Наука
Наша общая рука
Текст: Карл Зиммер Иллюстрации: Брайан Кристи
20 июня 2012
Скелет передних конечностей у самых разных позвоночных – от лягушек до слонов, от летучих мышей до людей (на фото) – имеет один и тот же план строения: фаланги пальцев соединяются с костями запястья, а те прилегают к двум костям предплечья, которые идут к одной длинной кости, сочлененной с плечевым суставом.
Фото: Брайан Кристи
Дельфины произошли от сухопутных копытных млекопитающих, которые перебрались в море около 50 миллионов лет назад. Копыта предков превратились в плавники, благодаря которым дельфины стали искусными пловцами. У разных видов плавники приспособлены к разным потребностям их обладателей: длинные и узкие хороши для быстрых пловцов, а широкие и короткие – для тех, кому нужно маневрировать в ограниченном пространстве и совершать резкие повороты.
Фото: Брайан Кристи
На пальцах кошек растут длинные изогнутые когти. Большую часть времени связки, идущие поверх костей, удерживают когти спрятанными в своеобразных ножнах. Ловя добычу, кошка подпрыгивает на задних лапах, а передние вытягивает вперед. Мышцы в них сокращаются, выталкивая когти наружу, словно лезвия финки. Когда когти впиваются в жертву, кошка переносит вес на задние лапы, а передними тянет добычу в пасть.
Фото: Брайан Кристи
За время эволюции появились тысячи видов лягушек, лапки которых претерпели разные изменения, зависящие от того, какие действия совершают ими обладательницы. У видов, обитающих в воде, образовались перепонки, превратившие лапы в ласты. У древесных лягушек, чтобы лазить по деревьям, сформировались длинные пальцы, а на них – крошечные клейкие диски, которые помогают этим земноводным удерживаться на гладких листьях.
Фото: Брайан Кристи
Крыло летучей мыши похоже на кожистую перепонку, но внутри нее – плоть и пять пальцев. Кости выполняют такую же функцию, как шесты шатра: растягивают перепонку, чтобы она могла опираться на воздух и поднимать тело летучей мыши над землей. Двигая пальцами тем или иным образом, летучая мышь может маневрировать в лесу; зависать над цветком, чтобы поесть нектар; нырять в отверстие пещеры.
Фото: Брайан Кристи
Конечности слона приспособлены к тому, чтобы выдерживать колоссальный вес туши. Толстые кости пальцев (недавние исследования показывают наличие шестого, ложного, пальца, который изначально состоит из хряща, но у некоторых пожилых слонов окостеневает) выполняют функцию основания колонны. Подушка волокнистой жировой ткани гасит удар каждого шага. Жилы и связки поглощают часть энергии, выделяющейся от столкновения подошвы ноги с землей, и отдают ее, когда нога поднимается. То есть слон в буквальном смысле слова шагает, словно на пружинах.
Фото: Брайан Кристи
Необычайно длинный палец айе-айе (мадагаскарской руконожки) позволяет этому зверьку добывать пищу, недоступную другим обитателям мадагаскарских лесов. Одно из его любимых лакомств – личинки насекомых, скрывающиеся под корой деревьев. Айе-айе постукивает по стволу своим особым пальцем, прислушивается к звукам и вынюхивает личинок, а затем выгрызает в коре дырку. Шаровидный сустав у основания этого пальца позволяет руконожке просовывать его под любым углом в отверстие, чтобы нанизать личинку на коготь и вытащить наружу.
Фото: Брайан Кристи
Исследуя эволюцию человеческой руки, ученые приходят к выводу, что люди связаны родственными узами и с дельфинами, и с летучими мышами, и с другими позвоночными.
Кисть руки – это орган, с помощью которого мы познаем реальный мир. Притягиваем его к себе или отталкиваем. Мы, люди, пользуемся руками, чтобы разводить костры и шить лоскутные одеяла, управлять самолетами и вырезать опухоли, стучать по клавиатуре компьютера. Конечно, уникальным наш биологический вид делает человеческий мозг с его бесконечными творческими возможностями, но, не будь у нас рук, все великие мысли, рожденные мозгом, оставались бы лишь невоплощенными идеями.
