5Позвоночный бит
Очень здорово иметь большой мозг, плодотворное воображение, великие идеалы, но бесхребетный человек, обладающий всем этим, совершенно точно не совершит ничего полезного.
Я рос на южном берегу Лонг-Айленда и провел значительную часть детства и подросткового возраста, ловя рыбу у окрестных доков и пляжей. Вездесущие «резиновые капли», приросшие к пирсам и докам возле моего дома, были куда менее интересны, чем синие крабы, иглобрюхи и камбала. Эти капли часто называют «морскими брызгами» за их способность извергать из воронкообразных сифонов потоки воды – обычно когда их отрывают от пристанища, чтобы разглядеть, – в чем иногда был повинен и я. Однако я и понятия не имел, что с точки зрения эволюции эти похожие на картофелины шары были куда ближе ко мне и моим друзьям, чем к синим крабам, которых мы вылавливали с помощью сетей и фар.
Протохордовые – термин, который используется для описания нескольких групп беспозвоночных, считающихся ближайшими родственниками позвоночных. Протохордовые включают в себя несколько морских видов, например похожих на головастиков ланцетников (подтип бесчерепные) и миниатюрные желеобразные бочки под названием «асцидии» (они же оболочники или личиночнохордовые). Хотя трудно увязать внешность взрослых асцидий с синими китами или людьми, ученые полагают, что их личинки дают близкое представление о том, как выглядел предок первого позвоночного. Теперь, в продолжение нашей истории, мы узнаем, как эволюция изменила сердца позвоночных и как из простой трубки наших далеких протохордовых родственников возникло все разнообразие форм, включая четырехкамерное сердце синих китов и настырных двуногих, ответственных за то, что последние почти вымерли.
Личинки асцидий не имеют ничего общего со своими взрослыми формами: у них есть хвосты, которые позволяют перемещаться удлиненным телам, придавая им вид неких безголовых головастиков – который никогда не завоюет популярность у настоящих головастиков. В конце концов, пловцы, когда-то считавшиеся совершенно отдельным от взрослых асцидий видом, прицепляются к доку или подобной поверхности. Их все более студенистые тела рассасывают хвосты, отращивают пару впускных и выпускных сифонов и проводят остаток жизни, фильтруя планктон и детрит.
Хотя и это превращение из подвижного в неподвижный организм интересно, самая, возможно, захватывающая вещь в асцидии – ее сердце. Ученые, например Аннетт Хеллбах из Института биохимии Общества Макса Планка, считают, что трубчатое сердце асцидии – предшественник сердца позвоночных, особенно потому, что в нем есть электрическая проводящая система, которая позволяет обоим типам сердец генерировать свой собственный ритм ударов. Хеллбах и ее коллеги обнаружили, что сердце асцидии «сокращается от одного конца к другому, останавливается на короткое время, а потом начинает сокращаться в другом направлении»[54]32. Ученые также выделили клетки, которые располагаются на протяжении трубчатого сердца и реагируют на химические соединения, снижающие частоту сердечных сокращений. Эти клетки очень похожи на водители ритма, которые мы обсуждали раньше, обнаруженные у людей и других позвоночных животных.
Мы прерываем эту историю для краткой консультации на тему эволюции: читатели не должны пасть жертвой мнения, что термин «предшественник» (вроде использовавшегося выше) подразумевает, будто именно этот вид асцидий развился в то, что можно считать первым позвоночным пловцом. Скорее идея заключается в том, что древний предок современных асцидий мог развить достаточно приспособлений (например, отбросил стадию взрослой двугорлой банки и сформировал опорный стержень на дорсальной стороне), чтобы в случае, если какие-то люди спустя полмиллиарда лет найдут его окаменелость, они могли бы решить, что это создание больше нельзя классифицировать как протохордовое, и это хордовое[55], вполне возможно, древняя рыба.
Рыбы, амфибии и рептилии дают возможность бегло взглянуть, вероятно, на величайший сюжет естественной истории, начавшийся в море примерно 500 миллионов лет назад. Существует множество прекрасных книг, посвященных пересказу этой истории в замечательных деталях, – я особенно рекомендую «Внутреннюю рыбу» Нила Шубина[56]. Через притирки и старты, катаклизмы и удачные прорывы ветвистое дерево эволюции позвоночных привело некоторых из этих созданий от водного к наземному образу жизни, от обитания в неглубоких, теплых, бедных кислородом заводях до робкой, но в конечном счете успешной колонизации земли, моря и воздуха. Но для того, чтобы это могло случиться, в типичных для рыб системах органов должны были сформироваться серьезные эволюционные изменения, особенно в кровеносной и дыхательной.
