Как ни беше направена главата: какво е череп и как се оформи

След Прекембрия със странните му многоклетъчни организми настъпва еволюционен скок, в резултат на което се появяват съвременните видове живи същества, по-специално хордатите. От тях гръбначните животни също водят своя вид. Примитивните хордати, като ланцетът, който бе оцелял безопасно до нашето време, нямаха кост или хрущялен гръбначен стълб, разбира се. Той беше предшестван от дорзална струна от плътна съединителна тъкан. Този гъвкав шнур осигурява скорост на движение поради вълнообразните завои на тялото, създавайки предимство пред същества, които издигат външно пространство. По-фрапантни, но на пръв поглед почти беззащитни, хордатите въплъщават най-модерната конструкция и в резултат на това стоят пред произхода на вида животни, чиито представители в бъдеще ще станат истински господари на планетата.

Главата е потомък на гръбначния стълб

Впоследствие гръбната струна е заменена от най-простия хрущялен гръбначен стълб, чиято функция беше да защитава гръбначния мозък, движещ се по задната част. Състои се от прешлени под формата на хрущялни пръстени. И между другото, защо такава фрагментация? Отговорът на този въпрос може лесно да се получи, ако си припомним, че основата на структурата на гръбначните животни (както и например червеи) е сегментация, тоест повторение на някои стандартни блокове и елементи в структурата на тялото. Този принцип на проектиране е много важен по природа, тъй като ви позволява да удължите тялото, само добавяйки стандартни елементи. Това явление се нарича терминът полимеризация, известен от химията. Случва се и обратният процес, наречен олигомеризация. Състои се в сливане на елементи, за да се създаде по-компактен дизайн на живо същество. Благодарение на олигомеризацията при гръбначните животни всъщност се появи глава с черепна кутия.

Развивайки се от акорд - еластичен турникет, изработен от съединителна тъкан, гръбначният стълб придоби доста сложна структура във времето. Няколко предни прешлена създават мозъчната кутия, а останалите придобиват специализация, образувайки различни части на гръбначния стълб.

Отначало при примитивни гръбначни животни, гръбният нервен мозък имаше равномерна сегментация. Двойка нерви се отдели от всеки прешлен, съдържащ сегмент от мозъка. Двойката, отклонявайки се от предната прешлена, стана обонятелна, втората двойка получи зрителна функция, третата - слухова. Необходимостта от обработка на голям брой сигнали, излъчвани от сетивата, доведе до удебеляване на трите предни сегмента на гръбначния мозък и сливането им в мозъка. Хрущялните прешлени, заобикалящи тази важна част от нервната система, също се сляха, в резултат на което възникна така наречената мозъчна капсула. Именно тя стана първообраз на черепа. Така мозъкът и черепът се спускаха от част от гръбначния мозък на древния хордат и около хрущялните прешлени. И дори човешката глава в ембрионалното развитие показва разделението на мозъка и черепа на сегменти, от които някога са се развили.

Челюст, зъби, люспи ...

При примитивни гръбначни животни (като лампреси) хрущялната кутия защитава сетивата и мозъка. Lamprey принадлежи към циклостомите - с устата с пръстен мускул, животното черпи хранителна органична материя от долната утайка. То не е в състояние да хване или ухапе някой с „устата“ си и е разбираемо защо - ранните гръбначни няма и не са имали челюст. Колкото и да е странно, появата му се свързва с развитието на дихателната функция. При ранните риби се появяват хрущялни дъги, които позволяват по-активен контрол на отварянето и затварянето на хрилните прорези. Те имат и хрущялни челюсти. Освен това, както учените успяха да докажат, подвижната долна челюст не е нищо друго освен предната бранхиална арка, за която природата намери ново приложение. Въображаемият дизайнер (както почти винаги се случва в природата) се оказа изключително икономичен и не само създаде челюстта на хрилната арка в същата акула, но и издърпа кожата върху нея, острите люспи на която, веднъж попаднали в устната кухина, се увеличиха и се превърнаха в зъби. Благодарение на технологичните иновации гръбначни животни от безобидни същества, подобни на риба, като ланцет, се превърнаха в животните, които доминират над водата, заставайки на върха на хранителната пирамида.

Еликсир на безсмъртието, открит в гроб на две хиляди години

Гигантският брахиозавър очевидно не е принадлежал към бързо движещи се животни, но дългата му тънка шия му позволяваше активно да манипулира леката си малка глава.

