смотреть ваша внутренняя рыба
22 научных факта об эволюции человека из сериала «Внутренняя рыба»
Эволюция человеческого тела – удивительная история. Научный сериал канала PBS «Внутренняя рыба» раскрывает многие загадки, почему мы такие, какие есть. Знакомьтесь с вашей внутренней рыбой, рептилией и обезьяной.
Автор идеи и ведущий. Нил Шубин, американский палеонтолог и биолог, доктор наук и профессор Чикагского университета. Один их первооткрывателей легендарного ископаемого животного – тиктаалика. Автор книги «Внутренняя рыба».
ВНУТРЕНЯЯ РЫБА
Рыбы были первыми существами, у которых появился костный скелет, включая позвоночник и череп. Об этом свидетельствуют многочисленные окаменелости, найденные по всему миру. К слову, это самый очевидный факт нашей эволюционной связи.
Так называемый набор Оуэна показывает связь между конечностями различных животных (птиц, млекопитающих, рептилий) и человека. В 19 веке ученый Ричард Оуэн обнаружил, что конечности включают универсальный набор – большая кость, две кости, малые кости и пальцы. Согласно Дарвину, это объясняется наличием общего предка с таким же набором костей.
Одними из первых на сушу выбрались ихтиостеги. Это вымершие челюстноротые существа, которые передвигались с помощью верхних конечностей, а нижние использовали как весла. Но первое существо, выбравшееся из воды на сушу, еще предстояло найти.
Ранние эмбрионы человека и рыбы практически идентичны. Мы действительно выглядим в зародыше как рыбы – голова, тело, хвост обоих эмбрионов очень похожи. И у обоих есть жаберные дуги! У человека они превращаются в часть нижней челюсти, среднего уха и гортани.
Сигнал к формированию конечностей у птиц, животных, человека посылает один и тот же ген. Этот ген называется SHH (Sonic hedgehog, т.е. Еж Соник, по имени персонажа видеоигры). В случае с человеком SHH посылает сигнал к формированию пальцев, начиная с мизинца (далее сигнал ослабевает). Но если вдруг в результате мутации сигнал SHH сильнее обычного, пальцев на руке или ноге у человека может оказаться шесть.
Эксперимент с эмбрионами ската доказал, что ген SHH работает также и у морских животных, включая рыб. Это говорит о том, что внутри каждого из нас сидит «Внутренняя рыба».
САМАЯ БОЛЬШАЯ ЗАГАДКА – как наша рыба-предок выбралась на сушу. На арктическом острове Элсмир, север Канады, команда Нила Шубина нашла окаменелую плоскоголовую рыбу, которая обитала на Земле около 375 млн. лет назад. Рыбу назвали тиктаалик, «большая пресноводная рыба» на языке местных инуитов. Под этим именем существо вошло в историю науки – тиктаалик стал долгожданным переходным звеном между рыбами и наземными позвоночными.
Тиктаалик – настоящая анатомическая смесь. Существование подобного феномена предсказал Чарльз Дарвин. От рыб тиктаалику достались чешуя, плавники и жабры. От наземного животного у него были легкие, чтобы дышать на суше. И самое удивительное – у тиктаалика была шея! Это самый ранний вид существ, у которых была обнаружена данная часть тела. Последним доказательством в пользу концепции переходного существа стал т.н. набор костей Оуэна в плавниках тиктаалика.
ВНУТРЕНЯЯ РЕПТИЛИЯ
В авангарде перехода от рептилий к млекопитающим был трителедонт. У этого существа присутствует важный признак, характерный для млекопитающих – прикус.
В эмбрионе человека есть желточный мешок. В процессе развития эмбриона он исчезает. Это наследие тех времен, когда наши общие предки откладывали яйца. Еще одно свидетельство общности человека и рептилии – это амнион – водная оболочка (мешок) вокруг зародыша. Рептилии выработали амнион в холе эволюции, чтобы откладывать яйца на суше. Это эволюционное изменение способствовало появлению змей, черепах, крокодилов, птиц и в конце концов млекопитающих.
