Вход на сайт

МЕДИАМЕТРИКА

Облако тегов

Мир знаний. Эволюция наземных позвоночных. Анамнии и амниоты. Две линии амниот — тероморфная и завроморфная

Аватар пользователя plaksivaya_tryapka

Т.к. большинство высказавшихся заявило, что читают эту серию по публикующимся главам, а не книгой по ссылке, то продолжаю. Кирилл Еськов. "История Земли и жизни на ней". Часть 10. предыдущие материалы можно найти в разделе "мир знаний".

Мы расстались с самыми первыми тетраподами (девонской ихтиостегой и родственными ей формами), когда те… Чуть было не сказал: «…делали первые шаги по суше». Но мы ведь теперь знаем, что те существа были чисто водными. Поэтому выражусь более осторожно: «…получили принципиальную возможность периодически покидать водную среду».

Да и что они, собственно говоря, могли бы найти на той суше, кроме перегрузок из-за многократного увеличения собственного веса, теплового удара да смертоносного обезвоживания организма?.. Пищу? Какую пищу — в девонском-то периоде [420 млн лет назад]? В общем, в девоне целенаправленный «выход на сушу» был бы даже не авантюрой, а чем-то по разряду мазохизма. Есть пятипалая конечность, позволяющая при необходимости переползти из совсем уже пересохшей лужи в не совсем пересохшую, и ладно…

Ситуация принципиально изменилась с начала карбона [360 млн лет назад], когда в уже знакомых нам «лесах-водоемах» возникла богатая фауна из амфибиотических и наземных членистоногих (паукообразные, многоножки, а потом и насекомые); за этот ресурс уже стоило побороться. Среди карбоновых амфибий повляются небольшие (менее 1 м), похожие на современных саламандр антракозавры, имеющие несомненные приспособления к наземной жизни и явно ориентированные на питание беспозвоночными (а не рыбой, как их более крупные родственники). Именно антракозавров считают предками рептилий;[50] первые рептилии — карбоновые капториниды — напоминали по внешнему виду крупных ящериц, причем, судя по строению их челюстного аппарата, они специализировались именно на питании насекомыми. Впрочем, не будем забегать вперед.

Чем объяснить итоговый эволюционный неуспех амфибий? Ведь этот класс процветал лишь в карбоновом периоде (причем только на территории тогдашних тропиков, в Еврамерии; ни в Ангариде, ни в Гондване по сию пору не найдено ни единой косточки карбонового возраста[51]), когда у него не было конкурентов. А во все остальные времена амфибии занимали сугубо подчиненное положение в экосистемах — как наземных, так и пресноводных. Судя по всему, амфибий сгубила даже не облигатная связь с водой (они не выработали яйца и размножаются икрой), а неисправимое несовершенство их дыхательной системы, предопределившее целую цепь пренеприятнейших анатомо-физиологических следствий. Давайте по порядку.

Из курса зоологии вы должны помнить, что лягушка не имеет ни ребер, ни диафрагмы. Поэтому она (в отличие от нас) — неспособна делать вдох, увеличивая объем замкнутой грудной полости, и вынуждена нагнетать воздух в легкие крайне несовершенным способом: набирать его в ротовую полость, замыкать ее, а потом «проглатывать» воздух, поднимая дно ротовой полости и сокращая ее объем. Итак, легочное дыхание у амфибий развито слабо.

Слабость легочного дыхания не позволяет амфибиям освободить от дыхательных функций кожу. Об этом обычно упоминают в той связи, что земноводные должны всегда сохранять покровы влажными (именно в этой влаге и растворяется воздушный кислород, «всасываемый» затем кожей), а потому они навсегда прикованы к воде. Однако это еще полбеды. Хуже другое: не освободив от дыхательных функций кожу, невозможно изолировать друг от друга большой и малый круги кровообращения и отделить венозную кровь от артериальной. Появление легких у тетрапод привело к возникновению двух кругов кровообращения; при этом правая сторона сердца становится «венозной», а левая — «артериальной». У амфибий сердце трехкамерное — два предсердия и желудочек; у рептилий (формально!) тоже трехкамерное, но в желудочке возникает неполная продольная перегородка, делящая его на «венозную» и «артериальную» половины. В ходе дальнейшей эволюции перегородка становится полной, а сердце — четырехкамерным (хотя у крокодилов, птиц и млекопитающих это происходит по-разному). У амфибий же кислород приносят в сердце вены, идущие не только от легких (малый круг), но и от кожи (большой круг), поэтому бессмысленно создавать какую-либо перегородку между правой и левой половинами желудочка: кровь в сердце всегда будет смешанной — артериально-венозной. Пока кровь не разделена на артериальную и венозную, уровень энергетического обмена организма будет принципиально невысоким. К тому же при постоянно влажных покровах любое повышение температуры тела будет тут же сводиться на нет за счет поверхностного испарения (термическое охлаждение). Все это полностью закрывает амфибиям путь к достижению любых выриантов эндотермии («теплокровности»)[52] — с понятными эволюционными последствиями.

