Носители позвоночника
Говоря о беспозвоночных животных, мы имели дело с великим множеством различных живых существ, зачастую совсем не похожих друг на друга. Это и понятно, учитывая, что к беспозвоночным относится более двух десятков типов животных. Планы строения этих животных иногда сильно отличаются друг от друга.
А вот позвоночные животные – это всего лишь один тип, да и то неполный, поскольку позвоночные – это подтип типа хордовых. Другие подтипы хордовых – оболочники (асцидии) и бесчерепные (ланцетники). Все три подтипа объединяет наличие упругого стержня, который располагается на спинной стороне тела и называется хордой. У оболочников нет позвоночника, и во взрослом состоянии отсутствует и хорда, она есть только у личинок. Именно личинки позволяют оболочникам «числиться» в типе хордовых, хотя некоторые исследователи все же пытаются выделить их в отдельный тип. В любом случае именно по этой группе животных проводят границу между двумя подразделениями животного царства: беспозвоночными и позвоночными животными. Ланцетник, конечно, тоже не имеет позвоночника, однако хорда у него сохраняется и во взрослом состоянии, что позволяет поставить его на древе жизни ближе к позвоночным животным.
Схема строения трёх подтипов хордовых:
А – бсчерепные; Б – оболочники; В – позвоночные; 1 – хорда; 2 – нервная система; 3 – глотка с жаберными щелями; 4 – кишечник; 5 – печень; 6 – костная ткань позвонков
Первыми животными, которые обзавелись позвоночником, стали бесчелюстные. Иногда их называют «бесчелюстными рыбами», но это неверно: с тем же успехом можно и амфибий называть «наземными рыбами» – амфибии, кстати, к рыбам даже ближе, чем бесчелюстные. По названиям групп животных легко можно понять, какова основная особенность строения, отличающая этих животных от других. У бесчерепных уже есть настоящая хорда, но нет черепа. У бесчелюстных уже есть череп, защищающий головной мозг, но нет челюстей. Правда, у них появляется прообраз челюстей – опорная конструкция жаберного аппарата – жаберные дуги. И только у челюстноротых есть и череп, и челюсти, и позвоночник, но у большинства почти исчезает хорда, поскольку теперь она не особенно нужна.
Несмотря на такие существенные различия, все позвоночные животные имеют единый план строения. То, что животные внутри типа могут отличаться друг от друга, вполне закономерно. То же самое мы видели среди беспозвоночных животных. Внутри каждого типа, как и в случае хордовых, разнообразие представителей с различными особенностями строения также весьма велико. Например, тип кольчатые черви состоит из четырех классов: первичные кольчецы, многощетинковые черви, малощетинковые черви и пиявки. Казалось бы, они должны быть похожи друг на друга по большинству признаков. Однако это не так. В пределах этого типа у разных классов различается строение нервной, выделительной и кровеносной систем.
Группы позвоночных животных также отличаются друг от друга. Рассмотрению всевозможных анатомических особенностей позвоночных посвящена следующая глава.
Зубы из чешуи
В природе существует множество типов зубов: откусывающие, дробящие и перетирающие; молочные и постоянные; резцы, клыки и коренные. Одни из самых необычных зубов у хрящевых рыб.
Интересная ситуация с зубами у акул. Создается впечатление, что у них то ли зубы растут на коже вместо чешуи, то ли во рту растет чешуя вместо зубов. Дело в том, что у акул зубы и чешуя имеют общее происхождение.
Чешуя у акул, по сути, не похожа на таковую в нашем понимании. Это пластинка, на которой сидит зубец, иногда не один. Поэтому она острая, а кожа акул в целом очень шершавая. Иногда её даже используют как наждачную бумагу. От этих зубов происходят и колючки плавников, и зубцы на носу рыбы–пилы.
Зубы акул располагаются на челюстях в несколько рядов. Подробно изучив их, ученые выяснили, что это видоизмененные чешуи. То есть зубы у акул имеют кожное происхождение, почему и называются кожными. Потерять пару–тройку зубов акуле не страшно – очень скоро вырастут новые.
Зубы акулы (А) и млекопитающего (человека) (Б):
1 – эмалеподобное вещество; 2 – дентин; 3 – пульпарная полость; 4 – эпидермис; 5 – кориум; 6 – эмаль; 7 – канал корня; 8 – цемент
Обонятельные полушария
Органы чувств для подвижных животных чрёзвычайно важны, ведь с их помощью животное получает информацию об окружающей среде. Эти органы помогают ориентироваться в пространстве, искать добычу или партнера по размножению, прятаться от врагов.
Животных, у которых все органы чувств были бы развиты одинаково сильно, не бывает. У кого–то особенно хорошо развит слух, у другого – зрение, у третьего – обоняние.
Это зависит от того, какой образ жизни ведет животное. Например, зачем подземному жителю кроту хорошее зрение? А у человека зрение развито, наоборот, очень даже неплохо, а вот обоняние явно подкачало. Какие же анатомические особенности определяют степень развития того или иного чувства, например того же обоняния?
