Зачем нужен скелет?

Скелеты

Странный, по меньшей мере, вопрос. Без скелета животные напоминали бы мягкотелых медуз. Как бы они передвигались по суше? Как поддерживались бы внутренние органы? Чем был бы защищен нежный и уязвимый головной мозг?.. Все это верно, и все-таки вопрос не так уж прост.

ГДЕ ИСКАТЬ СЛЕДЫ ГЕМОГЛОБИНА

Профессор П. А. Коржуев готовит сейчас к печати труд о гемоглобине. Он работал над ним двадцать лет, хотя ему и кажется, что исследования начались недавно. Память хранит подробности первой экспедиции на Баренцево море, положившей начало книге. На поиски новых фактов приходилось выезжать в тайгу, в горы, в пустыню, в тундру. Следы эволюции гемоглобина Коржуев встречал в организмах самых различных обитателей Земли, дыхательные пигменты — прямую родню нашего пигмента крови — он отыскивал и в клетках растений, и в клетках бактерий. Чем детальнее он изучал строение крови, тем глубже уходил в дебри эволюции. И неудивительно: без дыхательных пигментов, помогающих клеткам извлекать из окружающей среды кислород, нет и самой жизни.

Построив схему родства живого мира по гемоглобину, которая с тех пор фигурирует в учебниках, Коржуев получил новое подтверждение общности происхождения всего живого на Земле — на рисунке выросло ветвистое генеалогическое древо крови. А прослеживая изменения гемоглобина, он неизбежно сталкивался с превращениями скелета.

Проблема обеспечения организма кислородом на протяжении всей истории живого мира была не менее важной — наверное, даже более важной, — чем проблема питания. Способы добывания пищи, как и «способы добывания кислорода», то есть дыхания, кровообращения и кроветворения, в значительной мере определяли изменение строения тела животных, направление их развития. Вот убедительный пример.

«ГОЛЫЕ ГАДЫ»

Не раз перед многими видами животных в истории их развития возникала угроза голода, но голода не в обычном смысле слова, а — кислородного. Без пищи какое-то время протянуть еще можно, без дыхания клетки гибнут моментально. Угроза появлялась тогда, когда, скажем, условия жизни на планете изменялись. Когда, например, водные позвоночные впервые очутились на суше, покинув океан — колыбель жизни. Выброшенные из воды, рыбы очутились на две другого океана — воздушного. Но здесь они не могли дышать: жабры здесь не годились. Надвигалась и еще одна опасность — гибели от высыхания: ведь через обширную площадь жаберных лепестков из организма катастрофически быстро испарялась влага. Спастись можно было, лишь утратив покровы тела, «спрятав» органы дыхания вглубь, вернувшись к древнейшему из известных способов дыхания — к дыханию всей поверхностью тела. За утрату покровов ученые окрестили первых выходцев на сушу — земноводных — «голыми гадами». Среди современных земноводных все еще встречаются виды, которые дышат одной кожей: безлегочные саламандры.

безлегочная саламандра

Почти те самые, которые — по утверждению Карела Чапека — о любят читать газету, сидя в бассейне. У большинства современных земноводных и сейчас кожное дыхание составляет половину общего газообмена. А вторую половину осуществляют весьма несовершенные легкие.

Выбравшись на берег, земноводные заплатили за новый образ жизни необходимостью постоянно жить возле воды, чтобы поминутно увлажнять свою «голую» кожу. Удались они от водоемов, они бы погибли. Лишь рептилии, легкие которых усовершенствовались, вновь обрели покровы тела и навсегда покинули прибрежную зону, став настоящими наземными жителями.

Жизнь на суше потребовала от ее обитателей огромных затрат энергии, передвигаться здесь приходилось, не полагаясь на спасительный закон Архимеда. Выросла потребность в энергии — возросла потребность в кислороде, а значит и в гемоглобине, то есть в общем количестве крови. Ведь гемоглобин содержится в эритроцитах — красных клетках крови. Измеряя количество крови у разных видов животных, Коржуев убедился, что, действительно, ее сравнительно немного у рыб (по отношению к общему весу тела). У земноводных — больше, еще больше у рептилий, у птиц и, наконец, очень много у млекопитающих, особенно у подвижных. Таким образом, количество крови оказывается пропорционально энергетическим потребностям и затратам организма. Дальше, если у рыб насчитывается всего около 150 000 красных кровяных шариков в одном кубическом миллиметре крови, то у птиц их уже 3 000 000, то есть в двадцать раз больше, а у млекопитающих в двадцать семь раз больше, чем у рыб. Следовательно, с ходом эволюции не только крови становится больше, но и сама она изменяется, делаясь более насыщенной красными шариками, более работоспособной.