Поскольку единственно доступным для амфибий способом наполнения легких является «проглатывание» воздуха (гулярное дыхание), им необходимо сохранять «подчелюстной насос», поднимающий и опускающий дно ротовой полости. Его размещение требует специфической («лягушачьей») формы черепа — очень широкой и приплюснутой. При этом челюстная мускулатура оказывается размещенной крайне невыгодным образом: ее можно подсоединить лишь к самому челюстному суставу, с задней его стороны. Получающийся в результате рычаг будет крайне неэффективен — все равно как если бы мы затворяли дверь, упираясь не в ручку, а около петель. Для того чтобы развивать при помощи таких челюстей сколь-нибудь приличные усилия, приходится наращивать объем челюстной мускулатуры; в итоге эта мускулатура занимает практически все пространство черепа, не оставляя места для мозговой коробки. Следовательно, амфибии — существа принципиально «безмозглые», и это закрывает им путь к сложным формам поведения.

Понятно, что бороться (в эволюционном смысле) со всем этим комплексом неприятностей надо путем радикальной перестройки дыхательной системы. Анализируя переход от амфибий к рептилиям, Н. Н. Иорданский (1977) выдвинул свой принцип ключевого ароморфоза: изменение в одной системе органов ведет к целому каскаду последовательных прогрессивных перестроек всего организма.

Достаточно наладить нормальное легочное дыхание (изменив объем грудной полости), чтобы приведенные выше цепочки начали «раскручиваться» в обратную сторону. Убрав «подчелюстной насос», можно сделать череп высоким и узким, подвести жевательную мускулатуру к челюсти не сзади, а сверху (как у нас с вами), уменьшить — за счет улучшения рычага — ее объем и отдать освободившееся место под «мозги». Кроме того, такое расположение жевательных мышц позволит в дальнейшем не только удерживать схваченную добычу, но и пережевывать пищу (рис. 37). Если освободить кожу от дыхательных функций, то будет возможность разделить круги кровообращения и резко интенсифицировать обмен веществ. Эти инженерные решения вполне однозначны, равно как и необходимость одеть икринку особой оболочкой (амнионом), как бы создающей для зародыша маленький искусственный водоем и делающей его развитие независимым от водной среды. Отсюда фундаментальное разделение позвоночных на «прикованных к воде» анамний (рыб и амфибий) и «истинно сухопутных» амниот (рептилий, птиц и млекопитающих). А вот дальше начинается интереснейший эволюционный выбор: вариантов — два, в обоих есть свои плюсы и минусы.

Рис. 37. Расположение жевательной мускулатуры: а — лабиринтодонт Ichthyostega; б —примитивная капториноморфная рептилия Paleothyrus (по Norman, 1994)

Главная проблема, которую нам предстоит решать теперь, когда осуществлен настоящий выход на сушу, — это экономия воды. Возникает вопрос: как нам быть с кожей, доставшейся в наследство от амфибий — мягкой и влажной, богатой железами? Можно ее полностью заизолировать, создав на поверхности водонепроницаемый роговой слой, а можно лишь модифицировать, сохранив ее основные характеристики. Оба решения вполне реализуемы, и каждое из них влечет за собой целую цепь физиологических следствий.

Создав сухую кожу с роговым покрытием, мы сводим к минимуму потери влаги: организм становится практически независимым от внешних источников воды (как одетые в «пустынные скафандры» герои фантастического романа Ф. Херберта «Дюна»). Однако за удобство надо платить.

Во-первых, необходимо перестроить выделительную систему. Почки амфибий функционально не отличаются от рыбьих и предназначены для выведения из организма избытка воды (которую тот постоянно «насасывает» за счет осмоса [диффузионное выравнивание концентраций] из гипотонической внешней среды). Проблема удаления конечного продукта белкового обмена — весьма токсичной мочевины CO(NH2)2 — решается в этом случае элементарно: ее просто растворяют в водяном потоке, который так и так постоянно «течет сквозь организм». Иное дело, когда мы начинаем экономить воду, потребляя ее по минимуму. (Легко создать канализацию в населенном пункте, стоящем на реке. А что делать, если в твоем распоряжении лишь артезианский колодец?) Тогда «почки выведения» необходимо заменить на «почки сбережения», призванные выводить во внешнюю среду как можно меньше воды. При этом приходится менять конечный продукт белкового обмена с мочевины на менее токсичную мочевую кислоту, а этот дополнительный «технологический цикл» весьма энергоемок.[53]

Во-вторых (и это даже более важно), сухая, лишенная желез кожа создает большие трудности с терморегуляцией; при жизни на суше, где обычны резкие температурные перепады, эта проблема — одна из важнейших. С голыми, ороговевшими покровами нелегко осуществлять и теплоизоляцию (в холод), и теплосброс (в жару). Вот почему для этой эволюционной линии путь к достижению гомойотермии (поддержанию постоянной, независимой от внешней среды температуры тела) если и не закрыт полностью, то очень сильно затруднен.

