают в тысячи раз большую мощность, чем клетки более древних гладких мышц.
Анизотропные диски настолько успешно решали проблемы быстроты и мощности, что тела организмов, вопреки обычному порядку вещей, стали всячески подстраиваться под использование анизотропных дисков (а не наоборот, т.е. не стали дожидаться, пока анизотропные диски подстроятся под особенности организма).
Действительно, анизотропные диски были настолько мощными и быстрыми, что древние мягкотелые организмы могло просто разорвать при их использовании. Поэтому в первую очередь были предприняты меры к тому, чтобы сгладить взрывной эффект анизотропных дисков.
Во-первых, взрывной эффект от действия анизотропных дисков компенсируется тем, что в мышцах животных и человека анизотропные диски чередуются с упругими клетками сухожильной ткани (изо-элементами), которые играют роль амортизаторов. Длинная цепочка чередующихся анизотропных и изотропных клеток образует мышечные волокна, которые именно благодаря такому чередованию клеток носят название поперечно-полосатой мышцы.
Во-вторых, каждое волоконце двигательного нерва врощено своими разветвлениями в пачку из 10 — 100 мышечных волокон, которые, очевидно, под действием его импульсов могут двигаться не иначе, как все разом и все одинаково. Такая пачка мышечных волокон носит название миона. Каждая мышца нашего тела состоит в зависимости от своей величины из нескольких десятков или сотен мионов.
В-третьих, каждый анизотропный диск сокращается в течение тысячной доли секунды, а потом ему нужно «отдохнуть» в течение времени, которое длится в 3–4 раза дольше, чем сокращение. Поэтому нервная система посылает к мышцам целые серии импульсов возбуждения с частотой 50–200 герц, чтобы можно было продолжить начатое ранее действие мускулатуры.
В-четвертых, все мышечные клетки помещены в густую и вязкую жидкость, называемую саркоплазмой. Эта жидкость в свою очередь обеспечивает плавность мускульных движений. Заметим, что исключительная быстрота движений некоторых представителей фауны (например, тех же мух) связана с ничтожно малым количеством саркоплазмы в их мускулатуре.
Членистоногие против позвоночных
Итак, есть мощный и быстрый источник движущей силы — поперечно-полосатая мышца.
Как пишет Бернштейн, дело пошло так, как будто бы на великом конкурсе, объявленном жизнью на наилучшее оснащение для поперечнополосатой мышцы, первую премию поделили между собой два разных проекта. Оба они по первоначальному рассмотрению как будто одинаково хорошо и остроумно решали поставленную конкурсом задачу, хотя решали ее глубоко различными между собой способами.
Один из проектов шел под девизом Arthropoda (членистоногие), другой — под девизом Vertebrata (позвоночные). Оба проекта исходили из поперечнополосатой мышцы как чего-то «уже данного», и оба объединяли ее с жесткими, суставчато-подвижными скелетами; то и другое входило, очевидно, в «технические условия» конкурса.
Членистоногие создали жесткие внешние скелеты наподобие рыцарских доспехов, и поместили в них поперечно-полосатые мышцы. Все твердые элементы брони — членики — соединены между собой с той или иной степенью подвижности. Отсюда и название класса: членистоногие.
Позвоночные пошли прямо противоположным путем. Они поместили твердый скелет внутри организма, «обмотав» его мускулами со всех сторон. Центральным элементом скелета является состоящий из отдельных сегментов позвоночник. Его структура сохраняется благодаря «обмотке» из мышц, тянущих каждый позвонок одновременно в разные стороны.
Преимущество проекта членистоногих состояло в том, что строение их тела одновременно решало 2 дополнительные (помимо двигательных) задачи: обеспечивало организм броней, и в то же время обеспечивало устойчивость. В самом деле, даже мертвые насекомые сохраняют устойчивое положение тела, потому что для этого не требуется напряжения мышц.
Конструкция позвоночных, очевидно, не обладала указанными преимуществами, поскольку не предусматривала изначально жесткой брони и требовала постоянного напряжения мускулатуры для поддержания устойчивости. Ведь, как известно, любое позвоночное животное, будучи убитым, обязательно падает. Зато эти недостатки с лихвой компенсировались дополнительными степенями свободы в движениях и гибкостью.
По мнению Берштейна, именно ограниченность движений членистоногих завела их в «эволюционный тупик», поскольку у них не было потребности в развитии «управленческого аппарата» для сложных движений. Хотя, конечно же, не могут не удивлять сложные и великолепно организованные формы существования некоторых насекомых, таких как пчелы или термиты.