ПРОИЗВОДСТВО КРОВИ РАСШИРЯЕТСЯ

Но откуда появляется это обилие кровяных клеток? У водных животных, например у рыб, «фабрикой крови» служит печень, почки, стенки кишечника. Наземным жителям необходимо гораздо больше эритроцитов. Старые органы кроветворения, со своей «устаревшей технологией», не могут удовлетворить возросшие потребности. Значит, с выходом на сушу у земноводных должны были появиться и новые органы кроветворения. Так и случилось: возник костный мозг.

Надо сказать, что до 1946 года по этому вопросу единого мнения ученых не существовало. Некоторые зоологи полагали, что у первых обитателей суши — хвостатых земноводных: саламандр, амблистом — костного мозга нет, а у бесхвостых, то есть лягушек и жаб, он есть.

В самых основательных трудах и справочниках по сравнительному изучению крови в графе «Костный мозг хвостатых амфибий» стоял прочерк. «Судя по количеству крови — это ошибка. У хвостатых амфибий должен быть костный мозг», — такую гипотезу высказал на основе изучения крови профессор П. А. Коржуев. «Я высказал предположения о существовании костного мозга у хвостатых амфибий, не будучи знаком с давним спором зоологов, — рассказывает он. — Логика подсказала, что иначе не может быть».

хвостатые амфибии

Догадку ученого подтвердил на опыте чешский исследователь Варичка, обнаружив у хвостатых амфибий костный мозг. Оказалось, что под микроскопом его легко увидеть на тканевых срезах весной, когда саламандры активны, а их ткани распускаются, точно листва деревьев. Конечно, у земноводных огромную роль еще играет и старый орган кроветворения — селезенка. Когда эта догадка Петра Андреевича подтвердилась, у него возникла другая, на этот раз совершенно «еретического» характера.

Ученый теперь не сомневался, что количество костного мозга, количество крови пропорционально энергетическим тратам организма. Кроме того, он все больше убеждался в том, что между скелетом и кровью существует глубочайшее единство. Располагаясь в перекладинах костной ткани, костный мозг утяжеляет скелет. Утяжеляет… В то же время он необходим, ибо потребности организма в кислороде растут. Что же, какое требование побеждает?

Принято думать, например, что среди наземных животных самый легкий скелет у птиц. Верно ли это? Верно ли, что у птиц кости легче, чем у неуклюжих, шлепающих животом по лужам лягушек и жаб, чем у земноводных. «Да», — гласил традиционный ответ. «Нет», — сказал Коржуев. Ведь стремительный полет стрижа или многодневный перелет уток — это огромная нагрузка на систему кровообращения. Птице необходимо обеспечивать организм кислородом. А значит, без хорошо развитого костного мозга и, стало быть, без развитого скелета она задохнется, как больной без кислородной подушки.

птица пастушок

Свои теоретические выводы Коржуев стал проверять экспериментально. Путь экспедиции, которую он возглавил, лежал в Кзыл Агач: птичий заповедник у границы с Ираном. Сюда, на бывший остров Сара, после обмеления Каспийского моря ставший полуостровом, издавна слетаются утки и гуси, лысухи и бакланы, чомги и стрепеты, пеликаны и фламинго. В Кзыл-Агаче зимой тепло, всегда найдется обильная пища.

На полуострове биологи расположились надолго. Они измеряли количество крови у самых разных птиц, считали эритроциты, вычисляли процент гемоглобина, определяли сравнительную тяжесть костного мозга, вес скелета с костным мозгом и без него. Выводы их работы? У птиц скелет оказался тяжелее, чем у земноводных!

ГДЕ НАХОДИТСЯ ФАБРИКА КРОВИ?