Отказавшись от экономии воды и оставив кожу железистой, не ороговевшей, мы получим много новых возможностей. Кожные железы можно превратить в волоски, выполняющие осязательные функции (а сделав эти волоски достаточно густыми, создать теплоизолирующий покров — шерсть), или в дополнительный орган выделения — потовые железы, которые являются еще и терморегулятором (пот, испаряясь, охлаждает поверхность тела), или в млечные (изменив состав их выделений),чтобы выкармливать с их помощью детенышей. В этой эволюционной линии с ее терморегуляторными возможностями появление гомойотермии просто напрашивается. Так оно и было на самом деле. Правда, по степени зависимости от источников воды эти существа не слишком превосходили амфибий, но ведь за все в этом мире приходится платить. А с другой стороны, раз уж внутренняя среда организма все равно будет существовать как бы в постоянном водяном токе, нет нужды радикально перестраивать почки на «водосберегающую технологию» и возиться со сменой конечного продукта азотного обмена!

Что же это за «две эволюционные линии»? Традиционный взгляд на эволюцию рептилий — он и сегодня отражен во многих учебниках — предполагает, что от каких-то антракозавров (здесь часто называют сеймурию, имевшую уже рептилийное строение челюсти и грудной клетки, пригодной для реберного дыхания, но еще не расставшуюся с водой — личинки ее так и оставались «головастиками» с наружными жабрами) происходит некий гипотетический «общий предок пресмыкающихся», который обладает уже всем набором рептилийных признаков (водонепроницаемой кожей, почками сбережения и т.д.). От него-то и берут начало основные эволюционные ветви этого класса — анапсиды, синапсиды, диапсиды и эвриапсиды; этим группам зачастую придают статус подклассов. Они выделены на основе того, каким способом в каждом из них трансформировался исходный стегальный (крышевидный) череп лабиринтодонтов (рис. 38). У анапсид (сюда относятся черепахи и ряд вымерших групп, например, парейазавры) сохраняется исходный тип черепа — массивный, лишенный облегчающих конструкцию отверстий. У синапсид — «зверообразных ящеров», чьи зубы были дифференцированы по форме и функциям (пеликозавров и более продвинутых терапсид, которых традиционно считают предками млекопитающих), возникает одно височное окно, от краев которого отходят челюстные мышцы, и единственная скуловая дуга. У диапсид же возникают два височных окна и, соответственно, две скуловые дуги — верхняя и нижняя. К этой группе принадлежит большинство рептилий, как современных (ящерицы со змеями, гаттерии и крокодилы), так и вымерших (динозавры, птерозавры). К эвриапсидам относят несколько вымерших морских групп (ихтиозавры, плезиозавры и родственные им нотозавры, плакодонты); их черепа имеют единственное височное окно, но образуется оно иным, чем у синапсид, образом.[54] Необходимо заметить, что черепа млекопитающих и птиц могут быть отнесены соответственно к синапсидному и диапсидному типам — что отражает происхождение этих высших тетрапод.

Рис. 38. Филогения рептилий: а — родословное древо (в основании соответствующих ветвей — схематически изображенные типы черепа); б — происхождение четырех типов черепа (по Romer, 1950, и Norman, 1994)

Однако еще в середине прошлого [19-го] века Т. Гексли, друг и сподвижник Ч. Дарвина, провел анатомическое сравнение четырех классов тетрапод, чтобы установить, кто чьим предком является. Глубокое сходство птиц и рептилий уже в те времена не вызывало особых сомнений; когда говорят, что «птицы — всего лишь продвинутая и сильно специализированная группа рептилий», это, в общем и целом, соответствует истине. Гексли обратил внимание и на менее очевидное, но весьма существенное сходство млекопитающих (маммалий) с амфибиями. Это сходство он видел в строении кожи (мягкой и богатой железами) и почек, выделяющих мочевину (у рептилий с птицами почки выделяют мочевую кислоту), а также в наличии двух затылочных мыщелков, которыми череп сочленяется с позвоночником (у рептилий с птицами — один). Но самым серьезным оказались для Гексли различия в строении кровеносной системы: у амфибий имеются две дуги аорты — правая и левая, у рептилий и птиц сохраняется только правая дуга, а у млекопитающих — только левая. Значит, «вывести» маммальную кровеносную систему из рептилийной (где левая дуга уже редуцирована) принципиально невозможно. На этом основании он заключил, что предками млекопитающих не могут быть рептилии (по крайней мере, нынеживущие) и маммалии должны вести свое происхождение прямо от амфибий.

Так вот, по наиболее современным представлениям (они, как часто бывает в науке, могут считаться развитием на новом уровне взглядов Гексли), в нескольких (минимум в двух) эволюционных линиях амфибий независимо выработался синдром[55] рептилийных признаков и был достигнут рептилийный уровень организации. Выходит, «рептилии» — это категория не вертикальной, а горизонтальной классификации; это не таксон, члены которого связанны единством происхождения, а града — уровень организации, достигаемый тетраподами при утере ими облигатной связи с водой (рис. 39). Существование двух независимых эволюционных ветвей амниот — тероморфной (от греческого therion — зверь) и завроморфной (от греческого sauros — ящер), разошедшихся еще на уровне амфибий и венчаемых: первая — млекопитающими, а вторая — птицами и динозаврами, сейчас практически общепризнано.[56] Собственно говоря, все 300 млн лет существования наземных тетрапод — это история состязания тероморфов с завроморфами, где эволюционный успех сопутствовал то одним, то другим.