В то же время, новые степени свободы в движениях, появившиеся у позвоночных, создали предпосылки для развития у них высшей нервной системы.
Как бы то ни было, оба проекта были успешно имплементированы, и в настоящее время представляют доминирующие формы жизни на нашей планете.
Куда делись динозавры?
Заключительная часть нашего реферата посвящена любопытной точке зрения Берштейна на причину исчезновения динозавров.
Как известно, первыми позвоночными были древние рыбы. Их представителей до сих пор можно встретить в океанах — акулы, скаты и т.д. От более поздних рыб их отличает отсутствие костных скелетов, присущих ершам, щукам и окуням.
Амфибии и земноводные (лягушки, тритоны) были первыми среди тех позвоночных, которые выбрались на сушу. Ясное дело, для них потребовался еще один «апгрейд»: развитие конечностей, без которых по суше не очень то и поползаешь.
От амфибий и земноводных впоследствии произошли рептилии, которые царствовали на суше чрезвычайно долго, достигнув расцвета в Юрский период. Когда-то пресмыкающиеся существовали на земном шаре в огромном количестве отрядов и видов, владея и поверхностью воды, и сушей, и воздухом.
В наше время от всего этого обилия гадов уцелели только остатки, всего четыре отряда: ящерицы, черепахи, змеи и крокодилы.
Как известно, динозавры так и не смогли развить головной мозг. Причиной этого, по-видимому, явились особенности их физиологии и размеры.
Известно и точно измерено, что скорость, с которой распространяется вдоль нерва электрохимический сигнал возбуждения — нервный импульс, очень различна у холоднокровных и у теплокровных животных. Волна возбуждения бежит по нерву лягушки со скоростью 8 — 10 метров в секунду, а по нерву кошки или человека — со скоростью 100–120 метров в секунду.
А теперь сделаем несложный расчет.
Представим себе, что кто-то укусил тридцатиметрового великана-ящера за заднюю лапу, и он, почувствовав боль, отдернул лапу или ударил ею обидчика. Для пути ощущения боли имеем: лапа 6 метров, туловище 10 метров, шея еще 10 метров, итого 26 метров, т. е. три секунды в один конец. Положим столько же для ответного двигательного приказа от головного мозга к ножным мышцам; к этому нужно прибавить еще хоть секунду на скорость реакции в самом мозгу. В итоге получается, что от момента укуса до начала ответного движения пройдет семь секунд — срок очень немалый, если посмотреть на секундную стрелку своих ручных часов и «вытерпеть» семь секунд, внимательно следя за ней.
Измерение сохранившихся скелетов юрских и меловых гигантских ящеров показывает, что у них на длинной мощной шее сидела крохотная голова, так же подходившая им по пропорциям, как нам подошла бы мышиная. И в этой-то непомерно малой голове большая ее часть была занята лицевым скелетом — зубастою пастью, на долю же головного мозга оставалось совсем тесное, ничтожное вместилище. Мы легче поймем это, если учтем, что животное, которое было бы вынуждено «спрашиваться» обо всех своих движениях у головного мозга и дожидаться ответов по семи секунд, было бы нежизнеспособным.
Очевидно, преобладающая часть их двигательных реакций протекала под управлением одного только спинного мозга. Это давало очень значительное укорочение нервного маршрута: секунд до двух-трех. И действительно, у очень многих из этих ящеров в позвоночном канале — вместилище спинного мозга — имеется вздутие в области поясницы и крестца, там, где начинаются нервы задних лап. Это вздутие говорит о том, что в этом месте спинной мозг был расширен, и очень значительно: он был здесь даже больше головного.
Так вот, по мнению Н.А. Берштейна, именно скорость передачи данных сыграла решающую роль в определении исхода схватки между вновь появившимся классом млекопитающих и рептилиями.
Новый, молодой класс млекопитающих теплокровных, темпераментных, с очень обогащенными как мозгом, так в связи с этим и двигательными средствами, — оказался для рептилий неодолимым противником. Некрупные, ловкие хищники накинулись на эти медлительные, как будто нарочно для них заготовленные горы мяса, и своим действительно хищническим хозяйствованием быстро вывели их из употребления.
Другими словами, динозавры исчезли не в результате падения метеорита или наступления ледников. Их просто сожрали теплокровные!