Казалось бы, обоняние – это прежде всего нос. Однако собственно нос как часть лица к анализу запахов отношения не имеет. Запах – это мельчайшие, невидимые глазом молекулы летучих веществ. Они попадают к нам в носовые раковины, на определенный участок слизистой оболочки, где расположены рецепторы, которые распознают, что это за молекула. Информация о свойствах пахучего вещества в виде нервного импульса бежит по нерву в головной мозг. Там она поступает в определенные участки мозга, отвечающие за обоняние. Итак, обоняние обеспечивают рецептор, воспринимающий молекулы пахучих веществ, нерв, проводящий импульс к мозгу, и специализированный отдел головного мозга. По отдельности каждый из элементов абсолютно бесполезен.
Целый ряд животных ориентируется в пространстве именно за счет обоняния. Например, акулы. Наверное, вы замечали, какой вытянутый «нос» у акулы. Одна из причин – сильно удлиненный отдел переднего мозга, отвечающий за обоняние. Участки головного мозга, отвечающие за обоняние, называются обонятельными луковицами и являются выростами обонятельных долей переднего мозга. Участки, соединяющие луковицы и доли, называются обонятельными трактами. Из этого следует, что для развития той или иной системы органов чувств прежде всего необходимо усложнение строения соответствующих отделов головного мозга, ведь именно он анализирует информацию, поступающую от анализаторов.
Обонятельная система человека: / – обонятельные нити , ветвящиеся в слизистой оболочке; 2 – обонятельная луковица; 3 – обонятельный тракт; 4 – обонятельный треугольник; 5 – проводящие пути обонятельного анализатора; 6 – решётчатая пластинка; 7 – гипоталамо–лимбическая система (включает гиппокамп , таламус , гипоталамус , миндалевидное тело)
Обонятельная система костистой рыбы: 1 – носовая капсула; 2 – обонятельный тракт; 3 – обонятельные доли; 4 – передний мозг; 5 – средний мозг; 6 – задний мозг; 7 – продолговатый мозг; 8 – спинной мозг;9 – слуховой нерв; 10 – блуждающий нерв
Например, у гуся обонятельные луковицы составляют меньшую долю переднего мозга, чем у акулы. Значит, обоняние у этой птицы не очень хорошее. У человека участки головного мозга, отвечающие за обоняние, также развиты слабо.
У всех ли рыб хорошее обоняние? И у всех ли млекопитающих, как у человека, обоняние слабое? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим мозг акулы и костистой рыбы и сравним их. У костистой рыбы тоже есть обонятельные луковицы и обонятельные доли, но развиты они гораздо слабее. Луковицы маленькие, тракты словно тонкие стебельки, обонятельные доли едва заметны. Выходит, обоняние костистых рыб уступает обонянию акул.
Теперь посмотрим на млекопитающих. Насколько отличается мозг человека и сумчатого – например, опоссума! У человека обонятельные луковицы крошечные, еле различимые за большими полушариями. А у опоссума наоборот – огромные луковицы и, что не менее важно, хорошо развитые нервы, выходящие из них.
Как уже было сказано .ранее, слабость одной системы органов чувств компенсируется хорошим развитием другой системы. Это легко установить, посмотрев на участки головного мозга, отвечающие за различные органы чувств. Вернемся к головному мозгу двух рыб: костистой рыбы и акулы. Посмотрим на зрительные доли: они сильнее развиты именно у костистой рыбы, значит, у акулы зрение похуже.
Итак, стало понятно, что развитие органов чувств зависит от того, насколько развиты те отделы головного мозга, которые их контролируют. Если посмотреть на строение головного мозга какого–нибудь животного, то можно сделать вывод о том, насколько у него развиты слух, зрение и обоняние. Можно сделать это, даже не зная, какому животному принадлежит мозг. Эту закономерность успешно используют палеонтологи: они реконструируют головной мозг разных вымерших животных и на основе этого делают вывод о том, чем животное питалось, где обитало, каким было его поведение.
Ядовитые железы змей
Все известные змеи – хищные. Одни охотятся на насекомых и червей, другие могут проглотить даже небольшое копытное. У змей полностью исчезли ноги, которые были у их вараноподобных предков. Отсутствие ног с лихвой компенсируется хорошей реакцией: змея молниеносно бросается на жертву и хватает ее. Но как удержать добычу, да ещё, желательно, не дать ей нанести хищнику опасную рану? Многие змеи изобрели для этих целей весьма эффективное оружие – яд.
Введенный в тело жертвы, он парализует ее нервную систему и обездвиживает животное. Яд змей имеет белковую природу. Среди белков, входящих в состав яда, есть ферменты, которые переваривают ткани пойманного животного.
Откуда у змей берется яд? Он вырабатывается в ядовитой железе, которая расположена около верхней челюсти. По происхождению это видоизмененная височная слюнная железа. Далее яд стекает по каналу ядовитых зубов. Они сидят в верхней челюсти и сильно увеличены по сравнению с другими зубами.
Две единственные ящерицы–ядозубы тоже способны вырабатывать яд. Их ядовитые железы также являются производными слюнных желез, но не верхнечелюстных, а нижнечелюстных. Соответственно, и ядовитые зубы находятся не в верхней, а в нижней челюсти. Яд смачивает увеличенные ядовитые зубы, проходя по многочисленным каналам. По составу и механизму действия секрет ядовитой железы этих пресмыкающихся похож на яд аспидовых змей.
