Странности нашей эволюции - Кит Харрисон

Рыба плавает, сгибая тело в противоположные стороны и отталкиваясь от воды боками. Это похоже на свободную с одного конца веревку, которую трясут так, чтобы она изгибалась из стороны в сторону. Для такого движения у животного должны по очереди сокращаться группы мышц, расположенные с противоположных сторон позвоночника. Вода поддерживает тело рыбы в вертикальном положении, так что единственная функция позвоночника — это не дать рыбе изогнуться подковой или сложиться пополам, когда сократятся мышцы с одной стороны тела. На этой стадии эволюции центральная струна тела была довольно слабой и исполняла роль опоры для мышц совершавших волнообразные движения. Древние рыбы плыли вперед исключительно благодаря волнообразным движениям, но движения рыб не были особенно точными, да и положение в пространстве не отличалось устойчивостью, ведь они могли легко перевернуться. Вскоре у рыб появились новые приспособления для передвижения и для сохранения равновесия, а именно плавники, и некоторые из них впоследствии преобразились в руки и ноги.

Плавники

У древних бесчелюстных рыб плавники располагались вдоль срединной линии. Ученые предполагают, что у некоторых рыб вдоль всего тела по бокам шли непрерывные складки кожи. Со временем эти складки сократились до одной пары плавников у переднего края и одной пары плавников у заднего края. 

Рисунок, изображающий, как складки кожи древних бесчелюстных рыб могли превратиться в две пары плавников.

Даже в наши дни у современных рыб, разнообразные плавники которых могут располагаться на спине, в нижней части тела и на хвосте, сохраняется только по два вида парных плавников — грудные спереди и брюшные сзади (хотя у некоторых видов рыб брюшные плавники «переместились» вперед и теперь находятся ниже и спереди от грудных плавников). Современные рыбы используют парные плавники в качестве тормоза или для совершения медленных движений. Именно из-за того, что продольные складки кожи сократились до двух пар плавников, у всех других позвоночных, включая нас, имеются две пары конечностей — передние и задние. От этих парных плавников в процессе эволюции произошли наши руки и ноги; они начинают формироваться еще у маленького зародыша не более 5 мм длиной и представляют собой поначалу по две полукруглые складки с обеих сторон тела. Если бы у древних рыб сформировалось три пары плавников, то сейчас бы у нас было шесть конечностей, но четырех оказалось достаточно для того, чтобы придать древним рыбам равновесие — одна пара перед центром тяжести и одна пара позади него.

Челюсти

К тому времени, как образовались грудные и брюшные плавники, естественный отбор привел также к значительным изменениям в передней части многих рыб. Внутри головы, сформированной у древних рыб внешними костяными пластинами, начали формироваться челюсти. У самых древних рыб, как и у современных акул, с обеих сторон головы располагались ряды жаберных щелей. Между этими щелями кожу в растянутом состоянии поддерживали косточки, называемые жаберными дугами. Со временем первая дуга в каждом ряду постепенно растягивалась вдоль рта, до этого представлявшего собой простое отверстие. Благодаря этим костям рот обретал форму, и так появились первые челюсти. 

Одна из реконструкций процесса превращения жаберных дуг в челюсти.

Благодаря такому приспособлению рыбы получили возможность питаться более твердой пищей, захватывая и удерживая ее ртом. До этого они питались мелким планктоном, процеживая его из воды. Скорее всего, это преимущество и позволило закрепиться такому ярко отличительному признаку. После этого произошло еще одно важное изменение: у части пластин, располагавшихся вокруг рта, начали формироваться острые зазубренные края, позволявшие еще крепче удерживать добычу. Так в ходе естественного отбора из пластин, в придачу к недавно образовавшимся челюстям, сформировались зубы.

От плавников к конечностям

У современных рыб мышцы, контролирующие движения парных плавников, находятся внутри тела. Наружу выступают только тонкие мембраны, поддерживаемые тонкими костистыми подпорками. Мы же произошли от кистеперых рыб — древнего типа костных рыб, у которых мышцы, контролирующие движения парных плавников, располагались снаружи, в мясистых отростках, заканчивающихся плавниками. Сегодня такой тип рыб представлен лишь немногими дожившими до наших дней видами, вроде целаканта в Индийском океане или тропических пресноводных двоякодышащих рыб, но в древности, примерно до 255 миллионов лет назад, они были очень широко распространены в пресноводной среде обитания.

 Кистеперая рыба пандерихтис (длина примерно 1 м).