Бягайки малко напред, заслужава да се отбележи, че костният скелет, който се появи в бъдеще при риби, земноводни, влечуги, птици и бозайници, се е формирал по време на еволюцията от два различни източника, първият от които е хрущял, а вторият - кожа. Историята на развитието на челюстта на хрущялните риби просто показва как точно се е случило това.

От водата - до изхода!

Черепът на равномерната костна риба се състои от много отделни кости, свързани помежду си много слабо. В другия край на еволюционната верига - непрекъснатият череп на homo sapiens - дори шевовете между костите порастват със старост. Въпреки това, в стотиците милиони години, които са минали откакто първите земноводни се изкачиха на сушата, преди господството на бозайниците, природата активно експериментира с гръбначни черепи, предлагайки разнообразни дизайни. Преходът към живот на сушата не можеше да направи без сериозни промени в структурата на животните и главата играеше важна роля тук. Сравнително обемният мозък, черепната кутия - всичко това сега трябваше да се поддържа на тегло, почти без помощта на Архимедова сила, която беше добра помощ във водната среда.

Фигурата показва последователността на реконструкция на главата на тиранозавър от вкаменените останки на черепа му. Както вече писахме в статията "Как оживяват костите на гущерите" ("ПМ" № 12'2009), подобни реконструкции, въпреки че имат научна основа, винаги съдържат доста голяма хипотетика.

Малка и лека глава може да се държи на тънка дълга шия. По-лесно е да проследявате дребна плячка и да я хващате с бързо движение. Друг вариант е тежка масивна глава на мощен къс врат. Животно с такива параметри беше по-подходящо за ролята на голям хищник, който очаква плячка в засада.

Ранните земноводни имали структура, близка до втория тип - лабиринтодонтът носел солиден плосък череп на къса шия. Влечугите, които дойдоха след земноводните, се отличаваха с много по-голямо разнообразие от възможности за дизайн.

Плосък монолитен череп на примитивен амфибий-лабиринтонт (къснодевонски - триас)

Черепът на текодонта - прародител на съвременните крокодили. Черепът на крокодила обаче е много по-близо по структура до главата на лабиринтодонта.

Мускулна свобода!

При примитивните влечуги, като пареасаврите, черепът също е твърд и това имаше определени недостатъци. Факт е, че челюстните мускули на тези животни са били вътре в черепа и следователно са били къси и те не са имали достатъчно пространство за разширяване. В резултат на това силата на натиск върху челюстите беше много слаба. С течение на времето влечугите започват постепенно да увеличават височината на черепа. Сега челюстните мускули се удължават и силата им расте. Все още обаче няма къде да се разширим - в края на краищата те все още остават вътре в затворена кухина. За да изчистите място за мускулите, се провежда следващият етап на еволюцията. Така наречените временни прозорци се появяват в костенурки на влечуги. Вярно е, че в дивите животни (които в крайна сметка станаха предци на бозайниците) в черепа се развиват само долните темпорални прозорци, но в диапсидните влечуги (от които се появяват змиите, гущерите, както и архозаврите, включително динозаври, текодонти и крокодили). прозорци - горна и долна. Челюстните мускули бяха прикрепени отгоре към краищата на прозорците и към страничната стена на мозъчната кутия, а външните отвори (предимно долната) бяха използвани, така че когато челюстите се компресират, мускулите могат да свиват и разширяват. Появата на временни прозорци (още през карбоновия период) при първите животински и диапсидни влечуги беше нововъведение, което позволи развитието на по-високи групи гръбначни животни.

Тръбач с гребен. Черепът на патешки динозавър е една от най-интересните метаморфози, възникнали в историята на развитието на диапсидни влечуги. Какъв е един гребен, който помогна на животното да издава силни шумове. Няма преорбитален отвор, но в областта на челюстната става се появи кръгло деколте.

Ажурна и лесна.

Благодарение на увеличената мощност такива челюсти станаха много по-функционални както по време на първоначалния срив, така и по време на окончателното компресиране на плячката.