Ядовитый аппарат змеи: А – череп гремучей змеи с закрытой и Б – открытой пастью; В – ядовитый зуб; 1 – ядовитый зуб; 2 – верхнечелюстная кость; 3 – поперечная кость; 4 – крыловидная кость; 5 – чешуйчатая кость; 6 – квадратная кость; 7 – нижняя челюсть; 8 – ядопроводящий канал
Жертвы и приобретения
Каких только восхитительных животных не встретишь в природе! Среди них удивительные, отчасти сказочные пресмыкающиеся – змеи.
Змеям пришлось принести некоторые жертвы, чтобы иметь возможность незаметно пробираться под пологом леса, сползать по ветвям деревьев или плыть по песчаным барханам и морским волнам. Они полностью «отказались» от ног, как передних, так и задних, и изменили форму. Чтобы ползать, змеям пришлось отказаться также от некоторых органов, а взамен приобрести совершенно новые.
Разместиться в узком теле внутренним органам трудно. Поэтому у продвинутых змей левое легкое исчезает и остается только правое, но оно сильно удлиняется. У ряда змей потеря легкого компенсируется сильно развитой, расширенной трахеей, которая помогает нагнетать воздух. Также вытянуты почки и семенники. А вот мочевой пузырь исчез полностью.
Анатомия змеи: 1 – сердце;.2 – сонная артерия; 3 – пищевод; 4 – лёгкое; 5 – печень; 6 – желудок; 7 – почка; 8 – половые железы
Разжевать добычу или откусить от нее кусок змеи не могут, поэтому им приходится глотать её целиком. Связки челюстного сустава настолько эластичны, а кости лицевого отдела черепа так подвижны, что змея способна заглотить крупную добычу, буквально надеваясь на нее. В этом нелегком деле помогает длинный мускулистый пищевод. Остальная часть пищеварительной системы – желудок и кишечник – короткие.
Очень сильно изменились и органы чувств змей.
Змеиные органы чувств
Возможно, вам приходилось слышать, что змея перед нападением гипнотизирует жертву немигающим взглядом. Конечно, к гипнозу это отношения не имеет, но моргать змея действительно не может, поскольку её веки срослись друг с другом и стали прозрачными. Образовавшаяся пленка защищает глаза и в то же время не мешает видеть. По этому признаку можно легко отличить змею от безногой ящерицы: последняя хотя и похожа на змею, но все же может моргать.
Помимо органов слуха – внутреннего уха и слаборазвитого среднего уха, а также органов обоняния, у змей есть хорошо развитый парный орган химического чувства, который называется органом Якобсона. Это небольшие ямки на нёбе рептилии. Раздвоенным языком змея касается окружающих предметов или собирает молекулы пахучих веществ прямо из воздуха, а затем, втянув язык в рот, направляет кончики языка в эти ямки. Орган Якобсона – очень точный анализатор, который может распознать даже мельчайшие следы веществ, находящихся во внешней среде. Наряду со зрением и обонянием орган химического чувства позволяет легко обнаружить жертву. Есть он не только у змей, но и у других пресмыкающихся, например у ящериц.
Якобсонов орган: 1 – ноздря; 2 – носовая камера; 3 – якобсонов орган; 4 – язык; 5 – верхняя челюсть
Вдобавок к этому, у некоторых змей есть ещё один орган чувств – орган термического чувства, или теплового зрения. На морде ямкоголовых змей есть углубления, в которых находятся рецепторы, способные улавливать тепло, точнее инфракрасное излучение. Это важно при охоте на теплокровных животных, особенно в тех случаях, когда охота происходит ночью.
Утратив ноги и некоторые органы, змеи приобрели целый ряд очень полезных и эффективных органов и приспособлений, которые помогают им процветать до сих пор.
Утробные зубы
Большинство змей питаются свежеубитой добычей. Ни растительную пищу, ни даже падаль змеи не едят. Но в Африке и на Аравийском полуострове живет удивительная змея, которая ест только птичьи яйца. Называется она соответственно: яичной змеёй.
Поперечный срез яичной змеи в области пищевода: 1 – позвонок; 2 – глоточные «зубы»; 3 – стена пищевода; 4 – просвет пищевода
Обхватив яйцо челюстями, змея постепенно наползает на него, продвигая в пищевод.
Слабые зубы животного не могут раздавить яйцо, и оно целым и невредимым проталкивается всё дальше и дальше по направлению к желудку. Но, не достигнув его, яйцо напарывается на зубы, находящиеся в пищеводе. Они аккуратно надрезают скорлупу, и жидкое содержимое яйца стекает в желудок, а скорлупу в виде комка змея выплевывает через рот.
На самом деле в пищеводе никаких зубов нет, это кости. Точнее, острые отростки позвонков, прорастающие сквозь стенку пищевода.
Подвижный череп
В нашем понимании череп должен составлять монолитное крепкое образование, защищающее мозг. Подвижной может быть только нижняя челюсть. Так устроен череп человека и других млекопитающих. Однако это вовсе не значит, что это также верно для всех животных.
В Индийском океане, около Коморских островов и острова Сулавеси, живет довольно крупная рыба, поимка которой в своё время стала настоящей сенсацией в научном мире. Эта рыба принадлежит к давно вымершей, как считалось ранее, группе кистеперых рыб. Но эта преспокойно плавала в современном океане, предпочитая держаться около подводных пещер. Названа эта рыба была латимерией.