Причина, по которой мы можем совершать руками множество действий, заключается в удивительной анатомии наших верхних конечностей. Под кожей скрывается сложнейшее переплетение тканей. Одним только большим пальцем управляют девять разных мышц. Некоторые из них крепятся к костям кисти, другие уходят в предплечье. Запястье представляет собой подвижный комплекс костей и связок, пронизанный кровеносными сосудами и нервами. Отсюда отростки нервов расходятся к кончику каждого пальца.
Рука способна совершать как мельчайшие и точные, так и размашистые и мощные движения. Часовщик может устанавливать на место микроскопические детали; подающий в бейсболе пользуется тем же анатомическим механизмом, чтобы посылать мяч со скоростью 160 километров в час. Рука – настолько замечательное приспособление, что известный шотландский хирург сэр Чарлз Белл в 1833 году даже написал книгу, посвященную этому органу и озаглавленную «Кисть руки, ее механика и важнейшие особенности как доказательство божественного замысла». В то время начинали распространяться эволюционные идеи, но Белл полагал, что внимательный взгляд на устройство руки способен развеять подобные глупые заблуждения. «Она являет собой последнее и наилучшее доказательство принципа приспособляемости как свидетельства божественного творения», – писал он. В доводах Белла было лишь одно слабое место: он не объяснял, почему у других живых существ тоже есть кисти. Ведь никто же не сомневается, что пять пальцев, которыми заканчивается рука орангутана, – это именно кисть, и ничто иное.
«Что может быть любопытнее того, – спрашивал он, – что пригодная для хватания рука человека, роющая лапа крота, нога лошади, ласт дельфина и крыло летучей мыши построены по тому же самому образцу?». Для Дарвина ответ был очевиден: люди связаны родственными узами и с летучими мышами, и со всеми другими позвоночными, у которых есть конечности, и все мы унаследовали эти органы от общего предка.
Исследуя эволюцию конечностей, ученые в последние полтора века постоянно обращаются к ископаемым остаткам, обнаруженным на всех континентах; сравнивают анатомическое строение передних конечностей у ныне живущих позвоночных; изучают гены, отвечающие за их развитие, – и снова и снова убеждаются в правоте Дарвина. Этот орган появился не позднее 380 миллионов лет назад, развились конечности на основе плавников, но не плоских ажурных плавничков золотой рыбки, а из мускулистых, мощных плавников вымершей группы кистеперых рыб. Внутри этих плавников было несколько коротких и толстых костей, соответствующих костям наших рук. Со временем у потомков этих рыб возникли и мелкие косточки, соответствующие костям запястий и пальцев. Затем пальцы оформились и отделились друг от друга, что позволило животным пробираться сквозь подводную растительность, хватаясь за нее.
Первые «руки» выглядели более экзотично, чем любая из нынешних: у одних видов животных было по семь пальцев, у других – по восемь. Но к тому времени, когда позвоночные выбрались на сушу, около 340 миллионов лет назад, число пальцев уже сократилось до пяти, и больше никогда не увеличивалось. Разнообразие передних конечностей велико и среди ныне существующих видов, от ласт дельфина до крыльев орла и лап-крючков ленивца. Изучая этот орган, ученые начинают понимать, какие именно молекулярные изменения привели к таким значительным изменениям, и осознавать, что, несмотря на внешние различия, все передние конечности на эмбриональной стадии развиваются по одному плану.
Существует система генов, отвечающих за формирование этого органа, и все разнообразие передних конечностей предопределено перестройками в этой системе. Одни гены отвечают за образование запястья, другие – за пальцы. Достаточно мельчайшего генетического сдвига, и пальцы удлиняются или частично исчезают, а когти превращаются в ногти. Насколько непохожими внешне ни казались бы крыло грифа и лапа льва, разница между ними может сводиться к мелочам: немножко больше одного белка тут, немножко меньше другого белка там.
Причина, по которой мы можем совершать руками множество действий, заключается в удивительной анатомии наших верхних конечностей. Под кожей скрывается сложнейшее переплетение тканей. Одним только большим пальцем управляют девять разных мышц. Некоторые из них крепятся к костям кисти, другие уходят в предплечье. Запястье представляет собой подвижный комплекс костей и связок, пронизанный кровеносными сосудами и нервами. Отсюда отростки нервов расходятся к кончику каждого пальца.