Вярно, „перфорацията“ на черепа на архозаврите не свършва дотук. Наред с темпоралните прозорци те развиват така наречените преорбитални форамени, разположени между ноздрите и орбитата. Според една хипотеза е имало специална жлеза, отговорна за извеждането на излишните соли от тялото. Други изследователи свързват дупките с работата на максиларния птеригоиден мускул. Но има и друго обяснение, което ни води в областта на механиката. Може би черепът на динозаврите и текодонтите просто еволюира към улесняване на цялата структура, която сега приличаше на дантелена ферма с усилвания по протежение на векторите за прилагане на основните сили и с празнини в леко натоварени места. Сравнително леката глава не изискваше мощна шия и масивни, тежки предни крайници от динозаврите, което се превърна в основната предпоставка за преминаването към изправена стойка и бипедизъм.

Насочете се към пружините

Друго невероятно свойство, особено разработено при диапсидни влечуги и родословното дърво на птиците, което води от тях, е свързано с подвижността на елементите на черепа - кинетизъм. Всички знаят хиперкинетизма на змии, които са доста способни да издърпат черепа си, като ръкавица, например, върху голямо яйце. Този вариант обаче е добър за животни с малък мозък и е напълно неподходящ за по-развити същества като птиците. При птиците цялата силна подвижност се пренася към периферията на черепа (квадратна кост, челюст, клюн) и тази част от него, която защитава мозъка, остава неподвижна. Подвижността на определени части на черепа се отличаваше от текодонти - древните предци на крокодили, но самите сегашни крокодили са загубили както кинетизма на костите на главата, така и темпоралните прозорци, връщайки се към монолитния череп на древните земноводни. И разбира се, кинетизмът беше повече или по-малко характерен за динозаврите.

Дългокрай от Китай. В черепа на проектрозавър (Probactrosaurus), растителен птице-динозавър динозавър, считан за възможен предшественик на патешки динозаври, също няма преорбитален отвор и черепът е доста масивен. Освен това имаше удължена долна челюст и удължени ноздри.

Подвижният череп даде на своите собственици редица предимства. Например, хващането на едра плячка често включва силен удар, който отвежда главата. Ако ударът не се самоунижава, той може просто да счупи костите на черепа. С кинетизма такива удари се потискат в движещи се зони. За костите на тези зони има съответни мускули, които или се движат или задържат, извиват костта, създавайки активно напрежение.

Или друг пример. Ако малко животно като гущер грабне плячка, сравнима по размер с устата на хищник, тогава когато се опитате да стиснете челюстите, за да изтръгнете жертвата, една от възникващите сили ще работи, за да я изтласка. За да запазите плячката, ще ви трябва или много дълги зъби, или ... подвижни кости на долната челюст и череп. В този случай гущерът ще може да „прегърне“ жертвата с челюстите си, като не й позволява да се изплъзне. Поради подвижността на черепа, птиците манипулират намерената храна, сякаш я бутат в хранопровода. Като цяло кинетизмът се оказа доста "напреднала" технология, но само самите бозайници и хомо сапиенс не наследиха такава интересна особеност на структурата на главата. Защо? Леко напомпани предци.

На черепа на най-стария текодонт на архозавъра Archosaurus rossicus Татаринов, живял в пермския период, ясно се виждат всички основни черти, присъщи на черепите на диапсидните влечуги. Преорбиталните форамени, разположени между ноздрите и орбитата, може да са излезли от секретите на специална жлеза, която отстранява солта от тялото. Други изследователи свързват отворите с птеригоидния мускул, което улеснява текодонта да затвори устата си. Третото обяснение е леката конструкция. Ставите на костите, които осигуряват подвижност на черепа, по-специално прокинетизъм и стрептогнатия, също са ясно видими.

Как нашите предци са късали месо

Както вече споменахме, кинетизмът е характерен главно за диапсидните влечуги. В онези дни, когато терапсидите доминираха на планетата - зверски влечуги, диапсидите ги избягаха в малък клас. Това бяха живи животни като сегашните гущери, ловуващи сравнително малка плячка, която веднага можеше да бъде уловена от устата. Тогава кинапсизмът започва да се развива при диапсиди, което е най-подходящото за този метод на лов и хранене. Вероятно кинетизмът първоначално се е развил и при влечугоподобни влечуги, но когато достигат огромни размери, големите тревопасни динозаври стават тяхна плячка. Не можете да търкаляте такова животно в устата си и затова, в замяна на леката и подвижна глава, терапеидите разработиха тежък монолитен череп с масивни челюсти, за да откъснат лесно парчета от големи трупове. Притискащото движение на челюстите беше по-търсено от схващащото. Така начинът на хранене насочи този клон на влечуги в съвсем различна посока на развитие. По ирония на еволюцията, като зверове, първо намаляващи, а след това превръщащи се в бозайници, в крайна сметка станаха наши предци. Вярно е, за разлика от древните терапезиди, при бозайниците, включително и хората, всички мускули на челюстния апарат се извеждат от черепа, а темпоралната област е силно трансформирана, запазва се само зигоматичната арка.