Рис. 39. Обобщенные схемы филогении тетрапод: а — традиционная; б — современная. А — анапсиды; Д — диапсиды; С — синапсиды; Э — эвриапсиды

Первыми такого успеха добились тероморфы. Появившиеся еще в позднем карбоне пеликозавры — удивительные создания, многие из которых имели «парус» из остистых отростков позвонков (рис. 40, а) — составляли в ранней перми 70% всех амниот. Мощные клыки и непропорционально большая голова свидетельствуют о том, что пеликозавры были изначально ориентированы на питание крупной добычей; они были первыми хищными (в смысле плотоядными, а не насекомоядными) наземными существами. Тем интереснее то обстоятельство, что многие пеликозавры переходят к растительноядности — первый опыт фитофагии [растительноядности] среди наземных позвоночных! Это чрезвычайно важно, ибо дефицит потребителей растительной массы в континентальных экосистемах должен был стать к тому времени просто угрожающим.

Основными фитофагами на суше являлись насекомые, но вначале они, как мы помним из предыдущей главы, только «снимали сливки» — потребляли одни высококалорийные генеративные части растений (пыльцу и семезачатки). В перми насекомые освоили питание соками растений, высасывая их при помощи хоботка из проводящих пучков (цикады и родственные им формы из отряда полужесткокрылых), а также древесиной, уже подвергшейся первичному грибному разложению (жуки). Однако питаться низкокалорийными живыми вегетативными тканями растений они стали лишь в мезозое. В карбоне (и даже еще раньше, в девоне) существовали другие потребители этого (прямо скажем, не особо привлекательного) ресурса: крупные двупарноногие многоножки; именно ими, как считают, оставлены погрызы на ископаемых листьях из палеозойских отложений. Пик разнообразия и обилия этих членистоногих пришелся на поздний карбон, а затем все они бесследно исчезли (возможно, разделив судьбу гигантских насекомых — см. предыдущую главу). Эту-то «вакансию» и заполнили первые позвоночные-фитофаги. Именно в раннепермских «пеликозавровых» сообществах впервые складывается нормальное для современности численное соотношение между растительноядными и хищниками (до того все тетраподы были либо рыбоядными, либо насекомоядными, т.е. хищниками, консументами второго порядка).

Мы уже говорили о том, что анатомия тероморфов просто-таки подталкивает их к различного рода эволюционным экспериментам с активной терморегуляцией. И хотя пеликозавры, без сомнения, были существами вполне «холоднокровными» (пойкилотермными) и метаболизм имели еще типично рептилийный, первые опыты по части температурного контроля начались уже на этом уровне. У многих из них возник «парус» — высокие остистые отростки позвоночника, заключенные в единую пластину из мягких тканей; в бороздах у основания отростков проходили крупные кровеносные сосуды. Парус, имевший огромную поверхность при малом объеме, служил, как сейчас считают, для быстрого поглощения или отдачи тепла телом. Расчеты показали, что особь пеликозавра массой 200 кг с парусом нагревается с 26 до 32°С за 80 мин (против 205 мин без паруса). По всей видимости, это позволяло пеликозаврам активизироваться по утрам значительно раньше добычи или других хищников сравнимого размера. С другой стороны, парус мог способствовать рассеиванию тепла в полуденное время, оберегая животное от перегрева. Характерно, что парус возникал как в хищных, так и в растительноядных группах пеликозавров, т.е. многократно и независимо. В дальнейшем сходные структуры изредка появлялись у динозавров (опять-таки как у хищных — спинозавр, так и у растительноядных — стегозавр), однако в целом такой способ терморегуляции оказался явно тупиковым.

По иному решили эту проблему более продвинутые тероморфы из отряда терапсид, появившиеся в поздней перми. Среди них были и специализированные растительноядные формы вроде дицинодонтов, достигавших размеров быка и имевших выступающие «моржовые» клыки в верхней челюсти (рис. 40, б), и крупные хищники — такие, как горгонопсиды, чем-то похожие на саблезубого тигра (рис. 40, в и г).

а)

Рис. 40. Палеозойские рептилии: тероморфы (а–д) и анапсиды (е) (по Ивахненко и Корабельникову, 1986) а — хищный пеликозавр Dimetrodon; б — растительноядный дицинодонт Dicinodontus; в — горгонопс Inostrancevia; г — его череп; д — продвинутый цинодонт Dvinia prima («почти млекопитающее»); е — парейазавр

Еще недавно всех их считали просто «ящерами» (ну, зубы там дифференцированы, экая важность!) и именно в таком виде они обычно изображены в книжках по палеонтологии.