Биологи пока не знают, почему у кистеперых рыб возникли такие мясистые плавники. По мере того как некоторые виды рыб покидали моря и осваивали новые места обитания, реки, озера и болота, они все чаще попадали в мелкие водоемы. Мясистые плавники, скорее всего, помогали им пересекать самые мелководные участки, поросшие растениями. Во время плавания такие плавники помогали рыбам увереннее двигаться вперед, отталкиваясь от камней или водорослей. На небольшой скорости движения этих плавников дополняли движения хвоста.

В любом случае мясистые плавники оказались весьма удачным нововведением для пресноводной среды обитания. У некоторых групп рыб плавники на конце выростов и вовсе утратились, сменившись рядом костей. Ими можно было цепляться за камни и растения; возможно, благодаря им увеличивалась поверхность выростов, а следовательно, и сила отталкивания от воды. Какова бы ни была причина, но эти костистые отростки позже превратились в пальцы рук и ног.

Такие древние рыбы, передвигавшиеся по озерам и болотам с помощью своих примитивных мышечных «конечностей», постепенно приспосабливались к жизни на мелководье, но здесь их поджидали опасности, с которыми их морские предки ранее никогда не сталкивались.

Легкие

Пресные водоемы, особенно мелкие, во время жары катастрофически теряют кислород. Даже при 15 °C вода содержит лишь треть кислорода от того количества, что содержится в атмосфере. Сегодня многие пресноводные рыбы реагируют на его недостаток так: они всплывают к поверхности, где содержание растворенного кислорода выше. Там некоторые виды рыб даже приспособились хватать насекомых, летающих над поверхностью воды, заглатывая при этом немного воздуха. От этого остается лишь один шаг к потреблению кислорода непосредственно из воздуха, необходим только способ усваивать его.

У современных рыб дыхательные органы развивались несколько раз независимо у разных групп, живущих в пресных водоемах с резкими сезонными колебаниями уровня содержания кислорода. В качестве примера можно привести электрического угря, который заглатывает воздух и впитывает кислород через тонкую кожу в ротовой полости, а также хоплостернума из семейства панцирных сомов, который тоже заглатывает воздух и усваивает его в кишечнике, где имеются участки с особо тонкими кровяными сосудами. Нетрудно представить, что древние рыбы, обитающие в схожей среде, научились дышать воздухом по той же причине. Чем лучше у них это получалось, тем меньше они зависели от воды и тем больше у них было шансов выжить. У некоторых рыб даже появились специальные органы для усваивания атмосферного воздуха, которые мы называем легкими.

У эмбрионов всех дышащих воздухом позвоночных, в том числе и у нас, легкие развиваются из выроста кишки зародыша, а это дает повод предположить, что наши древние предки-рыбы заглатывали воздух и усваивали его в кишечнике подобно современному хоплостернуму. Это также объясняет, почему мы дышим и поглощаем пищу через одно и то же отверстие, то есть через рот, и почему дыхательное горло ответвляется от пищевода в горле. (Мы также можем дышать носом, но это всего лишь трубка, ведущая к ротовой полости.)

Выход на сушу

Первые рыбы вышли на сушу более 360 миллионов лет назад, в эпоху чередующихся засух и наводнений, когда эволюция создала много новых типов рыб.

Никто точно не знает, почему рыбы вышли на сушу, но сегодняшние позвоночные успешно осваивают различные среды обитания. Некоторые млекопитающие большую часть времени проводят в воде (выдры, бобры), другие очень хорошо приспособились к водному образу жизни (тюлени и морские львы), а некоторые полностью переселились в водную среду (киты, дельфины, дюгони, ламантины). Млекопитающие могут питаться в воздухе и приспосабливаться к воздушной среде обитания (летучие мыши). Птицы также могут находить пропитание в воде (утки, лебеди, пеликаны), а некоторые приспособились к водному образу жизни (пингвины), хотя постоянно живущих в воде птиц не существует. Многие птицы находят пропитание на земле, некоторые даже утратили способность летать (страусы, нанду, киви). Многие рептилии приспособились к водному образу жизни (крокодилы, морские игуаны), а некоторые виды почти всегда обитают в воде (морские черепахи, морские змеи). В доисторические времена некоторые пресмыкающиеся были полностью водными (ихтиозавры, плезиозавры) или летающими (птерозавры) животными. Беспозвоночные также приспособились к самым разным средам обитания. Улитки, ракообразные и черви обитают в океанах, в пресных водах и на суше. Поэтому не стоит удивляться, что некоторые древние рыбы приспособились к «пограничному» образу жизни вдоль берегов древних рек и озер. Для животных, которые уже научились заглатывать воздух и шагать в воде, это был совсем незначительный шаг.