Челюстно ухо

Въображаемият дизайнер, който създава формите и механизмите на живот в продължение на стотици милиони години, беше изключително изобретателен и икономичен. След като превърна допълнителна бранхиална арка в челюстта, по-късно той използва самата челюст, за да изгради перфектен слухов апарат. Долната челюст на човек се състои от една кост - зъбът. При влечугите ситуацията беше различна: освен зъбната кост, долната челюст включваше и комплекс от кости, разположени в гърба, близо до ставата. Когато влечугообразните влечуги промениха начина на хранене и се нуждаеха от по-силна сила на челюстите, се случи интересно нещо: ставата, свързваща долната челюст с черепа, „преместена“ напред, директно към зъбната кост. А тези кости, които останаха отзад, постепенно загубиха мускулите си, станаха по-тънки и частично изчезнаха. Но една от тях - съчленена заедно с квадратната кост на черепа, с която първоначално е образувала челюстната става при влечугите, стана основата за изграждането на средното ухо. Чукът и наковалнята - тези малки кости, които предават звук от тъпанчето (външното ухо) към вътрешното чрез стълбовете, показват ясна прилика със ставни и квадратни кости, които изглеждаха ненужни, а ставата между тях е оригиналната челюстна става на влечугите, които попаднаха в средното ухо бозайници.

Регресиите също са характерни за еволюцията, както и конструктивните иновации. Ceratops са група от рогати динозаври, които са живели в късната Креда. За разлика от повечето динозаври, чиито черепи имат ажурна структура с добре очертани отвори и подвижни кости, кератопите развиват масивен практически монолитен череп, в който през дупките бяха обрасли и превърнати в кухини. Но природата възнагради тези животни с костна яка, целта на която остава обект на разискване, и рог. Най-известният представител на групата - Triceratops, получи три рога.

Ако вземем роднините на диапсидни влечуги - гущер или птица, ще видим, че тъпанчетата им са разположени доста високо на главите им. Очевидно е, че животните от този тип са използвани исторически за получаване на звук през въздуха. Вдигнаха малка глава и се заслушаха. При изчезналите масивни ловци на животни с голяма глава на къса шия, тъпанчето, напротив, беше много ниско, на нивото на артикулация с долната челюст и беше насочено към земята. Как да не си спомним руски приказки, в които Иван Царевич сложи ухото си на земята, за да чуе гръмотевицата на басурмските коне или стъпването на змията Горинич. И така, според една хипотеза, тези влечуги във формата на звяр не са вдигнали глави, а са поставили ухото си почти до земята, слушайки дали хищник или плячка ходи някъде там. Звукът премина не само през тъпанчето и стъпалата, но и през задната кост на долната челюст и квадратната кост на черепа, съчленен с нея, които бяха в съседство с почвата. В итоге эта функция усиливалась, и кости оказались со временем включены в конструкцию слухового аппарата. Так что Иван-царевич из сказки не придумал ничего нового, а лишь использовал технологию далеких зверообразных предков человека.

Редакция благодарит администрацию и сотрудников палеонтологического института РАН им. а. А. Борисяка за предоставленные для съемки экспонаты коллекции и за помощь в подготовке материала

Андрей Герасимович Сенников — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Палеонтологического института РАН им. А.А. Борисяка

Статья «Как нам делали голову» опубликована в журнале «Популярная механика» (№6, Июнь 2010). Харесва ли ви статията?

Най-интересните новини от света на науката: свежи открития, снимки и невероятни факти във вашата поща. добре Съгласен съм с правилата на сайта Благодаря. Изпратихме потвърждение на вашия имейл.

Препоръчано

New Doom пресъздаден на двигателя на оригиналния Doom 2: кръв и вътрешности
2019
Росгуард ще получи автомобили с бази данни на Министерството на вътрешните работи
2019
Руските химици ще унищожат най-лошите човешки вируси
2019