Однако сейчас полагают, что продвинутые терапсиды гораздо более походили на млекопитающих: доказано, что они, в отличие от прочих рептилий, имели развитое обоняние, слюнные железы и жесткие «усы»-вибриссы — осязательные волоски на морде (это можно установить исходя из того, как проходили поверхностные кровеносные сосуды черепа), а также «маммальное» строение поясов конечностей (об этом чуть ниже). Это были довольно «башковитые» создания — их коэффициент цефализации (отношение веса мозга к весу тела) заметно выше, чем у современных им завроморфов. Предполагают, что по уровню метаболизма эти животные не уступали наиболее примитивным млекопитающим — однопроходным (утконос и ехидна). Судя по всему, высшие терапсиды откладывали яйца, а детенышей выкармливали выделениями специальных желез — в точности, как однопроходные. Они были, скорее всего, покрыты шерстью (шерсть — это не что иное, как «расползшиеся» на всю поверхность тела и ставшие достаточно густыми осязательные вибрисы), а значит, являлись теплокровными: иначе зачем нужен теплоизолирующий покров?[57] Именно в одной из групп высших терапсид — цинодонтов (рис. 40, д) — в следующем, триасовом, периоде начался процесс, названный «параллельной маммализацией» (см. главу 11). Он, этот процесс, привел в конечном счете к возникновению настоящих млекопитающих.

Рис. 41. Замещение тероморфов завроморфами-архозаврами в триасовых фаунах (по Dzik, 1997). Процесс шел параллельно и среди фитофагов (замещение дицинодонтов и ринхозавров на растительноядных динозавров-завропод), и среди хищников (замещение цинодонтов на текодонтов)

А что же другая, завроморфная, ветвь амниот? Они появились в том же позднем карбоне, что и тероморфы, но на протяжении всего палеозоя пребывали на вторых ролях. Правда, растительноядные анапсиды парейазавры (рис. 40, е) стали заметным элементом позднепермских экосистем, но в целом группа занимала явно подчиненное положение… И вот в начале мезозоя завроморфы берут реванш — да какой! В триасе представители тероморфной линии оказываются вытесненными на глубокую перифирию эволюционной сцены, а их место занимают завроморфы-диапсиды (рис. 41); последние к тому же осваивают такие ниши, которые до сих пор амниотам даже не снились — море и воздушное пространство. Триасовый упадок тероморфов, совсем уж было подошедших к тому, чтобы превратиться в маммалий, и внезапный расцвет «настоящих ящеров» — одна из самых интригующих загадок палеонтологии. В. А. Красилов удачно назвал эту ситуацию «мезозойским зигзагом». Упрощенные объяснения типа «иссушения климата» смотрятся тут абсолютно неубедительными — хотя бы потому, что пермь была временем даже более аридным, чем триас…

В триасе возникает целый ряд морских групп, эвриапсид: дельфиноподобные ихтиозавры, более похожие на ластоногих плезиозавров (всем хорошо известны эласмозавры с очень длинной шеей и маленькой головой — «змея, продетая сквозь черепаху», но в юре существовали и короткошеие плиозавры с черепом длиной до 3 м), а также менее известные нотозавры и плакодонты, несколько похожие на тюленей (рис. 42, аг). Их появление в это время вполне логично следует из рептилийной физиологии. Говорят, что змея по вкусу больше всего похожа на цыпленка. Это чистая правда: у завроморфов (к коим принадлежат змеи) бoльшая часть мускулатуры представляет собой «белое мясо», как грудные мышцы курицы. Белая мускулатура бедна (по сравнению с красной) миоглобином и митохондриями [структуры клеток, отвечающие за выработку энергии], и энергоснабжение мышечных сокращений в ней достигается в основном за счет гликолитического (анаэробного [бескислородного]) расщепления глюкозы до молочной кислоты. Для этой реакции не нужен кислород, а скорость ее мало зависит от температуры, что особенно важно для животного, не обладающего гомойотермией. Однако (мы скажем в который раз!) за любое преимущество надо платить. Накапливающаяся в результате гликолиза молочная кислота — метаболический яд, и буквально через 1–2 мин интенсивной работы белая мускулатура практически теряет способность к дальнейшим сокращениям; самопроизвольный распад молочной кислоты (и восстановление работоспособности) требует нескольких часов. Белые мышцы принципиально не годятся для продолжительной работы.

Что касается богатых миоглобином красных мышц, составляющих основу мускулатуры маммалий, то тут ситуация иная. Они содержат огромное количество митохондрий (собственно, они и придают этой ткани красный цвет), и в них молочная кислота — лишь промежуточный продукт, который затем в митохондриях «дожигается» кислородом до углекислого газа и воды с выделением огромного количества энергии. Казалось бы, выгодно во всех отношениях (так что непонятно, зачем вообще кто-то сохраняет белые мышцы) — ан нет: реакции кислородного дыхания требуют повышенной температуры среды. Мало того, что для этого еще нужно выработать гомойотермию, так потом еще почти весь прибыток энергии придется потратить на собственный обогрев! Не зря млекопитающее потребляет (в покое) примерно в 10 раз больше пищи, чем рептилия равного с ним веса — а пищу эту, между прочим, надо еще поймать… В общем, «мамы всякие нужны, мамы всякие важны»: белая мускулатура хорошо (и энергетически дешево) работает «на рывке»,[58] а красная — при длительных постоянных нагрузках; животное с белыми мышцами — хороший «спринтер», а с красными — «стайер».

Вернемся к появлению в триасе разнообразных морских рептилий (кстати, и амфибии-лабиринтодонты тогда же сделали попытку освоить море). Многие исследователи (например, Р. Кэрролл) полагают, что переход к водному образу жизни происходит у низших амниот особенно легко именно в силу низкой интенсивности их метаболизма, способности выдерживать недостаток кислорода (из-за использования анаэробных процессов для работы мышц) и низкой температуры тела (не выше, чем у окружающей воды). Иными словами, рептилии исходно предрасположены к обитанию в водной среде.