Об уникальности и своеобразности латимерии можно говорить очень много. Но мы коснемся лишь одной–единственной черты её строения – весьма своеобразного черепа. Он состоит из двух отделов: этмосфеноида и отикоокципитале. В первом, переднем отделе находятся передняя часть мозга, глаза и органы обоняния. Во втором, заднем, располагается задняя часть мозга, органы равновесия и слуха. Помимо непосредственного соприкосновения друг с другом, эти отделы соединены подстилающей их гибкой хордой. Но совсем уж необычно: два отдела черепа соединены друг с другом подвижно! Этот признак специфичен для кистеперых рыб. Движение переднего отдела черепа относительно заднего, конечно, ограничено. Функцию ограничителя Выполняет, в частности, хорда.
Латимерия
Зачем же кистеперым такой череп? По гастрономическим предпочтениям кистеперые рыбы были и остаются хищниками. Но не теми, что в погоне настигают жертву. Затаившись в засаде где–нибудь среди водорослей, они стремительно бросались на добычу и хватали её острыми коническими зубами. При этом стремительный бросок приводил к мощному удару головы о тело жертвы, и подвижный череп играл роль амортизатора, который спасал рыбу от опасного удара и сотрясения мозга.
Боковая линия
Рыбы наделены особым, очень своеобразным органом чувств, которого нет ни у одного другого позвоночного животного, за исключением личинок амфибий и взрослых особей тех видов, которые всю жизнь проводят в воде. Дело в том, что этот орган работает только в воде.
Располагается этот загадочный сенсорный аппарат не на голове, как остальные органы чувств, а по бокам тела, и называется боковой линией. Рецепторы боковой линии, как правило, располагаются в глубине кожи. Они объединены в пучки, называемые невромастами. Каждая из клеток–рецепторов имеет похожий на волос отросток. Каждая из невромаст располагается в ямке, которая открывается наружу, а ямки выстраиваются друг за другом в одну линию. Поэтому орган и был назван «боковой линией».
Подобные ямки, расположенные вдоль одной линии, есть и у бесчелюстных, например миног. Но они отличаются от боковой линии рыб одной особенностью, которая позволяет считать ямки рыб единым органом, а миног – множеством отдельных органов: у рыб ямки объединены общим каналом.
Боковая линия: А – расположение на теле рыбы; Б – срез кожи при увеличении; 1 – пора на поверхности тела; 2 – канал боковой линии; 3 – чувствительные клетки; 4 – нервы
Зачем же нужна боковая линия? Волосовидные отростки, покрытые студенистым–веществом, колеблются потоками воды, омывающими тело плывущей рыбы. Сигналы от рецепторов – невромаст – поступают в мозг рыбы. Эта информация позволяет рыбе чувствовать все колебания воды вокруг её тела, что помогает ей ориентироваться в пространстве и контролировать положение тела. Рыба, даже не видя, кто плывёт рядом, чувствует присутствие другого животного благодаря боковой линии.
Боковая линия разных рыб отличается. У некоторых рыб, например хрящевых, боковая линия – это не ряд ямок в теле, а открытые каналы. Установлено, что и ископаемые рыбы, и некоторые амфибии также имели боковую линию, возможно, в немного другом виде.
Если подробно рассматривать строение боковой линии, то окажется, что её каналы продолжаются в голове рыбы. На голове также располагаются сенсорные ямки, соединенные с каналами.
У человека и прочих млекопитающих нет боковой линии, но во внутреннем ухе есть рецепторы, имеющие волосовидные отростки, которые меняют своё положение в зависимости от положения тела.
Соль и слезы
Человек не может пить морскую воду без последствий для своего здоровья. Дело в том, что в соленой воде очень велико содержание различных солей, и наши почки просто не в состоянии справиться с их огромным количеством. Поступление такого количества солей, помимо всего прочего, приведет к полному обезвоживанию организма. Однако ряд позвоночных животных способны и пить морскую воду, и жить в ней без ущерба для своего здоровья.
Всем известно выражение «крокодиловы слезы». Оно пошло от легенды, что, съев свою жертву, крокодилы плачут, да и не просто плачут, а заливаются слезами! Но с раскаянием крокодилов эти слезы никак не связаны. Вы, наверное, знаете, что слезы соленые на вкус. А у крокодилов они ещё солонее. Слёзные железы крокодилов помогают почкам выводить из организма избыток солей. Если даже современные, пресноводные, крокодилы заливаются слезами, то как жё, наверное, рыдали морские крокодилы, жившие в мезозойских морях! Есть эта физиологическая особенность и у других рептилий, живущих в солёной воде, – морских черепах, морских игуан и морских змей. Но не только.
Около глаз некоторых морских птиц находятся клубочки мелких трубочек, окутанных кровеносными сосудами. Это и есть солевыделяющие железы, или так называемые «слезные почки». Они есть у альбатросов, чаек и других птиц и достались им в наследство от предков – доисторических пресмыкающихся.
Кости, чтобы лучше слышать
Воспринимая окружающие звуки, животные могут ориентироваться в пространстве, узнать о приближении хищника, услышать голос своего сородича, передающий какую–то информацию, – словом, органы слуха очень важны для многих живых существ. Это один из каналов, через который происходит связь с внешней средой. Но далеко не у всех животных органы слуха хорошо развиты.
Самый примитивный слуховой аппарат представлен внутренним ухом в виде парных мешочков, не соединяющихся каналами с внешней средой. Он находится внутри костей черепа. Такой вариант представлен у многих позвоночных, начиная с рыб. Есть эта конструкция и у человека, хотя у нас к ней добавляются и другие структуры: все–таки рыб и человека разделяют многие миллионы лет эволюции.
Человеческое ухо состоит из внутреннего, среднего и наружного уха. Наружное ухо – выступающая ушная раковина, которую, собственно, мы и называем ухом. Важнейшими элементами среднего уха являются малюсенькие слуховые косточки: стремя, молоточек и наковальня. Они есть у всех млекопитающих, но отсутствуют у других животных. За исключением стремени – оно есть у пресмыкающихся и даже у некоторых амфибий. Остальные две кости также достались нам от пресмыкающихся, но у них они выполняли совсем другие функции. Их41 называют по–другому: сочленовная, она же молоточек, и квадратная, она же наковальня, кости. Соединяясь друг с другом, эти кости у рептилий образовывали челюстной сустав, поскольку квадратная входила в состав верхней челюсти, а сочленовная – нижней. Хорошая звуковая передача через это соединение повлияла на дальнейшую судьбу этих костей.
В итоге челюстной сустав рептилий попал в ухо к млекопитающим, а соединение верхней и нижней челюсти у млекопитающих стало совсем иным.
Почти как у людей
Известно, что кость – хороший проводник звука. Не случайно именно кости стали передатчиком звуковых колебаний в среднем ухе. Особенно хорошо проводят звук кости, имеющие внутри полости, например кости черепа. Когда мы слышим собственный голос, доносящийся из динамика магнитофона, то удивляемся, насколько он непохож на тот голос, который мы привыкли слышать, когда говорим сами. И это не случайно. Ведь звук, воспроизводимый магнитофоном, поступает к нам через ушную раковину, то есть из внешней среды, а когда мы произносим слова, то слышим издаваемые голосовыми связками звуковые колебания, проходящие в ухо через кости черепа.
Использовать кости для проведения звука стали самые древние позвоночные, у которых настоящих слуховых косточек ещё не было. У некоторых костистых рыб парные отростки позвонков стали самостоятельными костями – их называют веберовыми косточками. Они соединяют череп и плавательный пузырь, выстраиваясь непрерывной цепочкой. Плавательный пузырь как резонатор, то есть усилитель звука, передает звуковые колебания веберовым косточкам, которые, в свою очередь, отправляют их к внутреннему уху.
Так в природе появился прообраз среднего уха за миллионы лет до появления стремени, а тем более молоточка и наковальни.
Хранитель мыслей
Первые животные, у которых был хоть и примитивный, но самый настоящий череп, появились более 500 миллионов лет назад. За многие миллионы лет эволюции череп очень видоизменился. Это касается не только его формы, но и костей, входящих в него. Некоторые кости, входившие в состав черепа и хорошо развитые, со временем из него исчезали или редуцировались. Например, парасфеноид – крупная кость в черепе рыб и некоторых земноводных у млекопитающих полностью исчезла, хотя в рыбьем черепе она имеет большое значение.
Другие кости, ранее игравшие значительную роль, сократились в размерах и еле заметны в черепе человека. Например, парные носовые кости и сошник (у низших позвоночных он тоже парный) были крупными у рыб и земноводных. Но у человека они представлены совсем небольшими косточками.
А крыловидная кость, занимавшая значительную часть нёба земноводных и рыб, постепенно сокращалась, сокращалась, уступая место другим костям, пока совсем не исчезла – в черепе человека её уже нет, хотя она и присутствует в черепах других млекопитающих.
В черепе человека одни кости получили большее развитие и разрослись, а другие, наоборот, как сошники, стали совсем маленькими.
Надо напомнить, что человеческий череп подразделяют на две части: лицевую и мозговую. По сравнению с обезьянами, а тем более другими животными, у человека мозговая часть получила большее развитие, тогда как лицевая сократилась.
Мы не будем разбирать подробное строение каждой косточки человеческого черепа, все их выступы, отверстия, неровности, а остановимся на наиболее интересных моментах. И для начала обратим внимание, на мозговую часть черепа.
Кости черепа бывают парными и непарными. В мозговой части черепа две парные кости и четыре непарные, то есть всего их восемь. Парные теменные кости образуют основную часть свода черепа.
Лоб образован крупной лобной костью. Кстати, у многих млекопитающих лобные кости тоже парные. У некоторых костей черепа есть внутренние полости. Наиболее яркий пример – именно лобная кость. Воздухоносные пазухи этой кости имеют сразу несколько предназначений. Во–первых, воздух из внешней среды, попадая туда через носовую полость, согревается и поступает в легкие теплым. Это, в свою очередь, защищает мозг от перегрева. И, в–третьих, полости делают череп более легким.
Череп человека: А – сбоку; Б – спереди; 1 – лобная кость; 2 – теменная кость; 3 – затылочная кость; 4 – височная кость; 5 – глазница; 6 – верхняя челюсть; 7 – нижняя челюсть; 8 – скуловая кость; 9 – скуловой отросток височной кости;10 – носовая кость
Есть полости и даже пещера, лабиринты и пирамида (всё это названия) и в другой, но уже парной, кости. Она называется височной. Барабанная полость выполняет совсем другую функцию, в отличие от лобных пазух. Здесь в полости пирамиды височной кости находятся ещё три малюсенькие косточки – стремя, наковальня и молоточек. Миллионы лет назад эти кости были намного крупнее и выполняли другие функции, а теперь, словно египетские фараоны, «запрятаны» в пирамиды.
Непарная клиновидная кость интересна тем, что по форме она напоминает бабочку. Она соприкасается и с головным мозгом, и с глазом, входит в состав верхней челюсти и даже виска.
Череп человека (разрез, вид сверху): 1 – глазничные отростки лобной кости; 2 – клиновидная кость; 3 – чешуя височной кости; 4 – затылочная кость; 5 – большое затылочное отверстие; 6 – отверстия, через которые выходят нервы; 7 – пирамида височной кости
Решетчатая кость совсем небольшая. Она получила своё название из–за множества отверстий, которые пронизывают её.
Если кто–то думает, что черепная коробка, или мозговая часть черепа, совершенно замкнута ц не имеет отверстий, то это не так. В различных костях черепа есть отверстия, где проходят нервы и сосуды. Самое большое отверстие находится в затылочной кости. Это большое затылочное отверстие, где спинной мозг в основании черепа переходит в ствол головного мозга. По бокам его находятся мыщелки – суставные поверхности, соединяющие первый шейный позвонок, атлант, с черепом.
Внутренняя поверхность костей мозговой части черепа несет множество неровностей.
Это каналы, места расположения сосудов, бугорки, ямки, гребни.
Между костями можно проследить места их соединения. Они выглядят как неровные швы. У новорожденного ребенка кости черепа ещё не сросшиеся. Это необходимо для прохождения его по родовым путям. Кости могут смещаться, изменяя форму головы, не повреждая при этом головной мозг. Со временем кости черепной коробки срастаются. Дольше всего остаются незаросшими участки на границе между костями, которые называются родничками.
Как жабры стали кусаться
В настоящее время круглоротые – это небольшой класс позвоночных животных, к которому принадлежат миноги и миксины. У них действительно круглые рты. И всё потому, что у них совсем отсутствуют челюсти. Что же с ними произошло, куда они подевались? Никуда, у круглоротых вообще никогда не было челюстей. Круглоротые принадлежат к группе бесчелюстных, когда–то многочисленной и разнообразной.
Минога – современный представитель круглоротых
Эти животные стали прародителями челюстноротых (всех остальных позвоночных). Но откуда появились челюсти, неужели возникли на пустом месте? Нет, такое в эволюции случается редко.
Ротовая воронка миноги
У древних (впрочем, как и у современных) бесчелюстных было несколько пар жаберных дуг. И вот те из них, что находились на уровне глотки, полностью поменяли свою функцию: вооружились зубами и стали использоваться для захвата пищи.
Так в эволюции позвоночных животных появилось важное приобретение. Теперь позвоночные животные могли ловить и удерживать добычу. Это нововведение позволило значительно расширить пищевой спектр. Прежде всего, теперь в морях стало ещё менее безопасно, так как резко увеличилось количество хищников. Нетрудно догадаться, что первыми позвоночными животными, у которых появились челюсти, были рыбы.
Волосы, чешуи, колючки, перья
Кожа большинства позвоночных животных покрыта защитным покровом. Даже, казалось бы, голая кожа амфибий имеет защитный слой слизи. Но в данном рассказе речь пойдет о твердых покровах кожи. Например, у человека этот покров представлен волосами.
Ископаемая летопись засвидетельствовала важный факт, что ещё одни из самых первых позвоночных животных имели на поверхности кожи чешуи.
Чешую, как вы хорошо знаете, имеют и рыбы. Особенно это хорошо знают хозяйки и рыбаки, которым приходится чистить рыбу. Чешуя защищает покровы рыбьего тела от различных повреждений и инфекций. Казалось бы, при выходе на сушу земноводные, или амфибии, должны были бы иметь хорошо защищенные покровы, но получилось совсем наоборот. Вы не найдете на теле лягушки ни одной чешуйки – кожа амфибий мягкая и влажная. Отсутствие защиты в виде чешуи и проницаемость кожи обоснованы тем, что лягушка дышит через кожу. Это не слишком удобно, ведь для газообмена кожа должна оставаться влажной, и амфибиям постоянно приходится находиться около воды.
Так и жили бы наземные позвоночные около воды или вели бы полуводный образ жизни, если бы некоторые из них не «решили» посмотреть, а что же находится там, вдалеке от водоема? Может, там пищи больше и врагов меньше? Это стремление «уйти от водоема» реализовали пресмыкающиеся, или рептилии.
Кожа рептилий (строение на срезе): 1 – живой слой эпидермиса; 2 – роговой слой эпидермиса; 3 – пигментные клетки эпидермиса; 4 – эпидермис; 5 – дерма; 6 – кожные окостенения
У них уже не было кожного дыхания, зато легочное дыхание стало более интенсивным. Поэтому кожа рептилий стала сухой, а покрывали её (как, впрочем, и до сих пор) роговые чешуи. Это приобретение позволило пресмыкающимся расселиться во все уголки планеты и даже занять воздушное пространство. Но и на этом эволюция покровов не закончилась.
Чтобы увеличить площадь машущей поверхности крыла, пресмыкающимся–воздухоплавателям пришлось воспользоваться кожной перепонкой, расположенной между передней лапой и туловищем.
Другие покорители воздуха пошли иным путем. У триасовой рептилии длинночешуйника некоторые чешуи сильно увеличились в размерах. За счет этого они могли использовать пучки этих чешуй для планирования. Но рептилии, летавшие похожим способом, были единичны.
Длинночешуйник (лонгисквама)
Тогда конструкторская мысль эволюции направилась иным путем. При помощи удлиненных И уплощенных чешуй вновь была увеличена площадь крыла летавших животных. Так появились пернатые – птицы. Причем надо отметить, что перья птиц выполняют не только функцию полета, они ещё и согревают животное. Не случайно первые перья, которые, вероятнее всего, выполняли функцию согревания тела, были «изобретены» не птицами. Перья имелись ещё у некоторых динозавров. У современных птиц лапы до сих пор покрыты «рептильными» чешуями, а не перьями.
От пресмыкающихся произошла ещё одна группа позвоночных животных, у которых покровы стали развиваться совсем в ином направлении. Произошло это ещё раньше, чем появилось первое перо птиц или динозавров, в конце палеозойской эры. У пресмыкающихся – звероящеров помимо роговых чешуй стали появляться волосы, то есть шерсть. Именно эти животные стали прародителями млекопитающих, покрытых шерстью. Причем следует отметить, что шерсть – это не преобразованные роговые чешуи пресмыкающихся, как может показаться, а новая производная эпидермиса.
Прикрепление пера (А) и волоса (Б): 1 – эпидермис; 2 – дерма; 3 – бородки пера; 4 разорвавшийся чехлик; 5 – полость очина пера ; б – фолликул; 7 – стержень волоса; 8 – сальная железа; 9 – волосяной фолликул; 10 – волосяная луковица
Так за миллионы лет кожные покровы позвоночных животных преобразовывались в самые различные варианты.
Откуда легкое
Только с появлением особых органов дыхания – легких – стал возможен выход позвоночных животных на сушу. Жабры, которые могли высохнуть на суше, были непригодны для дыхания вне воды. Хотя надо сказать, что некоторые сухопутные беспозвоночные все же умудряются дышать жабрами на суше. Например, ракообразные мокрицы. Но они оказались «заложниками» такого типа дыхания, обреченными жить только при очень большой влажности. Сухой воздух для жабр губителен.
А вот насекомые и все остальные трахейнодышащие членистоногие способны дышать на суше и жить в самых засушливых условиях, даже в пустынях. Они дышат трахеями, которые находятся внутри тела животных. Именно за счет трахей членистоногие вышли на сушу раньше позвоночных животных примерно на 50–70 миллионов лет.
Из позвоночных первыми выбрались на сушу и емогли почти постоянно находиться вне воды земноводные. У них уже было легочное дыхание. Но впервые появились легкие, точнее легкое, не у амфибий, а у рыб. Родоначальниками легочного дыхания среди позвоночных были рыбы: кистеперые и двоякодышащие. Первые могли не только дышать атмосферным воздухом, но и с помощью мясистых плавников вылезать на сушу.
Родоначальницей легких у позвоночных следует считать пищеварительную систему. Первое непарное легкое было выростом кишки. Его стенки были пронизаны густой сетью сосудов и, быть может, имели внутреннюю складчатую поверхность. Но только когда легкие окончательно отсоединились от кишки, а воздух в них стал поступать по особым каналам, отходящим от глотки, они стеши настоящими легкими.
По происхождению к легким близок плавательный пузырь, который такжа изначально является выпячиванием кишки. Его основная функция – поддержание плавучести тела рыбы. Но, как и примитивное легкое, у некоторых рыб он может участвовать в дыхании.
Около 400 миллионов лет назад легочное дыхание и примитивные легкие были распространены не только у кистеперых и двоякодышащих рыб. Доказательство тому – современная примитивная лучеперая рыба, которая имеет легкие. Надо, конечно, отметить,
Лёгкие и плавательный пузырь у разных групп рыб и наземных позвоночных:
I – типичный плавательный пузырь большинства рыб;
II – плавательный пузырь костных ганоидов со складчатой поверхностью , способной выполнять дыхательную функцию;
III – пузырь рыбы эритринус, открывающийся сбоку (переходная стадия от лёгкого с типичному пузырю);
IV – лёгкое двоякодышащей рыбы , переместившееся на спину;
V – лёгкое многопёра (первичный тип строения , предшествующий всем другим);
VI – лёгкие наземных позвоночных (на стадии эмбриона );
1 – пищевод; 2 – лёгкое или плавательный пузырь что все имевшие и имеющие легкие рыбы обладают или обладали ещё и жабрами.
Из доживших до наших дней двоякодышащих и кистеперых рыб легкими способны дышать только двоякодышащие рыбы. Единственная ныне живущая кистеперая рыба латимерия никогда не поднимается к поверхности воды за глотком воздуха. Её единственное легкое заполнено жировой тканью и не функционирует. Она словно «забыла» славную историю своих предков, когда кистеперые бродили по суше в поисках новых водоемов.
Необычная рептилия
Как вам хорошо известно, сердце пресмыкающихся трехкамерное – один желудочек и два предсердия. Несмотря на это, в желудочке есть перегородка, которая разделяет его на две части. Это необходимо для того, чтобы разделить кровь, поступающую из предсердий, – богатую кислородом и насыщенную углекислым газом. Но перегородка эта неполная. Она может замыкаться, соприкасаясь со стенками сердца во время его сокращения. Тем не менее кровь все равно частично перемешивается.
Такое строение сердца характерно для черепах, чешуйчатых (змей и ящериц) и клювоголовых. Это представители трех разных отрядов рептилий. Но есть ещё один отряд пресмыкающихся, который отличается по строению сердца от всех остальных рептилий. Он представляет группу, которая почти полностью исчезла с лица Земли. Это группа архозавров. Из неё до наших дней дожили только крокодилы.
Сердце крокодила (продольный разрез): 1 – правый желудочек; 2 – задняя полая вена; 3 – передние полые вены; 4 – правое предсердие; 5 – правая систолическая дуга; 6 – левая систолическая дуга; 7 – лёгочная артерия; 8 – лёгочные вены; 9 – левое предсердие; 10 – левый желудочек; 11 – паниццево отверстие
Сердце этих устрашающих рептилий имеет полную перегородку, за счет чего кровь в нем почти, не смешивается (все же маленькое отверстие в перегородке существует – оно называется паниццево отверстие). Подобная перегородка есть только в сердце птиц и млекопитающих.
Если крокодилы принадлежат столь древнему и почти полностью исчезнувшему древу, то можно предположить, что и другие представители архозавров, например динозавры и летающие ящеры, имели такое же четырехкамерное сердце, то есть были весьма высокоразвитыми пресмыкающимися.
Ещё один глаз
У некоторых рептилий и круглоротых действительно есть третий глаз. В верхней части лба этих животных (например, у отдельных ящериц) в черепе есть отверстие, затянутое кожей. В этом–то отверстии под кожей и располагается третий глаз.
Он, как остальные, более привычные для нас глаза позвоночных, по своему происхождению является выростом головного мозга, а именно промежуточного мозга. По форме он напоминает обычное глазное яблоко.
Это самый настоящий глаз, в котором ещё можно различить зачатки хрусталика и роговицы. Даже сквозь кожу он различает свет и тьму.
Когда–то давно, миллионы лет назад, древние бесчелюстные, некоторые рыбы и примитивные амфибии имели хорошо развитый третий, или теменной, глаз, который функционировал наравне с остальными двумя глазами. Первоначально он был необходим животным, которые обитали и затаивались на дне. Третий глаз осматривал ту часть пространства, которую в полной мере не могла рассмотреть пара других глаз. А ведь это очень важно – вовремя увидеть хищника, который нападает сверху. А такие, видимо, в далекой палеозойской эре преобладали.
По мере того как стали появляться быстро передвигающиеся животные, которые жили в толще воде и даже выходили на сушу, необходимость в третьем глазе отпала. Он сохранился у некоторых животных как пережиток прошлого – рудимент.
И все же он не исчез бесследно даже у тех животных, которые его совсем не имеют, в том числе и у человека. У человека и других млекопитающих он превратился в железу внутренней секреции – эпифиз (пинеальное тело). Он вырабатывает гормон мелатонин. Ученые считают, что свою зрительную функцию эпифиз полностью не потерял. Через кожу и кости черепа тоже проходят единичные частицы света. Их появление чувствует эпифиз. И в зависимости от наличия света или темноты регулирует выделение мелатонина, который важен для нормальной пигментации нашей кожи.
Кроме того, в эпифиз, пройдя по нескольким нервным путям и участкам головного мозга, поступает информация от сетчатки обычных глаз. А для некоторых животных функционирование эпифиза связано ещё и со временем размножения. Таким образом, эпифиз все время «в курсе», день или ночь у нас над головой.
Теперь мы можем научно установить эволюционную историю циклопа из древнегреческих мифов. Он произошел от миноги, изначально имел три глаза, два из которых исчезли в результате обычного биологического процесса редукции органов. Так и остался у него только один теменной глаз (и, видимо, не было эпифиза). (Вы, конечно, понимаете, что это шутка.)
Сумчатые кости
Один из важных отличительных признаков сумчатых млекопитающих от плацентарных – наличие сумчатых костей. У плацентарных, сами понимаете, они отсутствуют. Но у сумчатых в районе брюшной полости располагаются небольшие парные косточки. По происхождению они являются сесамовидными (см. с. 305). Они есть и у кенгуру, и у коалы, и у вомбата. Сумчатые кости выполняют вспомогательную функцию для поддержания сумки этих зверей. Легко ли кенгуру передвигаться, нося везде за собой сумку с тяжелым детенышем, который засиживается в ней очень долго, вырастая до совершенно немладенческих размеров? Интересно, что сумчатые кости имеются не только у самок, но и у самцов сумчатых млекопитающих.
Появились эти кости очень давно, сотни миллионов лет назад, когда млекопитающих и в помине ещё не было. Первыми их обладателями были звероящеры–териодонты. Есть они и у древних мезозойских млекопитающих, и не только у сумчатых, но и у представителей давно вымерших групп, например у эупантотериев, семитродонтов.
Тазовые и сумчатые кости сумчатых: 1 – подвздошная; 2 – седалищная; 3 – лобковая;4 – сумчатая (предлобковая)
Но более интересно не это. Сумчатые кости имели и древние плацентарные млекопитающие. Отечественный палеонтолог профессор А. К. Агаджанян считает, что наличие сумчатых костей есть признак того, что первые плацентарные животные не были таковыми. Они не могли долго вынашивать зародыш. Ведь его рост ограничивали эти самые сумчатые кости. Настоящая плацентарность возникает только тогда, когда исчезают сумчатые кости.