В геноме рептилий, птиц и человека также есть общий ген. Он отвечает за выработку желточного протеина, т.е. питания для эмбриона. Фокус в том, что у человека этот ген уже не активен.
Еще один общий признак с рептилиями – мертвая кожа. Разница в том, что у человека сегодня действуют естественные увлажнители кожи, а у рептилий такого механизма нет.
Задолго до тиранозавров самым свирепым хищником был горгонопс. Это существо сделало огромный эволюционный шаг вперед от рептилий к млекопитающим. И все благодаря зубам! В отличие от зубов рептилий, одинаковых по всей длине рта, горгонопс имел зубы разных типов – малые клыки, клыки и резцы. Это позволило ему эффективно разделывать свою добычу. Кроме этого у него были длинные, широко расставленные пальцы. Все это обеспечило горгонопсу 20 млн. лет господства на Земле.
Еще одним переходным существом был тринаксодон. Он жил под землей после Великого вымирания пермского периода, катаклизма, изменившего Землю 252 млн. лет назад. У тринаксодона были волосы на морде, которые он использовал для осязания и ориентации под землей. Впоследствии волосяной покров стал «фишкой» млекопитающих и служил для защиты от переохлаждения.
Кожа рептилии и человека имеет много общего. Формирование целого ряда органов (зубы, перья, волосы, молочные железы) происходит путем складывания кожной ткани – идентично у рептилий и человека. И за этот процесс в обоих случаях отвечат один ген, который называется EDA. Он играет огромную роль в создании жизненно важных структур, которые образованы из кожной ткани.
Важнейшее отличие рептилий от млекопитающих – слуховой аппарат. У рептилий нет наружного уха, а у млекопитающих оно есть. Слуховой аппарат млекопитающих состоит из трех косточек в среднем ухе, у рептилий же – только одна косточка. В процессе эволюции малые кости, бывшие частью челюсти рептилий, отделились от челюсти и со временем превратились в косточки среднего уха. Сегодня это можно наблюдать, поставив эксперимент с зародышем опоссума: одна косточка превращается в три за время его развития. Путь, пройденный эволюцией за 300 млн. лет, зародыш опоссума проходит меньше, чем за месяц.
ВНУТРЕНЯЯ ОБЕЗЬЯНА
Древний примат нотарктус превратил лапу в кисть. Развитие кисти, похожей на человеческую, произошло в процессе лазания по тонким веткам деревьев на верхних ярусах леса. Приматам было важно добраться туда. У нотарктуса появились длинные пальцы, один из которых был противопоставлен остальным. Это стало поворотным моментом в истории человеческого тела.
Жизнь приматов на деревьях привела к появлению цветного зрения. Ранние приматы видели мир в ограниченном спектре желтого и синего, но не различали красный и зеленый цвета. Способность различать красный и зеленый появилась примерно 23 млн.лет назад. Это стало огромным эволюционным преимуществом, в поле зрения попали красные спелые плоды и зеленые листья. Восприятие световых волн зависит от разного типа белка опсина. У ранних приматов было два опсина, пока дубль гена (мутация), кодирующего опсин, не привел к появлению третьего опсина.
У собаки порядка 1000 генов, отвечающих за определение запахов. У человека таких генов примерно столько же, но 600 из них уже не активны.
Критический момент эволюции гоминидов – ардипитек. Найденный в Эфиопии скелет Арди (Ardipithecus ramidus) насчитывает 4,4 млн. лет. Это существо было примерно 120 см. высотой, хорошо лазило по деревьям и ходило на двух ногах. При этом Арди обладала очень цепкой ногой в отличие от более поздних гоминид. Если раньше (с 19 века) считалось, что обезьяны стали на две ноги, выйдя из леса, то находка Арди опровергает эту концепцию. Изучение Арди свидетельствует, что наши предки научились ходить на двух ногах еще проживая в лесах.