Судя по наблюдениям над современными морскими игуанами, передвижение и питание в воде не требует от них структурной или физиологической перестройки; более того, при водной локомоции метаболические затраты этих ящериц составляют лишь четверть от тех, что потребны для перемещения по суше (благо тело в воде ничего не весит — по закону Архимеда).[59] Рептилии без проблем становятся вторичноводными всякий раз, когда жить в воде становится выгоднее с точки зрения обилия пищи и/или отсутствия врагов и конкурентов. Так, в юре [175 млн лет назад] возникли морские крокодилы (ноги их превратились в настоящие ласты, и имелся специальный хвостовой плавник, как у ихтиозавра), в раннем мелу — морские черепахи, близкие к нынеживущим, а в позднем мелу — мозазавры, исполинские (до 12 м длиной) морские ящерицы-вараны (рис. 42, д–е).

На суше ситуация складывается принципиально иначе, чем в море: тут белая мускулатура создает для завроморфов серьезные проблемы. Мы уже упоминали о различиях в строении поясов конечностей у тероморфов и завроморфов. Конечности могут быть расположены сбоку от тела (такое их положение называется латеральным) или подведены под него (парасагитально); в первом случае бедренная (или плечевая) кость направлена параллельно земле, а во втором — вертикально (рис. 43, а). Отсюда следуют различия в типе локомоции: рептилии «враскорячку» ползают на брюхе (отсюда происходит русское название группы — «пресмыкающиеся»), тогда как у маммалий тело высоко приподнято над землей, а конечность, двигаясь в плоскости, параллельной оси тела, способна делать широкий шаг (рис. 43, б). Весьма существенно то, что при парасагитальном положении конечностей (маммальный вариант) вес тела принимают на себя (продольно!) кости скелета конечностей, так что мышцам надо лишь не давать этим «подпоркам» отклоняться от вертикального положения; при латеральных же (рептилийных) конечностях тело «подвешено» на самих мышцах, и животное как бы постоянно выполняет упражнение «отжимание от пола» — удовольствие ниже среднего.

Рис. 42. Мезозойские морские рептилии: эвриапсиды (а–г) и диапсиды (д–е) (по Фентон, 1997); а — ихтиозавр; б — плакодонт; в — плезиозавр-эласмозавр; г — плезиозавр-плиозавр; д — мозазавр; е — морской крокодил

Рис. 43. Локомоция рептилий и маммалий: а — латеральное (А) и парасагитальное (Б) положение конечностей; б — постановка тела у рептилий (А) и маммалий (Б); в — «рептильный» шаг; г — «маммальный» шаг (по Шилову, 1994)

Казалось бы, маммальное строение поясов конечностей безусловно «лучше». В действительности же свои плюсы есть и в рептилийном варианте. Ведь если мускулатура по преимуществу белая, ориентированная «на рывок», то проще бoльшую часть времени проводить, расслаблено лежа на брюхе, и лишь изредка совершать броски за добычей. При маммальной же постановке конечностей приходится постоянно поддерживать тело на весу; это, во-первых, практически исключает саму возможность использовать белую мускулатуру (которая «устает»), а во-вторых, заставляет тратить много энергии вхолостую (мы помним, что млекопитающее в покое расходует примерно в 10 раз больше энергии, чем рептилия равного размера). Однако когда все плюсы и минусы просуммированы, оказывается, что на суше для завроморфов (с их белой мускулатурой и латеральной конечностью) открыты лишь «профессии» подстерегающего хищника или пассивно защищенного — панцирем или слоем воды — крупного фитофага; остальные экологические ниши оказываются в распоряжении «теплых», активных, высокоподвижных тероморфов.

Ситуация поменялась в триасе, когда на эволюционную арену вышла группа рептилий, являющая собой подлинный венец всей завроморфной линии эволюции — архозавры. К этому подклассу принадлежат крокодилы и вымершие текодонты, динозавры и птерозавры; прямо от него ведут свое происхождение птицы. Из курса зоологии вы помните, что архозавры (о строении которых мы судим в основном по крокодилам) обладают целым рядом уникальных для рептилий продвинутых черт: у них уже полностью разделены правый и левый желудочки сердца, зубы их альвеолярного типа — сидящие в отдельных ячейках (что позволяет аллигаторам иметь «клыки» до 5 см длиной), возникает вторичное нёбо — дополнительная костная перемычка под первичным нёбом, отделяющая дыхательные пути от ротовой полости. Однако для триасовой победы архозавров над тероморфами наиболее существенным оказалось, по всей видимости, именно видоизменение конечностей и их поясов (в этом смысле крокодилы как раз не показательны — их конечности очень примитивны, близки к предковому для архозавров типу), которое весьма неожиданным образом разрешило проблему скоростной локомоции.