Рука способна совершать как мельчайшие и точные, так и размашистые и мощные движения. Часовщик может устанавливать на место микроскопические детали; подающий в бейсболе пользуется тем же анатомическим механизмом, чтобы посылать мяч со скоростью 160 километров в час. Рука – настолько замечательное приспособление, что известный шотландский хирург сэр Чарлз Белл в 1833 году даже написал книгу, посвященную этому органу и озаглавленную «Кисть руки, ее механика и важнейшие особенности как доказательство божественного замысла». В то время начинали распространяться эволюционные идеи, но Белл полагал, что внимательный взгляд на устройство руки способен развеять подобные глупые заблуждения. «Она являет собой последнее и наилучшее доказательство принципа приспособляемости как свидетельства божественного творения», – писал он. В доводах Белла было лишь одно слабое место: он не объяснял, почему у других живых существ тоже есть кисти. Ведь никто же не сомневается, что пять пальцев, которыми заканчивается рука орангутана, – это именно кисть, и ничто иное.
«Что может быть любопытнее того, – писал Дарвин, – что пригодная для хватания рука человека, роющая лапа крота, нога лошади, ласт дельфина и крыло летучей мыши построены по тому же самому образцу?»В других случаях требуется присмотреться повнимательнее. Так, крыло летучей мыши выглядит как кожистая перепонка, но под кожей – те же пять пальцев, что и у орангутана или у человека, а также запястье, состоящее из того же комплекса костей, которые, в свою очередь, соединены с теми же длинными трубчатыми костями предплечья. Чарлз Дарвин в «Происхождении видов» обратил внимание на это странное совпадение.
«Что может быть любопытнее того, – спрашивал он, – что пригодная для хватания рука человека, роющая лапа крота, нога лошади, ласт дельфина и крыло летучей мыши построены по тому же самому образцу?». Для Дарвина ответ был очевиден: люди связаны родственными узами и с летучими мышами, и со всеми другими позвоночными, у которых есть конечности, и все мы унаследовали эти органы от общего предка.
Исследуя эволюцию конечностей, ученые в последние полтора века постоянно обращаются к ископаемым остаткам, обнаруженным на всех континентах; сравнивают анатомическое строение передних конечностей у ныне живущих позвоночных; изучают гены, отвечающие за их развитие, – и снова и снова убеждаются в правоте Дарвина. Этот орган появился не позднее 380 миллионов лет назад, развились конечности на основе плавников, но не плоских ажурных плавничков золотой рыбки, а из мускулистых, мощных плавников вымершей группы кистеперых рыб. Внутри этих плавников было несколько коротких и толстых костей, соответствующих костям наших рук. Со временем у потомков этих рыб возникли и мелкие косточки, соответствующие костям запястий и пальцев. Затем пальцы оформились и отделились друг от друга, что позволило животным пробираться сквозь подводную растительность, хватаясь за нее.
Первые «руки» выглядели более экзотично, чем любая из нынешних: у одних видов животных было по семь пальцев, у других – по восемь. Но к тому времени, когда позвоночные выбрались на сушу, около 340 миллионов лет назад, число пальцев уже сократилось до пяти, и больше никогда не увеличивалось. Разнообразие передних конечностей велико и среди ныне существующих видов, от ласт дельфина до крыльев орла и лап-крючков ленивца. Изучая этот орган, ученые начинают понимать, какие именно молекулярные изменения привели к таким значительным изменениям, и осознавать, что, несмотря на внешние различия, все передние конечности на эмбриональной стадии развиваются по одному плану.
Существует система генов, отвечающих за формирование этого органа, и все разнообразие передних конечностей предопределено перестройками в этой системе. Одни гены отвечают за образование запястья, другие – за пальцы. Достаточно мельчайшего генетического сдвига, и пальцы удлиняются или частично исчезают, а когти превращаются в ногти. Насколько непохожими внешне ни казались бы крыло грифа и лапа льва, разница между ними может сводиться к мелочам: немножко больше одного белка тут, немножко меньше другого белка там.