Архитектура мозга акулы и человека одинакова. На самом деле эта архитектура одинакова для большинства живых существ на Земле. Мозг как таковой делится на передний, средний и задний (ромбовидный). Что еще раз доказывает эволюционное родство человека и различных животных.
Мозг человека и ланцетника имеет общие генетические корни. Ланцентник, примитивное существо, появившееся около 500 млн.лет назад, обладает лишь одним нервом по всей длине тела и крошечным утолщением этого нерва на конце. Но сигнал к формированию этого нерва дает та же группа генов, которая запускает «строительство» мозга у современного человека.
Перепечатка материалов CityDog.by возможна только с письменного разрешения редакции. Подробности здесь.
Фото: твиттер Нила Шубина, pixabay.com.
Смотреть ваша внутренняя рыба
Внутренняя рыба. История человеческого тела с древнейших времен до наших дней
A Journey into the 3.5-Billion-Year History of the Human Body
© 2008 by Neil Shubin. All rights reserved
Перевод с английского Петра Петрова
Издание осуществлено при поддержке Фонда некоммерческих программ Дмитрия Зимина «Династия»
Художественное оформление и макет Андрея Бондаренко
Фонд некоммерческих программ “Династия”
основан в 2002 году Дмитрием Борисовичем Зиминым, почетным президентом компании “Вымпелком”. Приоритетные направления деятельности Фонда – развитие фундаментальной науки и образования в России, популяризация науки и просвещения.
В рамках программы по популяризации науки Фондом запущено несколько проектов.
В их числе – сайт elementy.ru, ставший одним из ведущих в русскоязычном интернете тематических ресурсов, а также проект “Библиотека “Династии” – издание современных научно-популярных книг, тщательно отобранных экспертами-учеными. Книга, которую вы держите в руках, выпущена в рамках этого проекта.
Более подробную информацию о Фонде “Династия” вы найдете по адресу
Эта книга появилась в результате одного необычного для меня обстоятельства. Из Медицинской школы Чикагского университета ушли некоторые преподаватели, из-за чего мне пришлось вести у студентов-медиков анатомию человека. На занятиях по этому предмету нервные первокурсники вскрывают трупы, параллельно заучивая названия и строение большинства органов, естественных отверстий, нервов и сосудов человеческого тела. Этот курс вводит студентов в мир медицины, дает им опыт, без которого нельзя стать врачом. На первый взгляд, сложно представить худшего кандидата на должность наставника нового поколения врачей: по специальности я палеонтолог и занимался в основном изучением ископаемых рыб.
Но, оказывается, быть палеонтологом очень полезно для преподавания анатомии человека. Почему? Лучшая карта человеческого тела – в телах других животных. Простейший способ дать студентам представление о нервах в голове человека состоит в том, чтобы показать им, как устроены нервы акул. Легчайшая дорога к познанию наших конечностей – изучение рыб. Рептилии очень помогают разобраться в строении мозга. И все это потому, что тела этих существ часто представляют собой упрощенные версии наших собственных тел.
В ходе летней экспедиции в Арктику на втором году моего преподавания этого курса нам с коллегами посчастливилось найти ископаемую рыбу, открытие которой пролило немало света на выход позвоночных на сушу, совершившийся более 375 миллионов лет назад. Эта находка вместе с моим вторжением в область человеческой анатомии пробудила во мне желание разобраться в глубинной связи, существующей между двумя этими объектами. Так и возникла эта книга.
В поисках нашей внутренней рыбы
С тех пор как я стал взрослым, мое лето обычно проходит среди снега и слякоти далеко к северу от полярного круга за раскалыванием камней. Большую часть времени я мерзну, натираю мозоли и не нахожу ровным счетом ничего. Но если немного повезет, мне попадаются кости древних рыб. Так себе сокровище для большинства людей, для меня они – дороже золота.