Дело в том, что по ряду анатомических причин (они были детально обсуждены еще А. Ромером в 1922 году) перевести в парасагитальное [выпрямленное] положение задние конечности, которые причленены к позвоночнику, намного проще, чем передние, соединенные с грудиной. Достаточно сказать, что тероморфы сумели «подвести под тело» задние ноги еще в перми (у горгонопсид), а вот полная парасагитальность выработалась в этой линии много позже — лишь у триасовых цинодонтов. Итоговая же скорость передвижения «доцинодонтного» тероморфа, как легко догадаться, все равно лимитируется именно «медленными» — латеральными — передними конечностями.

Архозавры появились в поздней перми, почти одновременно с терапсидами, и одновременно же с ними выработали парасагитальность задних конечностей. А вот дальше архозавры, вместо того чтобы возиться с преобразованием пояса передних конечностей, вообще отказались от их использования для движения и выработали принципиально новый тип локомоции — бипедальный (двуногое хождение). О потенциальных скоростных возможностях такого двуногого диапсида дают некоторое представление современные страусы… Бипедальность тоже требует ряда серьезных анатомических перестроек (прежде всего создания опорного таза с консолидированными позвонками крестцового отдела), однако сделать это, как ни странно, оказалось легче, чем решить простенькую на первый взгляд задачу снятия ограничений в подвижности плечевого сустава — на что тероморфам пришлось потратить почти 100 млн лет.[60]

Так в триасе возникла жизненная форма высокоскоростного бипедального существа. Именно «двуногость» открыла динозаврам путь к 130-миллионолетнему владычеству на суше (есть много четвероногих растительноядных динозавров, но все они произошли от двуногих предков, «опустившихся на четвереньки»). Среди наземных хищников в крупном размерном классе эта жизненная форма стала вообще единственной и, однажды сформировавшись, практически не менялась на протяжении всего мезозоя (главный персонаж «Парка юрского периода» — позднемеловой динозавр Tyrannosaurus rex — внешне мало чем отличается от крупного триасового текодонта Ornithosuchus). Более того, впоследствии именно бипедальная локомоция позволила двум линиям архозавров — птерозаврам и птицам — независимо преобразовать переднюю конечность в машущее крыло и освоить активный полет. Впрочем, «это уже совсем другая история»…


Примечания:

5

Радиоуглеродный метод позволяет датировать древесину и ее производные (например, древесный уголь); он основан на содержании в углероде древесины нестабильного изотопа 14С. Этот изотоп возникает в верхних слоях атмосферы при воздействии космического излучения на атом обычного азота (14N), а затем в виде CO2 ассимилируется растениями. Доля 14С в живом растении стабильна (и равна доле 14С в атмосферном углекислом газе), а после гибели растения начинает закономерно уменьшаться.

6

Отсюда и всю методологическую концепцию Поппера называют фальсификационализмом. Слова «фальсифицируемость» и «фальсифицированный» употребляются здесь, разумеется, не в обиходном их значении («Таможня обнаружила партию фальсифицированной водки…»).

50

Раньше все эти формы, имеющие признаки как рептилий, так и амфибий, объединяли в особый подкласс батрахозавров, но ныне считают, что батрахозавры — сборная группа, и название это не употребляется.

51

Это особенно интересно на фоне того, что ранее, в девоне, существуют находки амфибий и за пределами тропического пояса, например в Австралии. Дело в том, что девонские амфибии были еще существами чисто водными, а в воде, как известно, температурные перепады между климатическими зонами сильно выровнены.

52

Весьма своеобразная эндотермия возникает даже у некоторых рыб — высокоскоростных хищников вроде тунца или меч-рыбы, но как раз у рыб-то, с их двухкамерным сердцем и единственным кругом кровообращения, кровь разделена на венозную и артериальную изначально!

53

И у насекомых, пошедших по пути изоляции покровов и экономии воды, конечным продуктом белкового обмена также является мочевая кислота.

54

Ряд исследователей считает эвриапсидный тип черепа лишь модификацией диапсидного, которую разные группы водных рептилий приобретали независимо. При таком понимании «эвриапсиды» становятся искусственной, сборной группой (вроде знакомых нам «семенных папоротников»).

55

Синдром — сочетание признаков (симптомов), имеющих общий механизм возникновения.

56

Палеонтолог М. Ф. Ивахненко (1980) привел серьезные доводы в пользу того, что и третья, «анапсидная», эволюционная линия тоже имеет независимые амфибийные корни. На этом основании он предложил выделить черепах, котилозавров и связанные с ними формы в отдельный класс — парарептилии. Кроме того, существует ряд доводов в пользу того, что амфибии, стоящие в основании соответствующих рептилийных стволов, ведут происхождение от разных групп кистеперых. Если эта гипотеза подтвердится, то окажется, что тероморфы и завроморфы разошлись даже не на «амфибийном», а еще на «рыбном» уровне!

57

О теплокровности высших терапсид может свидетельствовать и ряд косвенных признаков. В это время впервые появляются и подземные (роющие) животные, и ночные (с очень крупными глазами и бинокулярным зрением, как у лемура или совы), а такой образ жизни для пойкилотермного существа, нагревающегося «от солнышка», вряд ли возможен.

58

Белые грудные мышцы куриных как раз и обеспечивают резкий энергичный взлет.

59

Картина из «Парка юрского периода» (тиранозавр, преследующий героев вплавь), видимо, вполне соответствует действительности.