Еще несколько строк социальной рекламы: было бы чертовски неверно предполагать, будто современные рыбы находятся на пути превращения в полурыб-полуамфибий[57] и что этим амфибиям потом придется развивать сухопутные черты рептилий и млекопитающих. Подобный ход мысли заставляет некоторых несведущих людей спрашивать, почему современные шимпанзе не эволюционируют в людей. Короче говоря, эволюция действует не так.
На самом деле исследователи полагают: переход от воды к суше произошел благодаря тому, что у относительно небольшой группы видов рыб (известных сегодня как эльпистостегиды) уже были простые легкие, с помощью которых они могли обмениваться газами между своей системой кровообращения и атмосферным воздухом. Эти легкие развились сами по себе из антигравитационных плавучих мешков, или плавательных пузырей, которые есть практически у всех рыб, кроме акул и их приятелей скатов. Поначалу легкие позволили этим древним видам колонизировать болотистые водные среды с низким содержанием кислорода: короткие лопасти плавников помогали им выгребать на мелководье. Эти рыбы добавляли к кислороду из жабр глотки воздуха, заполнявшего плавательные пузыри – которые, так уж получилось, тоже были покрыты плотной сетью капилляров. Остальное сделала диффузия.
Потом, быстрее, чем вы успели бы выговорить «полуземноводное позвоночное» (что приводит нас примерно на 375 миллионов лет назад), твари вроде крокодилоголового тиктаалика начали совершать короткие вылазки на сушу. Затем они стали использовать уже существовавшие укороченные плавники совершенно для новой цели – ходьбы. Подобно тому как древние лошади жили припеваючи потому, что развили способность есть то, что не мог есть никто другой, тиктаалик и его потомки могли найти множество наземных закусок, совершенно не встречая конкуренции со стороны других позвоночных, поскольку все остальные по-прежнему жили в воде. Как и у жующих траву лошадей, эта способность воспользоваться ресурсом (в данном случае – множеством ресурсов), который не мог использовать никто другой, стала формулой эволюционного успеха. Вполне предсказуемо это привело к взрыву видового разнообразия, так что некоторые позвоночные в конце концов эволюционировали от полуземноводных амфибий в больше привязанных к суше рептилий и, позже, некоторые рептилии эволюционировали в тех животных, которых мы теперь классифицируем как млекопитающих. Большая часть рыб, однако, остались рыбами. И за исключением относительно новых видов лягушковых клариевых сомов, илистых прыгунов и им подобных, рыбы никогда не выходили из бассейна. Но каким интересным оказался бассейн! С тех древних времен рыбы приспособились почти к любой водной среде, от грязевых луж до самых глубоких морских впадин.
Кроме того, рыбы обладают сердцем – самым близким подобием сердца беспозвоночных, что позволяет ученым получить представление о том, как могли выглядеть самые ранние сердца позвоночных. Самое существенное – в сердце рыб только одно предсердие и один желудочек. В результате их система кровообращения не разделена на два отдельных круга, как у других позвоночных, но состоит из одного непрерывного круга.
К предсердию и желудочку у рыб добавлены два дополнительных отсека, через которые кровь выходит и входит. Все четыре камеры расположены примерно на одной линии. Венозная кровь, направляющаяся из тела в сердце, сперва поступает в венозный синус: большую сборочную камеру, которая пропускает кровь в тонкостенное предсердие. Предсердие сокращается и посылает кровь в желудочек с толстыми стенками, из которого она выходит в артериальную луковицу, грушевидную (как правило) структуру, состоящую в основном из гладких мышц и эластичных волокон, построенных из белков эластина и коллагена. Когда желудочек сокращается, артериальная луковица заполняется кровью, ее расширяющиеся стенки р-а-с-т-я-г-и-в-а-ю-т-с-я, приспосабливаясь к объему. После того как луковица наполнится, она восстанавливает объем, перекачивая кровь от сердца в жабры с постоянными давлением и скоростью, даже когда сердце сокращается. Эта функция жизненно важна, потому что перистые жабры очень тонкие. Без артериальной луковицы сокращение желудочка могло бы вызвать внезапное повышение артериального давления, которое может повредить жабры.
Преимущества эластичной (или потенциальной) энергии были достаточно значительны, чтобы сохраниться на протяжении всей эволюции сердца млекопитающих, и по этой причине некоторые из наших крупнейших артерий называются «эластичными артериями». Как и в артериальной луковице, их стенки богаты эластином, такими же упругими волокнами, которые обнаруживаются и в коже[58]. Пример эластичной артерии у млекопитающих – аорта, которая растягивается, когда наполняется кровью из сокращающегося левого желудочка. Затем желудочек восстанавливает объем, энергия, сохраняющаяся в стенках аорты, переносится на кровь, выходящую из левого желудочка.