Кости древних рыб помогают понять, кто мы и как мы стали собой. Мы можем узнать что-то новое о нашем собственном теле из самых странных на первый взгляд источников – начиная от ископаемых червей и рыб, которых можно обнаружить в камнях по всему свету, и мира ДНК и заканчивая в сущности каждым животным, населяющим сегодня нашу планету. Но сначала необходимо объяснить, почему я так уверен, будто скелетные остатки былых времен – а именно остатки рыб – дают нам ключи к познанию основ строения нашего тела.
Как можем мы представить события, происходившие миллионы, а во многих случаях и миллиарды лет назад? К сожалению, нельзя расспросить очевидцев – никого из нас не было тогда на свете. Большую часть времени не было не только ни одного говорящего существа, но и ни одного существа, которое имело бы рот и даже голову. Хуже того, животные, которые жили в те времена, умерли и погребены так давно, что от тел лишь немногих из них вообще хоть что-то осталось. Если задуматься о том, что более 99 % всех когда-либо живших видов к настоящему времени вымерло, что лишь очень малая их доля сохранилась в ископаемом виде и что еще меньшую долю от этой доли удается найти, то может показаться, что любые попытки познать наше прошлое изначально обречены на провал.
Добываем ископаемые – видим самих себя
Впервые я увидел одну из тех рыб, что сохранились внутри нас, снежным июльским днем, исследуя породы возрастом 375 миллионов лет на острове Элсмир, около 80° северной широты. Вместе с коллегами я добрался до этого далекого безлюдного острова, чтобы обнаружить одну из ключевых стадий перехода от рыб к наземным животным. Из скалы торчала рыбья голова – и не просто голова, а удивительно плоская. Едва увидев ее, мы поняли, что нашли что-то важное. Если внутри каменного склона нам удастся отыскать другие части скелета этой рыбы, они откроют нам тайны ранних стадий развития нашего черепа, нашей шеи и даже наших конечностей.
Что эта плоская голова сообщала нам о выходе рыб на сушу? Или, если говорить о моих собственных безопасности и комфорте, почему я был в Арктике, а не на Гавайях? Ответить на эти вопросы можно лишь рассказав о том, как мы находим древние ископаемые остатки и как используем их, чтобы разобраться в нашем прошлом.
Ископаемые остатки – один из важнейших источников данных, позволяющих нам познать самих себя. Другие источники подобной информации – гены и зародыши, о них речь пойдет позже. Но немногие знают, что поиск ископаемых – довольно точная наука и мы нередко можем предсказать, что и где обнаружим. В городе мы работаем над тем, чтобы в поле у нас были максимальные шансы преуспеть. А затем полагаемся на удачу.
Это парадоксальное соотношение расчета и случая лучше всех охарактеризовал Дуайт Эйзенхауэр в известном изречении: “Готовясь к сражениям, я всегда убеждался, что планы бесполезны, но планировать необходимо”. Эти слова как нельзя лучше выражают суть полевой работы палеонтологов. Мы делаем всевозможные расчеты, как добраться до многообещающих местонахождений ископаемых, но, когда мы прибываем на место, оказывается, что все наши планы полевых исследований можно спокойно выбросить на свалку. Приземленные факты меняют самые блестящие расчеты.
Но все же мы можем задумывать экспедиции с целью ответить на конкретные научные вопросы. Исходя из нескольких простых идей, о которых я расскажу ниже, мы можем предсказывать, где можно обнаружить важные ископаемые остатки. Конечно, у нас никогда нет стопроцентной гарантии успеха, но, если повезет, можно найти что-то по-настоящему интересное. Вся моя научная карьера была построена именно на этом: я искал древних млекопитающих, чтобы узнать о происхождении млекопитающих, древнейших лягушек, чтобы узнать о происхождении лягушек, и некоторых из древнейших четвероногих, чтобы узнать о выходе рыб на сушу.