60

Окончательно эту проблему удалось решить лишь на уровне высших (териевых) млекопитающих. Даже однопроходные млекопитающие (относимые к прототериям) сохраняют «рептильные» черты в строении плечевого пояса (неслитая с лопаткой коракоидная кость).

http://www.libma.ru/biologija/udivitelnaja_paleontologija_istorija_zemli_i_zhizni_na_nei/p14.php

Фонд поддержки авторов AfterShock

Комментарии

Аватар пользователя SergeyVBNM
SergeyVBNM(5 лет 6 месяцев)(13:13:01 / 11-06-2013)

прочитал. интересно.

Только волнует один вопрос - чем стимулируются изменения в организме? почему конечность превращается в крыло например? конечностью махать надо постоянно или как?

Комментарий администрации:  
*** В бюджете нет денег, приватизация даст немного денег за хорошие активы ***
Аватар пользователя plaksivaya_tryapka

конечностью махать надо постоянно или как?

нет связи от фенотипа (набор внешних признаков) к генотипу (читай: к геному). т.е. если организм будет стричь себе волосы или удалит почку, то на геном это не повлияет. по крайней мере закономерно не повлияет и детишкам короткие волосы или изменившиеся св-ва оставшейся почки не передадутся.

поэтому все связи могут реализовываться только в направлении генотип->фенотип, поэтому все изменения надо отталкивать от генотипа. сначала что-то произошло с генотипом и эти изменения отразились на фенотипе. изменения генотипа называются мутациями. мутации бывают полезными/вредными/никакими и осуществляются как сами собой случайным образом, так и под действием мутагенных факторов: ионизирующего излучения, присутствие мутагенных веществ в среде и организме и т.п.

помимо этого, в некоторых видах организмах (не знаю в какой доле от всех видов организмов) присутствуют механизмы, которые увеличивают мутации (у себя же), если меняется внешняя среда и нечего жрать. т.к. становится понятно, что выжить в такой среде невозможно и надо что-то менять.

Только волнует один вопрос - чем стимулируются изменения в организме?

измения создаются мутациями и всё отбирается естественным отбором. важно, также, понимать, что мутации, естественный отбор и эволюционный акт - это не фантазии естествоиспытателей. это может наблюдать каждый человек. например тот факт, что приходится применять всё более сильные антибиотики или при курсах приходится их применять ограниченно - это всё следствия естественного отбора и эволюционных актов микроорганизмов, которые свершили этот акт, т.е. изменили геном и подстроились под антибиотик. в науке сейчас вопросы о том, какими именно механизмами описывать эволюционные акты.

т.е. это был вертикальный перенос генов (от родителя к детишкам), который всё определяет. к слову упомяну, что есть ещё горизонтальный перенос. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BE%D1%80%D0%B8%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%BE%D1%81_%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%BE%D0%B2 но он почти не распространён и почти ни на что не влияет.

Аватар пользователя SergeyVBNM
SergeyVBNM(5 лет 6 месяцев)(08:28:27 / 13-06-2013)

задам вопрос по-другому.

возьмём проф.плавцов. Допустим женщина-плавец и мужчина-плавец, они поженились, родили детей, их дети поженились тоже с плавцами и т.д.. Вопрос - возможно ли изменение генотипа у плавцов таким образом, чтобы, например, через некоторое кол-во поколений, дети плавцов уже рождались с выраженными зачатками плавцов, т.е. возможна ли "тренировка" признаков для их улучшения-увеличивания? и через сколько поколений можно такого достичь?

Комментарий администрации:  
*** В бюджете нет денег, приватизация даст немного денег за хорошие активы ***
Аватар пользователя plaksivaya_tryapka

нет, тренировка невозможна принципиально, т.к. на гены повлиять невозможно. только отсеиванием/отбором. в случае собак это делает человек, в случае животных - природа, т.е. условия выживания и проспособления. в наследство по генам передаётся то, что уже есть изначально в геноме родителя при рождении. в наследство не может передаться что-то из жизни, т.к. это "что-то" из жизни не может закрепиться в генах. что такое ген? это последовательность пар нуклеотидов (пример нуклеотида), в строго-определённой последовательности, тысячи штук. они не могут сами по себе возникнуть в геноме и случайно сложиться в нужный ген, который закодирует некий внешний признак, например улучшенное плавание. могут происходить единичные мутации, которые будут случайно и медленно к чему-то продвигать, т.к. много в геноме изменить нельзя - у него есть встроенные механизмы восстановления и корректировки и собрать новый ген из 1000 нуклеотидов никто не позволит, т.к. это будет порча старого.

и через сколько поколений можно такого достичь?

естественным отбором выработать ген? всё зависит от сложности генома и признака, который нужно достичь. если речь о бактериях, то мб 500. если о животных, то мб 1000-10'000. честно говоря, я не большой специалист и потому цифры взял с потолка.

Аватар пользователя Xtriss
Xtriss(5 лет 2 месяца)(18:25:56 / 12-06-2013)

Большое спасибо, продолжайте публиковать!

Лидеры обсуждений

за 4 часаза суткиза неделю

Лидеры просмотров

за неделюза месяцза год

СМИ

Загрузка...