Костный мозг издавна привыкли рассматривать как «орган кроветворения». Студенты- медики и биологи знают, что в учебниках его обычно не причисляют к системе кровообращения, но не относят, собственно говоря, и к скелету. Пишут, что «он располагается в кости». Здесь вкрадываются две принципиальные ошибки.

В учебных схемах замкнутой системы кровообращения у человека и других высокоорганизованных животных костный мозг, как правило, отсутствует. Словно его забыли. Получается, конечно, непреднамеренно, что эритроциты так и пребывают постоянно в сосудистом русле. А ведь если схему уточнить, то «замкнутая» система кровообращения оказывается «открытой»: она связана с костным мозгом, а стало быть и со скелетом, откуда в кровь поступают эритроциты. Она связана и с органами выделения, куда из крови уходят тельца, окончившие свою жизнь.

«Орган» или «не орган»… Дело не в словах. Спор идет не о термине, а по существу. Многолетние исследования крови ясно показывают, что истинным «органом кроветворения» является наш скелет, кости. Ведь у костного мозга нет даже четко очерченных границ. Клетки костной ткани рождаются из тех же клеток, из которых рождаются красные и белые кровяные тельца. Костный мозг — составная часть скелета, а не «орган».

Итак, сравнительное изучение крови различных животных, исследование гемоглобина показало, что с появлением на суше первых наземных животных у скелета появилась новая функция — кроветворения.

Архар

Высокогорные архары-предки наших домашних овец — обладатели роскошных рогов. Чем они выше живут, тем рога больше. Спрашивается, зачем они высокогорным животным? Они ведь мешают преодолевать уступы и скалы, они делают животное тяжелее, сковывают его подвижность. Рога — турнирное оружие, — объясняют некоторые ученые. Но, кажется, дело не только в этом.

В рогах имеется костный стержень. И не исключено поэтому, что рога служат горному животному дополнительным очагом кроветворения. Ведь в горах потребность в кислороде та же, что и на уровне моря, а в воздухе его содержится меньше. Поэтому интенсивность кроветворения в горах резко возрастает. У овец, например, которых гонят на альпийские пастбища, кроветворение заметно увеличивается.

верблюжонок

Вот другой пример: взгляните на фотографию верблюжонка. Зачем малышу такие длинные ноги? Зоологи долго думали над этим. А теперь это понятно. Трубчатые кости новорожденных верблюжат буквально забиты красным костным мозгом. В пустыне — где чахлая растительность, суровые климатические условия, там «запас прочности» в виде большой массы костного мозга обеспечивает возможность приспособиться к суровой жизни. Или скелет кита, он огромен — тридцать процентов от веса всего тела. И все губчатые его поры заполнены костным мозгом, вырабатывающим огромные массы эритроцитов с гемоглобином в очень высокой концентрации.

Кости не только выполняют «функцию опоры», это не только «рычаги движения», — как пишут учебники — каркас для прикрепления внутренних органов и место для развития органов кроветворения. Скелет сам и есть — «орган кроветворения», фабрика крови. Это — активная жизнедеятельная часть организма. Возможно, даже самая активная — частота деления клеток костного мозга выше, чем клеток любой другой ткани.

Интересно, между прочим, что когда речь заходила об эволюции, до сих пор обычно не учитывались силы гравитации — тяготения. Вспомните, что в воде эти силы действуют слабее, чем на суше. И когда животные из океана вышли на землю, перемена гравитационного воздействия должна была сказаться на их скелете. Как? Этого пока никто точно не знает. Сейчас можно только делать предположения.

Передвигаясь по суше, животные должны были тратить на преодоление сил гравитации гораздо больше энергии, чем прежде. А энергия, значит — кислород, кровь, органы кроветворения. Именно «энергичность», «энергоемкость» наземного образа жизни, считает П. А. Коржуев, и определила большую мощность новых очагов синтеза гемоглобина — костного мозга. А, может быть, она была и прямой причиной возникновения мозга в костях.

Но если это верно, то устранение гравитации на долгое время (например, длительное состояние невесомости), может, как кажется, привести даже к угнетению костного мозга. Конечно, это предположение нуждается в проверке. Вот почему зная, как эволюционируют кровь и органы дыхания, мы можем делать выводы об эволюции скелета. Как видите, следы гемоглобина могут рассказать о многом!

Автор: Ю. Шишина.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *