«Невероятная случайность бытия. Эволюция и рождение человека»

Невероятная случайность бытия. Эволюция и рождение человека (fb2) - Невероятная случайность бытия. Эволюция и рождение человека [litres] (пер. Александр Николаевич Анваер) 5132K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Элис Робертс

Элис Робертс Невероятная случайность бытия. Эволюция и рождение человека

Памяти Пума Стивенса

Alice Roberts

THE INCREDIBLE UNLIKELINESS OF BEING

Evolution and the Making of Us

Иллюстрации Элис Робертс

Перевод с английского Александра Анваера

© Alice Roberts, текст, иллюстрации, 2014

© Анваер А. Н., перевод на русский язык, 2018

© Издание на русском языке. ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2018

КоЛибри®

* * *

Эта научно обоснованная история, собранная и составленная из многих источников, более необычна, более интересна, более захватывающа и красива, нежели любой выдуманный нами миф о Сотворении мира.

Элис Робертс

Мастерский рассказ о том, почему наши организмы являются такими, какими мы их видим сегодня. Робертс умело и со знанием дела сплетает воедино эмбриологию, генетику, анатомию, эволюцию и зоологию, чтобы рассказать невероятную историю человеческого тела. В разделах, посвященных сравнительной анатомии, книга просто блистательна… Этот добротный научный труд, основанный на современных исследованиях и исторических фактах, читается на удивление легко. Суперувлекательное чтение!

Observer

Книга излучает необыкновенную энергию, после ее прочтения остается впечатление, что вы получили интеллектуальный массаж каждой своей мышцы и с особой остротой, совершенно по-иному воспринимаете собственное тело, словно стали другим человеком.

Марк Медовник, профессор, ученый-материаловед

В биологии есть неисследованная пока пропасть между ДНК и живыми организмами. Ответ, судя по всему, будет найден в эмбриологии, и книга Элис Робертс – шаг на этом пути. Шаг успешный, сделанный с остроумием и энтузиазмом.

Стив Джонс, генетик

Начала Тайна зачатия и история, записанная в наших организмах

Ex ovo omnia. (Все происходит из яйца) (лат.).

Уильям Гарвей (1651)

Мое мировоззрение и понимание своего места в мире разительно переменились после того, как я стала матерью. Первого ребенка я родила в 2010 году, и сразу же меня охватило невероятное, почти мистическое ощущение нерасторжимой связи с моими предками и потомками. Я поняла, что я не просто индивид, нет, я – звено в цепи жизни. Для меня это было словно прикосновение к женским таинствам, ведь женщины играют исключительно важную роль в сохранении непрерывности этой цепи. Я родила дочь – так же, как моя мать родила меня, а сама была рождена своей матерью и так далее – углубляясь во тьму прошедших веков.

Если вы, мой читатель, мужчина, то, хотя вы не способны к деторождению, тем не менее вы можете передавать свою Y-хромосому в последовательности потомков по мужской линии. Конечно, это выглядит не столь эпическим, но надо признать, что в сравнении с чудом деторождения в мире меркнет вообще все остальное.

Как и другим будущим мамам XXI века, мне выпала фантастическая возможность увидеть каждого из моих детей до того, как они появились на свет. Очень хорошо помню ту головокружительную радость, какую я испытала, увидев на двенадцатой неделе беременности свою крошечную дочку, плававшую в пруду амниотической жидкости. Тогда я еще не знала и не могла знать, что это девочка. Это было чудесно – видеть своего будущего ребенка, но между картинкой на экране и ощущением беременности была огромная пропасть.

Я анатом, моя профессия предполагает знание строения человеческого тела и законов его развития, но сколько бы я ни знала о внутриутробном развитии эмбриона, это ничуть не уменьшало ощущения того, что в моем чреве происходит настоящее чудо. Оплодотворение невероятно само по себе, но еще больше поражает сама мысль о том, что оплодотворенная человеческая яйцеклетка – единственная клетка – преобразуется в нечто столь сложное, как целостный человеческий организм. К двенадцатой неделе, когда сделали ультразвуковое исследование, плод был уже в достаточной степени сформирован: у него уже были руки и ноги, пальцы на руках и ногах, кишечник и бьющееся сердце. Плод выглядел как миниатюрный младенец. Как мог он возникнуть из одной-единственной клетки, образовавшейся в момент оплодотворения?

* * *

Само ваше пребывание в этом мире, сам факт того, что вы сейчас читаете эти строки, – события до крайности маловероятные. Маловероятной случайностью была встреча ваших родителей. Могло быть множество моментов, когда их жизнь повернулась бы по-иному и они встретили бы на своем пути других людей. Однако даже после того, как они встретились и полюбили друг друга, чистой случайностью стало то обстоятельство, что именно одна, определенная яйцеклетка была оплодотворена именно одним, определенным сперматозоидом, в результате чего на свет появились именно вы. И от мысли о том, насколько маловероятны эти события, становится даже немного не по себе, но чудеса на этом не заканчиваются.

Процесс превращения единственной оплодотворенной клетки в целостный человеческий организм и в самом деле поражает воображение. Он представляется своего рода биологическим чудом. Правда, это чудо не требует от нас веры в сверхъестественное или божественное вмешательство; это естественное, природное чудо, и за прошедшие несколько столетий ученые раскрыли многие тайны этого невероятного преобразования (хотя некоторые так и остаются неразгаданными). На первый взгляд, превращение одной-единственной яйцеклетки в полноценный человеческий организм кажется настолько невозможным, настолько маловероятным событием, что мы невольно воображаем себе некую сверхъестественную направляющую руку, благодаря которой совершается чудесное превращение, но, разобравшись в процессе более детально, начинаем понимать, как молекулы, клетки и ткани сами выстраиваются во взаимодействующие органы нашего тела. Это фундаментальный процесс, объединяющий нас со всеми другими живыми существами нашей планеты.

Когда мы задумываемся о нашем начале, нам трудно поверить, что когда-то мы были одной-единственной клеткой, оплодотворенной яйцеклеткой, но, несмотря ни на что, мы знаем, что это правда. Это кажется невероятным, но само наше бытие служит доказательством того, что это все-таки произошло. Трудно также поверить, что мы происходим от предков, которые когда-то, очень давно, тоже были единственными клетками. Но если мы согласимся с неоспоримым фактом, что мы сами возникли из единственной клетки в процессе эмбрионального развития, то, возможно, нам будет легче поверить, что мы, как вид, возникли из куда более скромных одноклеточных организмов. Бросив взгляд на наших более близких предшественников (однако все же довольно древних), мы обнаружим среди них червей. Мы можем проследить нашу родословную, двигаясь по линии нашего непосредственного происхождения по обильно ветвящемуся древу жизни. Там мы найдем других наших предков – рыб, амфибий, рептилий, древних млекопитающих, древних приматов, человекообразных обезьян и нас самих. (Между прочим, мы тоже обезьяны, хотя и совершенно особенные.)

Я написала эту книгу не только для того, чтобы помочь вам восстановить вашу личную историю происхождения как человека – от того момента, когда одна из яйцеклеток вашей матери была оплодотворена одним из отцовских сперматозоидов, но также и для того, чтобы напомнить о вашей связи с далекими предшественниками. Моя книга приглашает вас в путешествие по человеческому телу, с головы и до кончиков пальцев ног и рук. В первых главах мы уделим особое внимание нашим ранним предкам, таким как черви и рыбы, но постепенно доберемся и до более молодых ветвей нашего генеалогического дерева. В конце мы поговорим о конечностях и рассмотрим кисти и стопы как вымерших непосредственных предков человека, так и наших ныне живущих двоюродных братьев – человекообразных обезьян, таких как гориллы ишимпанзе.

Надеюсь убедить вас в том, что история возникновения и развития человеческого тела – это самый увлекательный рассказ из всех, что может предложить нашему вниманию наука. Каждый из нас совершил путешествие от единственной клетки до сложного организма, который состоит приблизительно из ста триллионов клеток, относящихся к нескольким сотням типов. Однако одновременно каждый из нас – продукт эволюции, и, как мы выясним, организмы наши весьма далеки от совершенства. Миллионы лет эволюции произвели нечто вполне работоспособное, но это нечто ограничено историей своего возникновения и своим строением. Чем глубже я погружаюсь в изучение структуры и функций человеческого тела, тем лучше понимаю, каким невообразимым, небрежно смешанным коктейлем из разных частей и кусочков является наш организм – дом, в котором обитает каждый из нас. Это сооружение блистательно, но у него есть свои изъяны. Наша эволюционная история вплетена в наше развитие в эмбриональном периоде и даже в строение взрослого человеческого организма; многие недостатки нашего тела можно понять только в эволюционном контексте. Можно сказать, что наши предки оставили нам как свои великие достижения, так и свои крупные недостатки. Тело человека хранит анатомические следы самых древних предков, вкрапленные в события эмбрионального развития и запечатленные в нашей ДНК.

Эволюционная биология переживает волнующее время – если волнующим можно назвать время, порождающее множество новых вопросов. Мы все еще не понимаем, совершается ли эволюция постепенно или скачкообразно, мы также не знаем, насколько она предсказуема. Мы до сих пор исследуем вопрос о том, насколько форма и функция обусловлены природой (наследственностью) и насколько – воздействием окружающей среды. Нам хочется знать, насколько строение организма ограничено эволюционным прошлым и генетической программой, направляющей его развитие, и насколько оно подвержено влиянию внешней среды и естественного отбора.

Постигая историю «нашего создания» эволюционными и эмбриологическими методами, мы познакомимся с нашей анатомией и с нашими предками из эволюционного прошлого. Познакомимся мы и с учеными-первопроходцами, командой корабля, на котором мы будем совершать наше путешествие. Но главным героем этой истории останетесь ВЫ. Это рассказ о вашем эволюционном наследии, о вашем эмбриональном развитии, о том периоде жизни, когда вы особенно активно росли и изменялись и части вашего тела развертывались, как элементы оригами, до тех пор пока из крошечного эмбриона не возник человек. Мы вплотную подойдем к преображению столь же глубокому, как превращение гусеницы в бабочку. Каждый из нас претерпел подобную трансформацию, развиваясь из одной-единственной яйцеклетки сначала в плоский диск, потом в полую трубку. Потом в нечто с коротенькими конечностями, а затем в существо, в котором уже можно распознать человека. Все эти превращения происходят в течение всего двух месяцев после зачатия.

Это лучшая из всех историй творения – потому что она правдива. Но в ней есть и весьма странные откровения. В вашей ДНК можно найти следы признаков предка, который был общим для нас и плодовых мушек – дрозофил. В какой-то момент развития у эмбриона возникают зачатки жабр, как у рыб. Орудия труда, которыми наши предки начали пользоваться несколько миллионов лет назад, изменили нашу анатомию, сделав кисть руки такой, какой мы видим ее сегодня. Эта научно обоснованная история, собранная и составленная из многих источников, более необычна, более интересна, более захватывающа и красива, нежели любой выдуманный нами миф о Сотворении мира.

Краткая история идей

Зарождение нового человека, да, собственно, и любого организма оставалось одной из величайших загадок для науки до сравнительно недавнего времени. В IV веке до н. э. Аристотель написал книгу «О возникновении животных». Это был первый научный труд по эмбриологии. В нем Аристотель предположил, что мужское семя активизирует менструальную кровь, в результате чего и возникает зародыш. Сейчас такое предположение может показаться, мягко говоря, странным, но основано оно на вполне разумных допущениях; оно предполагает связь между половым актом и беременностью – и это, конечно, справедливо. Задолго до того времени, когда, посмотрев в микроскоп, люди увидели человеческую яйцеклетку, идея Аристотеля насчет менструальной крови имела определенный смысл: всем было известно, что с наступлением беременности у женщины прекращаются менструации.

Многим ученым последующих веков предположение о том, что у эмбриона в организме женщины нет никаких других предшественников, кроме телесных жидкостей, отнюдь не представлялось неразрешимой проблемой. Тогда полагали, что некоторые животные могут зарождаться даже из неживого вещества – так, например, думали, что мухи спонтанно зарождаются в гниющем мясе. Теория Аристотеля, которую он сам называл «теорией эпигенеза», предполагала, что сложное человеческое тело могло возникнуть от смешения двух простых жидкостей – семени (надо помнить, что тогда не имели ни малейшего представления о сперматозоидах и семя представляли себе как гомогенную мутную жидкость) и менструальной крови. Надо сказать, что эта теория продержалась два тысячелетия.

Древнегреческий «отец медицины» Гиппократ предложил иную концепцию – на его взгляд, зачатие требовало взаимодействия мужского и женского семени, но мысль Аристотеля о ключевой роли мужского семени оказалась все же более влиятельной. В середине XVII века в справедливости воззрений Аристотеля усомнился Уильям Гарвей, когда начал исследовать зарождение животных, производя для этого их вскрытие. Гарвей был убежден, что у женских особей есть «яйца» и находятся они в яичниках, но обнаружить их Гарвею не удалось.

Теперь-то все мы знаем, как происходит зачатие, и знание это представляется нам абсолютно очевидным. Однако история открытия процесса зарождения человеческой жизни сложна и увлекательна. Открытие это зависело от возможности видеть, что происходит, причем на микроскопическом уровне. Оно зависело от изобретения технологии, которая повышала бы оптические способности глаза, позволяя нам рассмотреть мелкие объекты, недоступные зрению без системы увеличивающих линз. Простые увеличительные стекла появились еще в XVI веке, но доподлинно неизвестно, кто изобрел первый микроскоп. Галилей прославился изобретением телескопа, но он создал и приспособление, названное им occhiolino (в буквальном переводе с итальянского «глазок», а в современном итальянском языке это слово означает «подмигивание»). В начале XVII века «глазок» Галилея был уже известен под его нынешним названием – микроскоп. Позднее, в том же столетии, Роберт Гук пользовался микроскопом для изучения скрытых деталей знакомых объектов – блох, крапивы и пчелиных жал. Результаты своих наблюдений Гук опубликовал в превосходной книге «Микрография».

Одновременно по другую сторону Северного моря голландский натуралист, а также продавец мануфактуры Антони ван Левенгук увлекся изготовлением крошечных увеличительных стекол, из которых смонтировал микроскоп. Пользуясь этим прибором, он принялся рассматривать детали множества объектов и сумел рассмотреть то, чего до него никто не видел. Он изучил водоросли вольвокс, мельчайших планктонных животных, разглядел, как мухи откладывают яйца. Исследовал он и красные кровяные клетки человека, строение селезенки, мышц и костей.

Антони ван Левенгук стал первым человеком, который сумел увидеть человеческие сперматозоиды. Вы только вообразите себе, какое удивление он испытал. Представить это действительно трудно, потому что мы знаем, что сперматозоиды на самом деле существуют, но постарайтесь на минуту забыть об этом: на дворе 1677 год, а вы – ван Левенгук, и вы зачарованы микроскопическим миром. Вам известно, что мужское семя каким-то образом способствует зачатию ребенка, и вы берете немного семенной жидкости (как вы ее добудете, я предоставляю вашему воображению) и помещаете ее каплю под объектив микроскопа. Вы смотрите в окуляр и поражаетесь открывшемуся вашим глазам зрелищу. Все в поле вашего зрения буквально кишит движением. Вы можете различить отдельные, похожие на головастиков клетки, неистово бьющие своими хвостами. Они выглядят как микроорганизмы, как простейшие, которых вы уже обнаружили (и о которых даже написали письмо в Королевское общество). Но эти «анималькули» (лат. «зверьки») получены вами из человеческого тела.

Оглядываясь назад, надо признать, что самое удивительное в этой истории то, что ни сам ван Левенгук, ни ученые Королевского общества в Лондоне, которым он отправил результаты своих наблюдений, не поняли всего значения открытия – а это была бы половина разгадки тайны зачатия.

Другой голландец снискал себе славу тем, что чуть-чуть не открыл человеческую яйцеклетку. Этот человек был врачом, и звали его Ренье де Грааф. В 1673 году он опубликовал трактат о женских половых органах и включил в него описание развития фолликулов в яичниках кроликов. Эти пузырьки, состоящие из клеток, – они присутствуют и в человеческих яичниках – в настоящее время носят имя первооткрывателя, их называют граафовыми пузырьками. Де Грааф наблюдал также появление маленьких сферических образований в фаллопиевых трубах после разрыва фолликула и вывел отсюда, что фолликулы – и сферические образования – должны содержать яйцеклетки. Правда, сами яйцеклетки у млекопитающих были впервые обнаружены и описаны только в 1827 году.

Человеком, который это сделал, был Карл Эрнст фон Бэр. Судя по имени, можно предположить, что его предки были немцами, но на самом деле он родился в Эстонии, которая тогда, в 1792-м, была частью Российской империи. Будучи профессором зоологии Кенигсбергского университета, фон Бэр изучал эмбриологию, и в 1827 году открыл яйцеклетку млекопитающего. Обнаружил он ее в полости граафова пузырька в фолликуле яичника.

Фантастика: казалось бы, эти ученые разгадали загадку природы – есть яйцо, и есть сперматозоид. Соединившись, они образуют эмбрион, зародыш. Однако эта простота кажущаяся – это нам, вооруженным современными знаниями, все понятно. Вероятно, взгляды Аристотеля укоренились в науке так прочно, что было невозможно поверить в то, что яйцеклетка и сперматозоид в равной степени участвуют в некоем акте, который может привести к созданию нового индивида. Научное сообщество оказалось расколотым на два лагеря: овисты и сперматисты. Овисты считали сперматозоид всего лишь силой, которая «пробуждает» яйцеклетку. Сперматисты считали яйцеклетку лишь источником питания для нового организма, порожденного сперматозоидом.

Обнаружение сперматозоида и яйцеклетки позволило отбросить идею Аристотеля об эпигенезе, о том, что сложная новая жизнь возникает в результате смешения двух простых жидкостей, но теперь предстояло разрешить другую, не менее запутанную проблему: как может сложный организм развиться из таких заведомо простых элементов, как сперматозоид и яйцеклетка? Многие ученые XVII и XVIII веков нашли ответ на него в теории преформизма. Эта теория предполагает, что организм во всей своей сложности уже существует, но, так сказать, в миниатюре, в виде предшественника зародыша, находящегося либо в яйцеклетке (согласно воззрениям овистов), либо в сперматозоиде (согласно воззрениям сперматистов). Крайним вариантом этой теории было представление о том, что крошечный человечек («гомункулус») целиком присутствует в сперматозоиде. Голландский оптик Николас Хартсукер (научившийся искусству шлифовки линз у Левенгука) нарисовал такого гомункулуса, калачиком свернувшегося в головке сперматозоида.

Гомункулус Хартсукера

Французский философ и священник Николя Мальбранш в идее преформизма зашел еще дальше. В 1674 году он предложил теорию «вложения» (фр. emboitement), согласно которой каждый индивид с самого начала находится в яйце матери. Мальбранш писал: «В зародыше луковицы тюльпана находится целый тюльпан. В зародыше свежего куриного яйца… виден целиком сформированный цыпленок».

Отсюда Мальбранш заключил, что «все тела рожденных на свет людей и животных… были созданы, возможно, тогда же, когда состоялся акт Сотворения мира». Другими словами, каждый, кто когда-либо жил (и будет жить в будущем), всегда существовал в миниатюрной форме, упакованный в яичниках Евы, напоминавших, по мысли Мальбранша, некую невероятную разновидность русской матрешки. Этот вариант преформизма называли в то время теорией эволюции, что было весьма удачным термином, так как эволюция в переводе с латыни – это «развертывание». Сегодня, разумеется, этим термином обозначают нечто совершенно другое. Впрочем, людям, верившим, что возраст Вселенной насчитывает всего несколько тысяч лет, было легко поверить и в теорию вложения. Она родилась до открытия клеток и появления клеточной теории, которая положила предел минимальному размеру живых существ, и поэтому современникам Мальбранша ничего не стоило представить себе сколь угодно крошечное преформированное существо.

Из этого не стоит, однако, делать вывод, будто все ученые того времени безоговорочно верили в столь крайний вариант преформизма. Всякий, кто рассматривал в микроскопе ранний эмбрион, наверняка знал, что он выглядит совсем не так, как крошечный взрослый индивид (по крайней мере, не в течение первых нескольких недель). Разумеется, наиболее крайнее выражение преформизма в наши дни может вызвать улыбку, но все же надо признать, что сама идея была отнюдь не беспочвенной, так как суть утверждений его приверженцев заключалась в том, что сложный организм не может появиться из материи совершенно не организованной и абсолютно гомогенной. И конечно, в этом тогдашние ученые были правы; правда, потребовалось еще немного времени, прежде чем была открыта молекула, несущая информацию, необходимую для формирования совершенно нового организма.

Начало

Теперь мы гораздо лучше понимаем, что происходит в процессе создания нового человеческого существа. Ваша генетическая идентичность, идентичность нового индивида, была заложена в тот момент, когда один из сперматозоидов вашего отца, проникнув в яйцевод фаллопиевой трубы, встретился там с яйцеклеткой, двигавшейся навстречу – к матке.

Представьте себе эту яйцеклетку: она вырвалась на свободу из своего прежнего обиталища в яичнике вместе с приставшим к ней скоплением более мелких клеток. Все они попадают в воронкообразное отверстие маточной трубы, обрамленное пальцевидной бахромой – фимбриями. И вот теперь яйцеклетка движется по яйцеводу маточной трубы, подталкиваемая потоком содержащейся в трубах жидкости, которую приводят в движение реснички трубного эпителия (оболочки, выстилающей изнутри маточные трубы).

А теперь представьте себе сперматозоид, плывущий по той же трубе, преодолевая ток жидкости, помогая себе неистовыми биениями хвоста. До этого сперматозоид уже преодолел канал шейки матки, саму матку и проник с противоположной стороны в яйцевод, или, как его называют у людей, в маточную, или фаллопиеву, трубу. Для того чтобы забраться в такую даль, сперматозоиду может потребоваться несколько дней. Один сперматозоид достигает яйцеклетки первым, благодаря случайностям и везению. Во время эякуляции во влагалище извергается некоторый объем семенной жидкости, содержащий сотни миллионов сперматозоидов. Несмотря на то что они уже проделали долгий путь от яичек (мужских половых желез), им еще предстоит столь же далекое путешествие. Многие погибнут, не успев покинуть влагалище, перед входом в узкий коридор канала шейки матки. Если у женщины неблагоприятный для зачатия день цикла, то липкая слизь, выделяемая шейкой, образует барьер, препятствующий проникновению сперматозоидов в матку. Однако к моменту овуляции слизь становится более скользкой и тягучей. (На этом изменении основан старый как мир способ определения самого благоприятного для зачатия дня в течение менструального цикла. Обычно густая и липкая цервикальная слизь начинает по консистенции напоминать яичный белок. Немцы обозначают это свойство словом Spinnbarkeit – эластичность, «кристаллизация слизи».) Преодолев шейку матки и проникнув в полость тела матки, многие сперматозоиды отстают, а оставшиеся, яростно работая хвостами, плывут вверх, вверх и только вверх, по направлению к трубам. Продвигающаяся яйцеклетка посылает химические сигналы, привлекающие сперматозоиды к нужной трубе. Число сперматозоидов, достигающих яйцеклетки, составляет ничтожную долю от сперматозоидов, попавших во влагалище во время семяизвержения. Возможно, до яйцеклетки добирается едва ли один сперматозоид из миллиона. Но конкуренция на этом не заканчивается.

До яйцеклетки доплывают одновременно несколько сотен сперматозоидов. Клетка со всех сторон окружена ими, но для оплодотворения яйцеклетке нужен только один. Некоторым сперматозоидам удается прорваться сквозь окружающий яйцеклетку лучистый венец – остаток яйценосного бугорка, из которого, при его разрыве после овуляции, высвобождается яйцеклетка. Пройдя сквозь барьер из клеток лучистого венца, сперматозоиды наталкиваются на гликопротеиновую блестящую оболочку (zona pellucida) – толстый желеобразный слой, окружающий мембрану яйцеклетки. Теперь сперматозоидам некуда отступать; блестящая оболочка прочно захватывает мужские половые клетки. Головки сперматозоидов вязнут в геле; гликопротеины связываются с находящимися в мембране сперматозоидов рецепторами, к которым они подходят, как ключ к замку. И эти ключи действительно кое-что отпирают: после взаимодействия гликопротеинов с рецепторами сперматозоиды выделяют фермент, расщепляющий гель блестящей оболочки, что позволяет одному из сперматозоидов преодолеть оболочку и достичь клеточной мембраны самой яйцеклетки. Теперь мембрана сперматозоида непосредственно соприкасается с мембраной яйцеклетки. Клеточные мембраны сливаются, и обе клетки – крошечный сперматозоид и гигантская яйцеклетка – объединяются в одну клетку.

Это и есть момент зачатия будущего человека: невероятное, но обыденное событие, происходящее в темных закоулках материнского тела. Надо, правда, помнить, что это оплодотворенное яйцо еще не личность. Это всего-навсего клетка. В этот момент нет никаких гарантий того, что новая клетка (зигота) разовьется в целостный организм. Только оглядываясь назад, вы можете сказать: да, я был зачат именно в тот самый момент.

В тот момент, когда сливаются мембраны сперматозоида и яйцеклетки, происходят три события. Сперматозоид, точнее, его ядро, продолжает свой путь внутри яйцеклетки, оставив снаружи свою пустую оболочку. Внутри яйцеклетки, непосредственно у ее мембраны, находятся крошечные пузырьки. После проникновения сперматозоида в яйцеклетку оболочки этих пузырьков сливаются с мембраной яйцеклетки и высвобождают в блестящую оболочку особые вещества. Эти вещества делают блестящую оболочку плотной и непроницаемой для остальных сперматозоидов, что очень важно. Дело в том, что яйцеклетке, чтобы дополнить свой половинный набор из 23 хромосом, нужен еще один половинный набор из 23 хромосом, содержащийся в сперматозоиде, – для того, чтобы в результате образовался полноценный набор из 46 хромосом. (Именно столько хромосом содержат все соматические клетки нашего тела.) Если же в яйцеклетку проникнет хотя бы один «лишний» сперматозоид, то образуется избыточное количество хромосом и формирование зародыша будет безнадежно нарушено.

И наконец, в тот момент, когда сперматозоид проникает в яйцеклетку, материнская ДНК претерпевает завершающую стадию подготовки, после которой материнские хромосомы могут соединиться с отцовскими хромосомами.

Сперматозоид теряет свой хвост после того, как проникает внутрь яйцеклетки, – хвост отваливается и распадается. Все это напоминает запуск искусственного спутника. Когда ракета-носитель достигает орбиты, от нее отделяется орбитальная капсула. Такой капсулой внутри яйцеклетки становится головка сперматозоида, которая содержит набор из 23 хромосом. Головка своим присутствием подает яйцеклетке сигнал о том, что ей пора превращаться в эмбрион. Эта упаковка генетического материала, каковой, по сути, является головка сперматозоида, начинает увеличиваться в объеме по мере того, как хромосомы развертываются в нити. Двойная спираль ДНК, формирующая хромосомы, расходится, как молния на одежде, и тут начинается волшебство наследственного материала. Строительные блоки ДНК (нуклеотиды) присоединяются в строгом порядке (комплементарно) к каждой половине «молнии», и, таким образом, получаются две «молнии» (удвоенная хромосома). Такое же удвоение хромосом происходит и в яйцеклетке. После этого оба набора удвоенных хромосом – один из яйцеклетки, а другой из сперматозоида – объединяются в едином ядре клетки. Так впервые встречаются материнские и отцовские ДНК, которые составляют 23 пары гомологичных хромосом.

Сперматозоиды входят в контакт с яйцеклеткой

Теперь в зиготе присутствуют 46 удвоенных хромосом, количество ДНК в которых достаточно для формирования двух клеток. Удвоенные хромосомы выстраиваются вдоль экватора клетки, словно пары, готовые к танцу. Этот строй поддерживается структурой, называемой веретеном, нити которого представляют собой тончайшие белковые трубочки. Затем каждая удвоенная хромосома расщепляется на две хромосомы, которые отделяются друг от друга и расходятся к противоположным полюсам клетки. Одновременно мембрана оплодотворенной яйцеклетки образует складку вдоль экватора, которая начинает втягиваться внутрь, образуя структуру, напоминающую гантель. Шары гантели в конце концов расходятся, и образуются две клетки. Происходит это в среднем через одни сутки после проникновения сперматозоида внутрь клетки. Итак, к концу первого дня жизни вы состояли из двух совершенно одинаковых клеток.

Однако процесс на этом отнюдь не останавливается. Каждая клетка приступает к своей работе. В каждой из двух клеток происходит удвоение ДНК, и она снова делится. Через три дня после зачатия вы уже представляли собой конгломерат из 16 клеток. Эмбрион на этой стадии развития называют поэтическим термином морула (лат. morula – тутовая ягода). Все время, пока происходят эти события, делящиеся клетки находятся в непрерывном движении. Повинуясь волнообразным перистальтическим сокращениям маточных труб и биению ресничек, выстилающих внутреннюю их поверхность, зародыш движется к цели своего путешествия, к матке. В это время эмбрион представляет собой лишь скопление клеток, но у наружных и внутренних клеток уже разная судьба. Из клеток внешнего слоя образуется плацента – орган, отвечающий за поддержание жизни плода, а из внутреннего слоя образуется собственно эмбрион.

Хромосомы расходятся под действием веретена деления к противоположным полюсам клетки: это начало деления зиготы (оплодотворенной яйцеклетки)

Спустя неделю после оплодотворения, то есть в то время, пока эмбрион плывет в матку, внутри скопления его клеток образуется наполненная жидкостью полость. Зародыш перестает быть морулой; он превращается в бластоцисту – это слово образовано от двух древнегреческих корней – «бластос» – зародыш и «кистос» – пузырь. Масса внутренних клеток бластоцисты распределена в ее полости неравномерно. На одном конце она сильно выступает внутрь полости. Таким образом, у зародыша возникает полярность. Возможно, вам это не покажется важным, но такое неравномерное распределение означает, что развивающийся эмбрион приобрел ориентацию. Независимо от того, в каком положении бластоциста дрейфует по полости матки, она отныне имеет свою постоянную внутреннюю ориентацию. У клеток этой внутренней массы иная судьба, нежели у наружных клеток.

Морула

Вот и настал конец небольшого, длиной всего 10 см, путешествия. Бластоциста находит пристанище в слизистой оболочке матки, и, как только зародыш имплантируется в стенку матки, наружные клетки начинают размножаться, проникая в ее толщу. Так начинает формироваться плацента.

В эмбриональном развитии немало возможностей нарушения нормального хода процесса. Чем сложнее организм, тем больше шансов на то, что что-то пойдет не так. На самом деле, однако, и в самом начале развития, еще до того, как организм приобретает определенную сложность, существует большая вероятность фатальных ошибок. Одна из таких ошибок – попадание бластоцисты в неподходящее место стенки матки. Бластоциста чаще всего имплантируется в стенку матки, но так случается не всегда. Она может застрять в маточной трубе или, что случается гораздо реже, имплантироваться в стенку брюшной полости. Такие ситуации называют эктопической (от греческого «эктопиос», что означает «вне положенного места»), или внематочной, беременностью. Известно, что матка, по мере роста плода, растягивается и увеличивается в объеме, но другие органы не отличаются такой податливостью. Эктопическая беременность может оказаться очень опасной: имплантация эмбриона в стенку маточной трубы может привести к разрыву питающих ее сосудов, что приводит к массивному внутреннему кровотечению, каковое без экстренного хирургического вмешательства может закончиться смертью.

Первая неделя эмбрионального развития: стадия двух клеток, морула, бластоциста, имплантация бластоцисты в стенку матки

В вашем случае можно с полной уверенностью сказать, что ваш зародыш безошибочно имплантировался в стенку матки. На второй неделе эмбрионального развития внутренние клетки (которые все это время продолжают делиться) образуют два слоя – верхний (наружный) слой, называемый эмбриобластом, и нижний (внутренний) слой, называемый трофобластом. Такая дифференцировка зависит от положения клеток по отношению к полости бластоцисты. Клетки трофобласта размножаются и выстилают внутреннюю поверхность полости бластоцисты. С этого момента полость называют желточным мешком, несмотря на то что никакого желтка в ней нет, потому что у нас, как у млекопитающих, нет потребности в запасе питательных веществ. Однако здесь мы сталкиваемся с одной важной вещью, касающейся эмбриологического развития организма. Ни один организм, возникший в ходе эволюции, не «конструируется» с чистого листа. Эволюция вынуждена довольствоваться уже имеющимися решениями, лишь слегка корректируя и оптимизируя их. Это означает, что в вашем эмбриональном развитии будут воплощены некоторые аспекты вашего эволюционного наследия. Тот факт, что у нас в эмбриональном периоде был желточный мешок, пусть даже крошечный по размерам и не содержавший желтка, многое говорит о наших предках и тесной связи эмбриологии и эволюции. Да, несмотря на то что сами мы – плацентарные млекопитающие животные, наши предки откладывали яйца, наполненные питательным желтком. Эта особенность эхом откликнулась в нашем эмбриональном развитии образованием желточного мешка.

На второй неделе эмбрионального развития происходит кое-что еще: внутри наружного слоя клеток бластоцисты начинает формироваться новое пространство. Это пространство называют амниотической полостью, плодным пузырем или просто амнионом. Вначале эта полость располагается с одной стороны от эмбриона, но в конечном счете мешок станет больше и охватит весь зародыш, который до самого рождения будет плавать в амниотической жидкости внутри плодного пузыря. Между двумя полостями – амниотической и полостью желточного мешка – оказывается зажатым двуслойный зародышевый диск, состоящий из эмбриобласта и трофобласта. Остается еще очень долгий путь до того момента, когда эмбрион начнет хотя бы отдаленно напоминать человека, но до того, как будет достигнута эта стадия, зародыш пройдет стадии развития, характерные для животных множества других типов. На четвертой неделе после зачатия человеческий эмбрион очень похож на зародыш рыбы на той же стадии развития. На пятой неделе, когда становятся различимыми конечности, эмбрион человека разительно напоминает эмбрион цыпленка на той же стадии развития. Еще через пару недель человеческий зародыш проходит эмбриональные стадии других млекопитающих животных. На этой стадии нас вполне можно спутать со свиньей, собакой или мышью, но, правда, форма головы и наличие пяти пальцев на кистях и стопах выдает в нас приматов.

Таким образом, не только желточный мешок напоминает о нашем эволюционном прошлом. Такое поочередное сходство с древними предшественниками и с животными ныне существующих видов привело к созданию одной из самых неудачных теорий в истории эмбриологии: теории рекапитуляции.

Напоминание о прошлом

Глядя на крошечные эмбрионы различных животных, невозможно игнорировать тот факт, что в них мы различаем некое «эхо» эволюции. У человеческого эмбриона есть стадия, когда в нем видны зачатки рыбьих жабр, а также стадия, на которой эмбрион обладает таким же сердцем, какое обнаруживается у эмбрионов рыб. Так возможно ли, что человеческие эмбрионы суть «воспоминания» или «повторение» эволюционного прошлого?

Рисунок заимствован из книги Геккеля и иллюстрирует сходные стадии эмбрионального развития животных восьми биологических видов

Эрнст Геккель, ученый, работавший в Германии во второй половине XIX века, биолог-новатор, открывший и описавший многие виды животных, сразу увлекся идеями Дарвина и стал пропагандировать учение об эволюции. Геккеля помнят также как человека, создавшего теорию рекапитуляции – и неверно ее понявшего, – хотя и он не был первым ученым, которому пришла в голову эта идея.

Аристотель классифицировал организмы согласно степени их сложности и совершенства, и полагал, что люди в своем эмбриональном развитии проходят стадии, соответствующие этим организмам, прежде чем достичь совершенства – естественно, человеческого. Однако на самом деле Аристотель лишь провел аналогию между различными стадиями эмбрионального развития человека и животными согласно своей классификации, основанной на иерархии сложности их строения.

Эта линейная классификация животных – всех животных – была в высшей степени популярной и влиятельной идеей. Преформисты (ученые, считавшие, что человек в своем окончательном виде находится в свернутом состоянии внутри яйцеклетки или сперматозоида) рассматривали всю историю жизни на Земле как созданную в момент акта творения: по их мнению, организмы просто развертывались до своей натуральной величины к моменту рождения. Все на свете было предопределено, и каждый организм был связан с предыдущими и последующими организмами непрерывной цепью жизни, природной лестницей – scala naturae. Для лестницы жизни характерно последовательное увеличение сложности, достигшее в своем апогее, конечно же, цивилизованного Человека.

В конце XVIII – начале XIX века немецкая школа натурфилософии отвергла идею о том, что эволюция протекала по предначертанному свыше пути, но ее представители по-прежнему считали, что она двигается строго в одном направлении: к увеличению сложности и к появлению сознания. Венцом творения считался опять-таки человек. Именно один из натурфилософов и высказал идею рекапитуляции. Это был врач и эмбриолог Иоганн Фридрих Меккель. Его имя увековечено в названиях двух врожденных дефектов, о которых знает каждый студент-медик: хрящ Меккеля (возникающий в развивающейся нижней челюсти) и дивертикул Меккеля (небольшое врожденное выпячивание стенки кишки). Меккель видел глубокую связь между великой цепью жизни и способом, каким простой, по видимости, эмбрион становится все сложнее и сложнее по мере развития. Меккель был убежден, что эмбрионы – в малом масштабе и очень быстро – проходят в своем развитии все этапы эволюции.

Отнюдь не все натурфилософы были приверженцами идеи рекапитуляции. Карл Эрнст фон Бэр, первооткрыватель яйцеклетки млекопитающих, изучал куриные эмбрионы и столкнулся с несколькими проблемами, идущими вразрез с этой идеей. Во-первых, эмбрионы никогда не походили на взрослых особей других видов животных; во-вторых, эмбриональные структуры часто появлялись не в той последовательности, которая задана лестницей природы. В-третьих, и это было самое главное, фон Бэр заметил, что эмбриональное развитие заключалось в том, что нечто весьма простое постепенно превращалось в нечто все более и более сложное. Рекапитуляция не имела смысла просто потому, что даже самые «примитивные» животные, например рыбы, на самом деле невероятно сложны. В своем неприятии рекапитуляции фон Бэр одновременно натолкнулся на один основополагающий закон биологии – дифференциацию. Наблюдая куриные эмбрионы, он собственными глазами видел, какой сложный организм развивался из простых исходных структур.

Все эти теории развития первой половины XIX века основаны на теоретическом фундаменте, который был готов вот-вот рассыпаться. Этим фундаментом стал библейский креационизм, который нес с собой представление о неизменности видов. Это означало, что появление в эмбриональном периоде у человека структур, общих со взрослыми животными, объясняли исключительно божественным замыслом.

В 1859 году Чарльз Дарвин опубликовал свою книгу «Происхождение видов путем естественного отбора», и все красочное полотно биологии оказалось накинутым на новую раму. Биология обрела новое основание. В действительности главный тезис «Происхождения видов» был явлен миру годом раньше в совместной статье Дарвина и Альфреда Рассела Уоллеса, представленной Линнеевскому обществу в Лондоне. Как ни странно, но эта статья не вызвала никаких особых откликов в научном сообществе. Тем не менее книга о происхождении видов путем естественного отбора была все же замечена. Более ранние концепции о последовательности неизменных биологических видов на scala naturae были теперь заменены на идею реальной последовательности видов, возникающих с течением времени на ветвящемся древе жизни (хотя надо отметить, что идея линейной последовательности очень неохотно сдает свои позиции: у нее до сих пор есть последователи).

В «Происхождении видов» Дарвин писал о поразительном сходстве эмбрионов различных животных, иллюстрируя свою точку зрения случаем, происшедшим со знаменитым анатомом Луи Агасси, который, «забыв наклеить ярлык на банку с эмбрионом какого-то млекопитающего, не мог потом понять, принадлежал ли он млекопитающему, птице или пресмыкающемуся». Дарвин понял, что сходство эмбрионов может дать нам важный ключ к разгадке эволюционных отношений между животными. Однако у взрослых животных это сходство исчезает и появляются новые приспособительные признаки. Согласно взглядам креационистов, сходство между эмбрионами (и взрослыми особями) является отражением абстрактной связи между животными, которая присутствовала в разуме Творца. Однако, согласно новой эволюционной парадигме, эта схожесть говорила о вполне реальной, физической связи между предками и потомками.

Немецкий ученый Эрнст Геккель, будучи горячим сторонником теории Дарвина, написал популярную книгу по биологии, морфологии и эволюции. Несмотря на возражения фон Бэра, теория рекапитуляции сохраняла прочные позиции в середине XIX века, и Геккель снабдил ее эволюционным обоснованием. Геккель считал, что эволюционные изменения происходят благодаря добавлению новых изменений в конце периода эмбрионального развития. Это означало, что эмбриональное развитие организма является точным отражением последовательности эволюционного развития. Так, например, человеческий эмбрион, как и следовало ожидать, проходит в своем развитии стадии, на которых он последовательно напоминает рыбу, амфибию, рептилию и только ближе к концу эмбрионального периода – млекопитающее. Геккель очень афористично выразил свою мысль: «Онтогенез повторяет филогенез». Другими словами, эмбриональное развитие повторяет эволюционную историю животного.

Теория рекапитуляции Геккеля (или биогенетический закон) стала невероятно популярной в его время, и многие биологи были покорены столь изящным объяснением сходства между онтогенезом и филогенезом. Увы, этой теории была уготована печальная судьба. На рубеже XIX и ХХ веков, после рождения экспериментальной эмбриологии и появления новой науки о наследственности, названной «генетикой», теория Геккеля была окончательно отброшена. Эмбриологи начали изучать механизм развития, перемещая на ранних стадиях участки тканей в зародышах амфибий и наблюдая за тем, что из всего этого получится. Генетики, в свою очередь, показали, что изменения не просто добавляются в конце эмбрионального развития: все гены присутствуют в зародыше с момента зачатия, а мутации могут изменить ход развития в любой его момент. Основная идея рекапитуляции, а именно то, что дополнительные признаки могут быть добавлены только в конце периода эмбрионального развития и что эмбрионы проходят стадии, эквивалентные взрослому состоянию предковых форм, в результате тщательных исследований не подтвердилась.

Драматический конец теории рекапитуляции сделал само ее обсуждение достаточно щекотливым. Даже упоминание биогенетического закона Геккеля стало, в какой-то мере, неприличным. Теория так сильно себя дискредитировала, что ее можно было употребить только разве что в качестве назидательной истории для следующих поколений ученых. Тем не менее между эмбриональным развитием и эволюцией все же прослеживается параллелизм. Геккель оказался неправ: эмбриональное развитие животных не является повторением форм их взрослых предков. Однако фон Бэр (о котором все как-то забыли в своем увлечении этой научной сенсацией), а также Дарвин оказались правы. Сходство эмбрионов разных видов объясняется именно наличием общих предков.

Дарвин и Альфред Рассел Уоллес оба и практически одновременно пришли к идее эволюции путем естественного отбора, наблюдая и сравнивая главным образом различия в анатомии и физиологии, а также эмбриональном развитии живых организмов. Это невероятно важная деталь, которую стараются не замечать креационисты, ибо она означает, что эта теория не зависит от палеонтологических находок и от прогресса науки, происшедшего со времен Викторианской эпохи. Самое изящное объяснение тех свойств, какие мы наблюдаем у ныне живущих видов, заключается в том, что все животные родственны друг другу: все они ветви одного огромного эволюционного древа жизни.

Во второй половине XIX века биологам и геологам стало ясно, что вымершие животные, известные нам по оставшимся от них окаменелостям, тоже были частями этого великого древа. Однако со времени опубликования в 1858 году фундаментальной статьи Дарвина и Уоллеса было сделано множество чудесных открытий, касающихся ископаемых организмов, и полученные данные позволили связать между собой различные группы животных. Теперь в нашем распоряжении есть ископаемые остатки рыб с плавниками, напоминающими конечности (тиктаалик), а также ископаемые остатки древнейших амфибий – таких, как акантостега (Acanthostega), которые показали нам, как выглядели первые в истории конечности четвероногих животных. Мы обнаружили оперенных динозавров, по которым можно судить о происхождении птиц. Мы открыли ископаемые остатки предка современных китов, у которого отчетливо видны задние конечности. Обнаружили окаменелости рептилий, похожих на предков млекопитающих. Сейчас мы обладаем довольно обширными знаниями об ископаемых останках более 20 видов гоминид [1] – эволюционной ветви двуногих антропоморфных приматов, насчитывающей около 6 миллионов лет, среди которых были и наши с вами предки.

Помимо обильных палеонтологических и палеоантропологических данных об ископаемых формах, мы теперь можем исследовать любые структуры организма гораздо более подробно, чем могли мечтать ученые Викторианской эпохи. Ткани и органы можно теперь исследовать с помощью электронной микроскопии и иммуногистохимии; клетки можно окрашивать в разные цвета в зависимости от вырабатываемых ими белков. И конечно же, после открытия ДНК состоялся большой прорыв в понимании природы наследственных признаков, в выяснении функции генов (эти исследования интенсивно продолжаются и в настоящее время) и в прочтении всего человеческого генома (хотя эта область исследований если и вышла из эмбрионального периода, все же продолжает пребывать в пеленках).

Развитие эмбриологии было подстегнуто достижениями в гистологии и генетике. Эксперименты, проведенные во второй половине ХХ века, приоткрыли завесу над тем, как клетки «решают», в какие именно ткани они будут развиваться. Эмбриологические исследования приобрели иной характер после того, как было доказано, что нить ДНК представляет собой «код жизни». Теперь речь пошла не просто о том, как формируется эмбрион с течением времени, но и о том, какие гены управляют этим процессом. Фон Бэр мог прильнуть к микроскопу и найти сходство между ранними стадиями эмбрионов курицы, рыбы и человека, из которых впоследствии развивались совершенно разные организмы. Теперь же секвенирование ДНК позволяет определить и более глубинное родство, записанное в генетическом коде животных разных видов.

Современная эмбриология показывает, как генетический код организма транслируется в составляющие организм белки. Для того чтобы реконструировать древо жизни, мы теперь можем использовать не только сравнительную анатомию, но проникнуть на более глубокие уровни, используя для этого сравнительную эмбриологию и сравнительную геномику. Генеалогические деревья видов, построенные на основании последовательностей нуклеотидов в ДНК, позволяют заглянуть в эволюционную историю глубже, чем это делает сравнительная анатомия. Синтез эмбриологии, генетики и теории эволюции (известный как Evo-Devo[2]) поможет ответить на важные вопросы, связанные с эмбриональным развитием и эволюционной историей организмов. Нынешнее поколение эмбриологов, решительно отвергая биогенетический закон Геккеля – Мюллера, открывает более глубокие связи между онтогенезом и филогенезом, между эмбриологией и эволюцией.

Именно благодаря сходству человека с другими животными, которое проявляется в строении взрослых организмов, эмбриональном развитии, генетическом коде, мы теперь можем понять, где наше место на великом древе жизни – на arbor naturae. Мы – всего лишь побег на этом дереве, а не пик или конечная цель эволюции, ведь у эволюции нет конечной цели. Если вы внимательно присмотритесь к своей анатомии, то поймете, что наше тело отнюдь не является венцом творения, как вам, возможно, хотелось бы думать. Вы и я, все мы очень далеки от совершенства и скорее похожи на сшитое из кусочков лоскутное одеяло, которое, благодаря длящемуся миллионы лет поиску наилучших решений способом проб и ошибок, характерному для естественного отбора, становится все более совершенным. Именно благодаря этому процессу мы с вами живем на нашей Земле.

Эмбриология и эволюция объясняют, почему наше тело устроено именно так, а не иначе. Строение и функции взрослого организма являются результатом индивидуального эмбрионального развития и эволюционного прошлого. Все мы – от головы до пят – являемся живым воплощением этой истории.

Голова и мозг От возникновения головы у позвоночных животных до феноменального роста головного мозга у человека

Меня часто спрашивают, как я заинтересовался мозгом; я даю на это риторический ответ: «Как можно не заинтересоваться им?» Все, что мы называем «человеческой природой» и сознанием, возникает именно в нем.

Вилейянур С. Рамачандран

Первая голова

Возможно, этот вопрос покажется вам странным, но вы когда-нибудь задумывались, почему у нас есть голова? Очевидно, что это не исключительно человеческая принадлежность; большинство известных нам животных обладают головой. Действительно, наличие головы кажется непременным условием существования позвоночных животных – рыб, земноводных, пресмыкающихся, птиц или млекопитающих. Головы есть и у многих беспозвоночных, но у некоторых видов головы нет. Чтобы ответить на вопрос «почему у нас есть голова?», будет для начала полезно узнать, когда у наших предков впервые появилась эта анатомическая особенность.

Я всегда думала, что на этот вопрос я получила исчерпывающий ответ на школьных уроках биологии. Там я узнала, что позвоночные произошли от более простых организмов, похожих на современных асцидий, достаточно близких родственников позвоночных животных. Возможно, где-то на свете существуют зоологи, очарованные асцидиями, но если сравнивать последних с позвоночными, то я не покривлю душой, если скажу, что асцидии слишком оседлы и, пожалуй, скучны. Эти почти неодушевленные существа прячутся на дне морском и ведут бесцельный образ жизни, прилипнув к подводным скалам, всасывают сифонами воду и, отфильтровывая ее, питаются взвешенным в ней планктоном.

Я свела довольно тесное знакомство с асцидиями, изучая их сравнительную анатомию, во время съемок фильма Би-би-си. Мы очень недалеко отплыли от берега небольшого, практически необитаемого островка Мнемба на востоке Занзибара; небо отливало неимоверной лазурью, а вода была невероятно прозрачной. Мы были снабжены масками, трубками и ластами, а также камерой для подводных съемок. Я нырнула с лодки в неправдоподобно, до смешного синее море и погрузила лицо в воду. Мне раньше никогда не приходилось плавать вблизи кораллового рифа, и то, что открылось моим глазам, заставило меня затаить дыхание. Я вынырнула и крикнула экипажу: «Там внизу сотни рыб!» Думаю, все остальные уже сталкивались с этим зрелищем, по крайней мере, они не спешили разделить мой восторг. Однако это не приглушило моего ощущения чуда.

Нырнув метра на четыре к подножию рифа, я принялась искать асцидий, и наконец нашла одну, и затем доставила ее на берег в ведре. Исследовав небольшое создание (размером со среднюю картофелину и немногим более интересное), я обнаружила в резиновом на ощупь теле два отверстия. Эти отверстия биологи деликатно именуют сифонами, хотя у других животных эти же отверстия именуют ртом и задним проходом. Между этими двумя отверстиями у асцидии протянута простая U-образная кишка. Асцидия засасывает морскую воду в ротовое отверстие (оральный сифон), и частицы планктона застревают в слизи, покрывающей стенку кишки, а остаток воды протекает дальше и изгоняется из тела через клоакальный (атриальный) сифон. У асцидии нет органов чувств, таких, например, как глаза, но она способна ощущать воздействия внешнего мира с помощью неприметных, разбросанных по поверхности тела рецепторов, реагирующих на свет, прикосновение и различные химические вещества. Жизнь асцидии кажется невероятно скучной: в принципе, вся она представляет собой просто кишку. Асцидия не ползает, не плавает, не видит и не мыслит. Она просто сидит на месте, получая из морской воды питание, – этот процесс нельзя даже назвать «поеданием пищи».

Взрослая асцидия (слева) и ее личиночная стадия (масштаб не соблюден)

Однако есть в жизни асцидии одна короткая стадия, когда это животное выглядит немного интереснее. На стадии личинки, внешне напоминающей головастика, асцидия плавает. В этот период своей жизни асцидия представляет собой крошечное создание, которое может плыть в любом направлении. У личинки есть и хвост, и голова, но очень скоро она утрачивает и то и другое. Когда личинка вырастает и прикрепляется к дну, а процесс роста продолжается всего три дня, она становится безголовой. В середине XIX века русский эмбриолог Александр Ковалевский (ученик Геккеля) заметил, что личинка асцидии обладает одной особенностью: в ее теле имеется укрепляющий тканевой стержень (называемый хордой), а в хвосте расположена нервная трубка. Эти структуры, как уже было известно к тому времени, существуют у эмбрионов позвоночных животных, и, несмотря на то что взрослая асцидия утрачивает хорду, особенности ее личинки свидетельствуют о том, что асцидия на самом деле является близким родственником позвоночных. Представляется, что Ковалевский открыл одну из биологических тайн: казалось, что, возможно, позвоночные развились вследствие неотении, от предка, похожего на асцидию, который, как Питер Пэн, забыл стать взрослым и не прикрепился к дну, а вместо этого так и остался на всю жизнь свободно плавающей личинкой. Эта история была изложена в учебниках, по которым я училась в 1980-х годах[3].

Недавно проведенные исследования заставили усомниться в такой последовательности событий. В науке всегда существует такая профессиональная опасность: то, что сегодня представляется великолепной, основанной на неопровержимых фактах теорией, завтра может отправиться на свалку истории, если появляются новые факты, которые упрямо не желают вписываться в существующую парадигму. Итак, новые исследования позволяют предположить следующее: несмотря на то что асцидии действительно являются нашими родственниками, они все же не слишком хорошо подходят на роль предков позвоночных животных. Изучение ДНК асцидий и их морфологии (строения тела) показало, что эти животные в ходе эволюции на самом деле претерпели упрощение формы. Общим предком асцидий и позвоночных было не оседлое живое существо, подобное взрослой асцидии (эта форма возникла позже), но животное, которое свободно плавало в воде всю свою взрослую жизнь.

Филогенетическое древо (с самым ранним предком внизу), на котором показано, как позвоночные могли развиться из предка, похожего на асцидию

Действительно, как оказалось, существуют животные, которые, состоя в близком родстве с позвоночными и асцидиями, всю жизнь способны свободно плавать: эти животные называются ланцетниками. Это маленькие существа, очень похожие внешне на рыб, но рыбами не являющиеся – у них нет позвоночника (и, кроме того, черепа). Ланцетниками их называют, потому что их тело заострено на концах, и по-гречески их называют «амфиоксами» – обоюдоострыми. Все вместе, позвоночные, ланцетники и асцидии, образуют тип хордовых животных, потому что у всех них есть хорда. Есть у них еще несколько общих признаков, включая полую нервную трубку, жаберные щели и хвост. Здесь мы на минуту прервем наши рассуждения, так как вы, вероятно, подумали: «Секундочку! Я позвоночное, а значит, и хордовое животное. Но, простите, у меня нет жаберных щелей и хвоста! Кроме того, не думаю, что у меня есть полая нервная трубка или какая-то там хорда». Ключом к разрешению этой загадки является то обстоятельство, что для того, чтобы считаться хордовым, вам надо иметь все эти признаки хотя бы на какой-то одной из стадий вашей жизни, и в этом отношении и вы, и я, и все люди немного похожи на асцидий, у которых эти признаки есть на стадии личинки, а затем утрачиваются при переходе во взрослое состояние. Когда вы были эмбрионом, у вас (и это совершенно точно!) была хорда, своего рода протопозвоночник, как были полая нервная трубка, хвост и жаберные щели. Вы, несмотря ни на что, хордовое животное.

Выявление у людей признаков хордовых животных означает, что мы можем понять, в каких отношениях мы находимся со всеми остальными животными нашей планеты – как ныне живущими, так и вымершими. Хордовые – это всего лишь один из тридцати пяти типов, на которые подразделяется все царство животных. Отнесение позвоночных, асцидий и ланцетников к типу хордовых было предложено не кем иным, как Эрнстом Геккелем в 1874 году. Происхождение этого типа можно проследить до геологического периода, называемого кембрием. Кембрийский период начался 542 миллиона лет назад с так называемого кембрийского взрыва, когда в морях началось быстрое увеличение численности и многообразия многоклеточных животных. Несмотря на то что к настоящему времени обнаружены окаменелости, явно свидетельствующие о появлении многоклеточных мягкотелых организмов, возникших раньше, еще в докембрии, первые ископаемые остатки большинства существующих ныне типов многоклеточных животных относятся все же к кембрийскому периоду[4].

Генеалогическое дерево (самый ранний предок представлен внизу), показывающее эволюцию позвоночных и асцидий, происшедших от предковой формы ланцетника

В самом конце ХХ века палеонтологи, которые вели раскопки в древних скалах южнокитайской провинции Юньнань, обнаружили 300 превосходно сохранившихся окаменелостей крошечного, похожего на рыбку животного, которое получило название хайкоуэлла (Haikouella). Горные породы, как и сами окаменелости, датируются ранним кембрием – около 530 миллионов лет назад.

Итак, вообразите себе маленькое, похожее на рыбку существо длиной около 2,5 см, плавающее в придонных водах мелкого моря и периодически отдыхающее на дне. Представьте себе целую их стаю. Когда истощаются запасы растворенного в воде кислорода, эти существа погибают и погружаются на морское дно, и мелкий ил, приходящий в движение при малейшем волнении воды, постепенно погребает их крошечные тельца. Со временем мягкие ткани этих «недорыбок» подвергаются минерализации, то есть окаменевают, или фоссилизируются. Шелковистый ил морского дна затвердевает, превращаясь в мелкозернистые отложения и сохраняя все мельчайшие подробности анатомического строения животных.

Несмотря на то что эти создания не превышали в длину нескольких сантиметров, в этих окаменелых остатках прекрасно сохранилась структура мышц, проходящего вдоль тела стержня, называемого хордой, фестончатых дуг, поддерживавших жабры, и даже крошечного мозга. Ротовое отверстие окружено бахромой из двенадцати коротких щупальцев. У одного экземпляра можно видеть нечто весьма напоминающее глаз. Это очень странное создание, отчасти похожее на червя, а отчасти на рыбу. На самом деле это и не червь, и не рыба. Больше всего это существо похоже на ланцетника. Анатомическое строение ланцетника поразительно напоминает строение призрачных остатков, обнаруженных в китайских горных породах, имеющих возраст около 530 миллионов лет. Хайкоуэлла – самый древний из до сих пор обнаруженных представителей типа хордовых, причем, судя по всему, у этого животного была голова. В то время как ныне живущий ланцетник – это наш весьма отдаленный родственник, хайкоуэлла – или, по крайней мере, похожее на нее животное – была, возможно, тем древним предком, от которого произошли люди (вместе с остальными хордовыми). Все это означает, что голова (или то, что заменяло ее хордовым) уже существовала по меньшей мере 530 миллионов лет назад.

Признаки хордового животного, обнаруженные (сверху вниз): у хайкоуэллы, современного ланцетника и человеческого эмбриона в конце третьей недели внутриутробного развития

Для того чтобы выяснить происхождение свободно плавающих живых организмов (а способность к плаванию, возможно, связана с появлением головы), нам придется спуститься по ветвям древа жизни вниз, до самого его основания, и, возможно, заглянуть в еще более отдаленное прошлое. В этой тьме времен трудно найти верный ответ. Учебники очень осторожно трактуют происхождение хордовых и позвоночных, и картина здесь значительно изменилась буквально за последнее десятилетие. У меня есть учебник биологии, вышедший в 2001 году, где сказано: «В этой главе мы обсудим вопрос происхождения позвоночных животных (от беспозвоночных)».

Из всех других групп ныне живущих организмов следует, помимо близкородственных нам хордовых, выделить иглокожих – тип, включающий в себя морских ежей, морских звезд, офиур, морских лилий и голотурий. Это довольно разнообразные организмы, но все они объединены планом строения, соответствующим пятилучевой симметрии. Трудно вообразить себе что-либо, менее похожее на человека, и даже на рыбу или ланцетника, чем морская звезда. Ричард Докинз зашел так далеко, что назвал этих существ «марсианами». Действительно, в сравнении с позвоночными иглокожие животные выглядят очень странно. Они необычны даже в сравнении с беспозвоночными, тела которых, как и наши, обладают билатеральной симметрией, в них можно различить передний и задний конец, а также правую и левую сторону – в противоположность радиальной симметрии морской звезды. Тем не менее есть один короткий момент, когда морская звезда напоминает хордовое животное, и этот момент можно наблюдать в эмбриональном периоде ее развития. Раннее эмбриональное развитие морской звезды похоже на эмбриональное развитие хордовых (включая и нас), а личинки морских звезд – так же как личинки асцидий – являются свободно плавающими организмами. В отличие от взрослых особей морских звезд их личинки обладают билатеральной симметрией, и у них есть головной конец и хвост. Это для нас и в самом деле более привычно. Так, может, предок хордовых больше похож не на личинку асцидии, которая «забыла вырасти», а на личинку современных иглокожих?

Наши «марсианские» родственники – генеалогическое дерево, на котором показано, что позвоночные могут оказаться близкими родственниками иглокожих

Самая большая проблема для зоологов, пытающихся решить эту головоломку, заключается в том, что существует огромная пропасть между хордовыми, с одной стороны, и иглокожими – с другой. Существует, правда, достаточно много анатомических, эмбриологических, а теперь и генетических данных, показывающих, что эти две группы являются достаточно близкими родственниками, но остается непонятным, как именно выглядел их общий предок. Был ли он больше похож на хордовое или на иглокожее животное? Произошли ли морские звезды от свободно плавающих предков или мы развились из оседлого организма, фильтровавшего через сифоны морскую воду; организма, личинки которого в один прекрасный день просто забыли вырасти? До недавнего времени эта идея о личинке (только на этот раз существа больше похожего на иглокожих, а не на асцидий), последовавшей примеру Питера Пэна, была весьма популярной среди британских ученых. Но здесь на выручку ученым пришла генетика, потому что даже если организмы внешне выглядят совершенно по-разному, то генетическое родство может показать, что у них тем не менее был общий предок.

В этой головоломке есть и еще один элемент: ветвь филогенетического древа, о которой я до сих пор специально не упоминала. Все эти иглокожие морские ежи, морские звезды и морские лилии имеют довольно близких родичей, которых называют «полухордовыми». Одним из подтипов полухордовых являются кишечножаберные, или кишечнодышащие, животные. Эти склонные к уединению, похожие на червей существа обитают в иле или под камнями морского мелководья. Эти двухметровые существа отличаются смесью признаков, характерных для хордовых и для беспозвоночных животных. На переднем конце тела у кишечнодышащих есть хоботок, похожий на нос мультяшной ракеты. Весь этот «червяк», надо сказать, своей формой напоминает гигантский сперматозоид. (Я нарисовала их рядом для того, чтобы наглядно это продемонстрировать; правда, это чисто внешнее сходство.)

Через десять лет после того, как Эрнст Геккель открыл тип хордовых, в 1884 году, английский биолог Уильям Бейтсон (который знаменит тем, что придумал термин «генетика») добавил в этот тип и кишечножаберных животных. Основанием для такого решения послужило то, что Бейтсон, как ему показалось, обнаружил у кишечножаберных определенные признаки хордовых животных. У этих странных созданий (кишечножаберных) было множество жаберных щелей, как у ланцетника, а вдоль спины тянулся нервный тяж, и казалось, что в некоторых местах он полый. Бейтсон также считал, что хордоподобный орган (нотохорд), являющийся выростом кишечника и поддерживающий хоботок этих животных, представляет собой зачаток хорды. Позднее биологи поставили эти утверждения под сомнение, и в 1940-х годах кишечнодышащие были исключены из типа хордовых. Сами животные пребывали в счастливом неведении о своем разжаловании. Они продолжали как ни в чем не бывало копаться в придонном иле и занимались прочими своими делами. Люди, казалось, потеряли к ним всякий интерес.

Кишечножаберное животное (слева) и человеческий сперматозоид (справа, масштаб не соблюден)

Однако в последние два десятилетия кишечнодышащие снова оказались в тренде. Современная наука, название которой дал Бейтсон, раскрыла тайны ДНК кишечнодышащих. Действительно, эти животные не относятся к хордовым, но, как наши очень дальние родственники, они оказались даже более полезными для нас, так как в их ДНК содержится ключ к разгадке происхождения нашего типа.

Положение кишечнодышащих на древе жизни стало понятным после того, как была секвенирована их ДНК: оказалось, что кишечнодышащие близкородственны иглокожим. Рассматривая разницу в последовательности «букв» (четырех азотистых оснований – нуклеотидов), составляющих ДНК этих существ, биологи смогли доказать родство между различными группами животных и нарисовать филогенетические деревья, являющиеся частью великого единого эволюционного древа жизни. Разница в последовательности нуклеотидов в ДНК отражает реальные эволюционные отношения между разными видами животных. Например, позвоночные генетически больше схожи с асцидиями, чем оба этих типа с кишечнодышащими, потому что позвоночные и асцидии имеют более недавнего общего предка. Сравнение ДНК разных животных может показаться чем-то совершенно новым в науке, но, несмотря на всю революционность, это на самом деле всего лишь расширение тех методов, которые эволюционная биология использовала с момента своего возникновения – сравнение и противопоставление признаков различных животных. Просто вместо частей тела теперь сравнивают гены и последовательности пар нуклеотидов в цепях ДНК. Это всего лишь сравнительная молекулярная анатомия.

Последовательность нуклеотидов в ДНК помогает нам строить филогенетические деревья, но генетика, помимо этого, может пролить свет на вопрос о том, является ли какая-либо анатомическая структура одного животного эквивалентом (гомологом) – такой же структуры другого животного. Гомология существует у животных разных видов, если у этих животных были общие предки. Дарвин, например, признавал, что человеческая кисть, крыло летучей мыши и плавник дельфина являются гомологичными анатомическими структурами, так как все они были унаследованы от общего предка. Иногда, правда, гомологию заметить трудно, и лучшим способом проверки гомологичности тех или иных структур становится выяснение того, какие гены «включаются» (или на научном жаргоне – экспрессируются), когда в эмбриональном периоде формируются зачатки интересующих нас органов.

Филогенетическое древо (самый ранний предок изображен внизу), показывающее, насколько кишечножаберные близки к хордовым – ближайшим предком животных обоих типов был, вероятно, червь

Сходные наборы генов активизируются в процессе формирования внутренней поверхности развивающихся жаберных щелей у хордовых и у кишечножаберных: следовательно, жаберные щели у животных этих разных типов являются гомологичными. Однако при формировании нотохорды у хордовых и той структуры, которую Бейтсон посчитал гомологом хорды у кишечнодышащих, экспрессируются разные гены, а значит, и сами органы не являются гомологичными. Выяснилось также, что Бейтсон ошибся, посчитав, что у кишечнодышащих есть полая нервная трубка; вместо нее у представителей этого типа животного царства есть диффузная «нервная сеть», расположенная непосредственно под наружными покровами тела. За полую нервную трубку Бейтсон принял очень небольшую часть этой нервной сети.

Сложив все элементы этой головоломки, все данные сравнительной анатомии, эмбриологии, генетики и палеонтологии, мы можем, пожалуй, утверждать, что у нас есть ответ на вопрос о том, когда и почему у наших предков впервые появилась голова. Хоботок нашего дальнего родственника, кишечнодышащего животного, за которым расположен настоящий рот, едва ли можно назвать полноценной головой, но представляется, что хордовые (и иглокожие), вероятно, произошли от умевших плавать «червей», а не от подвижных личинок, превращающихся в неподвижные взрослые существа. (Интересно, что, согласно такой гипотезе, радиальная симметрия морской звезды возникла позже – то есть морские звезды произошли от предков, обладавших билатеральной симметрией так же, как и мы; но мы остались с этой «примитивной» билатеральной симметрией, а морские звезды получили новый, умопомрачительный дизайн.) Развитие головы шло у наших древних предков параллельно с развитием умения плавать. Подвижность не предполагает обязательного наличия головы, так как мы видим, что морские ежи и морские звезды нормально перемещаются в пространстве и без нее. (В сериале Би-би-си «Жизнь» есть впечатляющие кадры, демонстрирующие движения морской звезды; эти кадры и сейчас можно посмотреть на YouTube.) Морские звезды – это прекрасно видно при замедленной съемке – могут плыть в любом направлении. Но сможете ли вы, глядя на плывущую морскую звезду, определить, где у нее передний конец? Ключевой вопрос «Нужна ли этому животному голова?» можно перефразировать так: «Есть ли у этого животного передний конец?» Чем быстрее движется живое существо, тем с большей вероятностью его передний конец станет похож на голову. Активно плавающему животному это поможет сконцентрировать органы чувств в переднем конце – в голове, которая первой будет встречаться со всем новым в окружающей среде. Конечно, это поможет животному обрести и мозг – для того, чтобы обрабатывать всю информацию, поступающую из расположенных в голове органов чувств.

Древний и эмбриональный мозг

В окаменелостях, обнаруженных в провинции Юньнань, возраст которых оценивается в 530 миллионов лет, мы видим самые ранние признаки хордовых животных, самые ранние признаки настоящей головы и самые ранние признаки наличия головного мозга. Как любое уважающее себя хордовое животное, хайкоуэлла обладает полой нервной трубкой, а передний конец этой трубки слегка утолщен и подразделяется на три сегмента. Собственно, смотреть здесь почти не на что, но возможно, что этот слегка утолщенный конец нервной трубки хайкоуэллы и является ее головным мозгом. Удивительно, но и наш мозг – каким бы сложным и развитым он ни был – начинает развиваться точно с такой же утолщенной эмбриональной нервной трубки.

Ранее в этой книге мы оставили человека на стадии развивающегося эмбриона, имплантированного в стенку матки. Внутренняя клеточная масса морулы, похожей на тутовую ягоду, превращается в плоский двухслойный диск, зажатый между желточным мешком и новообразованной амниотической полостью. Верхний листок этого диска называют эпибластом, а нижний – гипобластом, или эндодермой.

На второй неделе внутриутробного развития эмбрион представляет собой двухслойный диск, зажатый между амниотической полостью и желточным мешком (образующимся из полости бластоцисты)

Теперь, в начале третьей недели внутриутробного эмбрионального развития, в зародыше начинают происходить весьма интересные события. Поставим внетелесный, мысленный эксперимент. Представьте себе, что эмбрион увеличился в несколько сотен раз, а вы плаваете в амниотической полости и смотрите на поверхность эпибласта, который, правда, больше похож на раздавленную грушу, нежели на диск правильной формы. (Помните, что странный плоский объект – это вы через две недели после зачатия.) Эта уплощенная грушевидная структура уже имеет передний конец (это ее расширенная часть) и задний конец, а также левую и правую стороны. Одновременно на поверхности эпибласта начинает происходить нечто странное: в середине его диска образуется бороздка, похожая на геологическую складку на поверхности земли. Размножающиеся клетки эпибласта смещаются к этой бороздке, а затем словно проваливаются в нее, как в пропасть. Попутно эти клетки оттесняют клетки гипобласта и на их месте образуют новый клеточный слой. Этот слой занимает промежуточное положение между исходными двумя – эпибластом и гипобластом.

Результатом всех этих перемещений, переселений и делений и становится превращение двух слоев зародыша в три: эктодерму, мезодерму и энтодерму. Теперь зародыш становится трехслойным, то есть состоит из трех зародышевых листков. Клетки каждого слоя имеют свою, предначертанную генетической программой судьбу. Энтодерма превратится в выстилку кишечника, легких и мочевого пузыря. Мезодерма превратится в кости, мышцы и кровеносные сосуды. Из эктодермы образуется внешний покров кожи и нервы. Здесь мы видим еще одну грань эмбрионального развития человека, которая связывает нас с нашими отдаленными родственниками, словно эхо нашей древней эволюционной истории. Вы помните эпидермальную нервную сеть кишечнодышащих?

Поверхность эпибласта, на которой видна первичная полоска (вверху) и поперечный разрез через первичную полоску (внизу), демонстрирующий клетки, мигрирующие внутрь зародышевого диска, где они формируют мезодерму и энтодерму

Этот процесс формирования трех слоев из двух называется «гаструляцией», потому что у более примитивно устроенных животных – например, у ланцетника – в ходе этого процесса образуется первичная кишка. Гаструляция – весьма важное событие, она закладывает фундамент для построения сложного человеческого организма. Гаструляция, кроме того, знаменует фундаментальное разделение животного царства, в ходе которого произошло выделение предковых форм, возникших в еще более глубокой древности, куда мы с вами пока не заглядывали, – около 600 миллионов лет назад. У одной группы животных произошла гаструляция, сопровождавшаяся образованием новых зародышевых листков, и в то же время возникло отверстие, которому будет суждено стать ртом. Эти животные получили название первичноротых (protostomata). Первичноротые – это огромная группа, к которой относятся членистоногие (крупный таксон, куда включены насекомые, ракообразные и паукообразные), моллюски и некоторые типы червей. В другой группе животных, вторичноротых (deuterostomata), рот развивается позже в виде самостоятельного отверстия. В сравнении с первичноротыми вторичноротые – сравнительно малочисленная группа, куда входят животные нашего типа – хордовые, вместе с кишечножаберными и иглокожими.

У хордовых, в том числе и у нас с вами, гаструляция – это момент, когда появляются наши определяющие признаки. По мере формирования среднего слоя (мезодермы) часть его утолщается и формирует стержень, тянущийся вдоль продольной оси эмбриона. Этот стержень и есть хорда (от греческого слова, означающего «струна»). Наличие хорды необходимо для образования еще одного признака хордовых – нервной трубки. Дело выглядит так, словно хорда приказывает лежащей над ней эктодерме изменить свойства. Собственно, так и происходит в действительности, только хорда передает свой приказ не словами, а определенными химическими соединениями. В ДНК содержатся инструкции построения эмбриона, и происходит это следующим образом: когда в клетках включаются определенные гены, эти клетки начинают продуцировать сигнальные белки, которые и сообщают другим клеткам, что им надлежит делать дальше.

В данном случае после того, как химические сигналы, порожденные в клетках хорды, начинают воздействовать на эктодерму, последняя начинает утолщаться. Очень скоро над поверхностью эктодермы, в области хорды, начинает горделиво возвышаться гребень. Затем на поверхности гребня, по его средней линии, возникает впадина, а затем продолговатая бороздка, обрамленная с боков двумя валиками. Эти валики начинают загибаться внутрь и в конце концов встречаются на средней линии тела эмбриона. Бороздка замыкается и превращается в трубку.

Поперечный разрез человеческого эмбриона в конце третьей недели внутриутробного развития. Эмбрион все еще представляет собой плоский диск, но нервная трубка уже сформирована, а мезодерма по обе стороны от нервной трубки уже образует утолщения, называемые сомитами. Уже сформированы кровеносные сосуды – по одной аорте с каждой стороны тела. Целом – это предшественник полостей тела ребенка: выстланных мезодермальными клетками мешков, одевающих легкие, сердце и кишечник

В 1960-х годах эмбриологи уже предсказывали, что образование таких структур, как нервная трубка, – а на самом деле и все эмбриональное развитие, – должно зависеть от существования сигнальных белков. Но только в 1990-х были открыты как молекулы этих белков, так и кодирующие их гены. В норме клетки верхней (дорсальной) части нервной трубки становятся чувствительными (сенсорными) нейронами, а клетки нижней (вентральной) части становятся двигательными нейронами (мотонейронами). Такое строение характерно и для зрелого спинного мозга, в котором чувствительные нейроны (передающие информацию в мозг) группируются в задней его части, а двигательные нейроны (передающие сигналы к мышцам) группируются ближе к передней части спинного мозга. Опыты на куриных эмбрионах показали, что если удалить хорду, то вентральные двигательные нейроны не развиваются. Ученые предположили, что хорда вырабатывает химический сигнал, который по-разному действует на клетки по ходу концентрационного градиента. В конечном счете были обнаружены сигнальные белки и кодирующий их ген. Белок этот получил название SHH (Sonic Hedgehog) – «еж Соник», в честь чудесного синего героя популярной компьютерной игры.

Несмотря на то что человек обладает хордой очень недолго в процессе эмбрионального развития, а затем на ее месте образуется куда более солидная структура – позвоночник (о котором речь пойдет несколько позже), она играет очень важную роль, ибо без нее у нас не развились бы ни спинной, ни головной мозг. Вспомним о лесах, которые возводят при строительстве здания. После окончания стройки леса убирают, но они очень важны, так как без них невозможно обойтись при возведении и отделке стен. Подобным же образом хорда очень важна для развития нервной трубки.

Замыкание трубки происходит неравномерно по ее длине. Сначала бороздка замыкается в трубку в середине зародышевого диска – этот регион соответствует будущей шее эмбриона. Затем щель трубки, как застежка-молния, начинает закрываться в обоих направлениях. На четвертой неделе внутриутробного развития происходит полное замыкание нервной трубки. Она становится слепой. Эта продолговатая полость является основой формирования центральной нервной системы – головного и спинного мозга.

Если валики нервной бороздки не срастаются в трубку, то в результате возникает «дефект нервной трубки». В Британии такими дефектами страдают восемь из десяти тысяч родившихся младенцев. Диапазон и последствия таких поражений очень велики. Если трубка не срастается в передней части, то не образуется головной мозг, и у плода возникает состояние, называемое анэнцефалией (в переводе с греческого «анэнцефал» значит «безголовый»). Такие дети умирают вскоре после рождения. Эти серьезные дефекты, как правило, обнаруживаются в пренатальном периоде на ультразвуковом исследовании. Если же нервная трубка не замыкается в других участках, то возникает состояние, называемое расщеплением позвоночника. Это может оказаться серьезным дефектом, сопровождающимся параличом нижних конечностей, но, в случаях небольших поражений, может протекать и бессимптомно.

На четвертой неделе внутриутробного развития нервная трубка замыкается на головном и хвостовом конце, и эмбрион перестает походить на плоский диск: боковые стороны диска загибаются внутрь и срастаются по средней линии. Теперь наружная поверхность эмбриона представлена исключительно эктодермой

На четвертой неделе внутриутробного развития новообразованная нервная трубка, слегка расширенная на переднем конце, разительно напоминает нервную трубку примитивного хордового животного, такого, как ныне живущие ланцетники или древние вымершие хайкоуэллы. Человеческому мозгу предстоит еще долгий путь дальнейшего развития, а мозг ланцетника у взрослого животного представляет собой именно легкое расширение на переднем конце нервной трубки и едва ли превосходит сложностью спинной мозг. У позвоночных, включая и нас, более сложный мозг начинает формироваться уже в эмбриональном периоде; передний конец слепо заканчивающейся нервной трубки расширяется, образуя три соединенных между собой пузыря, из которых развиваются передний мозг, средний мозг и задний мозг соответственно. Развитие заднего мозга контролируется генами семейства Hox, определяющими план строения тела у многоклеточных. Эти гены имеют очень древнее происхождение – варианты этого гена присутствуют у плодовой мушки, а наш общий с ней предок жил около 800 миллионов лет назад. Области переднего и среднего мозга формируются под влиянием более молодых генов, которые возникли после эволюционного расхождения первично- и вторичноротых, но перед возникновением хордовых животных.

По мере того как передний мозг продолжает расширяться, он подразделяется на две доли, из которых в дальнейшем образуются два полушария, или, проще говоря, «большой мозг». Непосредственно позади этих долей находится пара пузырьков, которым суждено превратиться в глаза, растущие из боковых участков переднего мозга. У многих позвоночных ранние структуры головного мозга, обнаруживаемые во внутриутробном периоде, легко распознаются и во взрослом мозге. На первый взгляд может показаться, что это не касается человеческого мозга, но такое впечатление складывается только из-за того, что у нас непомерно раздуваются полушария большого мозга, которые просто погребают под собой весь остальной мозг, но если заглянуть под полушария или вскрыть их, то можно легко разглядеть структуры, возникшие из эмбриональных пузырей. Развивающийся эмбриональный мозг человека очень похож на мозг акулы, но это лишь кажущееся сходство. Человеческий мозг устроен намного сложнее, чем мозг рыбы. Мы относимся к той линии животных, у которых произошел качественный рост полушарий мозга. У млекопитающих относительные размеры полушарий больше, чем у пресмыкающихся. Плацентарные млекопитающие (к которым относимся и мы с вами, вместе с большинством млекопитающих) имеют бо́льшие по размеру полушария, чем такие млекопитающие, как, например, утконос. У приматов полушария больше, чем у всех остальных млекопитающих, а у человека это увеличение достигло крайней степени.

Развитие головного мозга эмбриона в конце четвертой недели внутриутробного развития (вверху) и на шестой неделе (внизу), когда передний мозг развивается в два полушария и зрительный бугор (таламус), а задний мозг образует мост и продолговатый мозг

У рыб ствол мозга (средний и задний мозг) является самой крупной частью головного мозга. Передний мозг мал, при том что в нем сильнее других развиты обонятельные области. Мозг немного увеличивается у амфибий – в сравнении с рыбами: им приходится обрабатывать больше поступающей извне сенсорной информации, а также управлять более сложной мускулатурой конечностей. Полушария становятся еще больше у рептилий и птиц. Они начинают сильно выступать в стороны и покрывают расположенный под ними зрительный бугор (таламус). Большой мозг млекопитающих – в особенности плацентарных млекопитающих – становится умопомрачительно крупным. В дополнение к увеличению размеров в мозге млекопитающих происходит еще одно важное изменение: рост нового слоя мозговой ткани – «новой коры», или неокортекса. У млекопитающих неокортекс вырастает таким большим, что покрывает собой все более древние отделы головного мозга. Приходится приложить усилия, чтобы обнаружить древнюю кору, но найти ее можно, потому что она на самом деле никуда не делась. Древняя кора осталась, хотя новые отделы мозга оттеснили ее к его нижней поверхности, к внутреннему краю височной доли. Это обонятельная кора, которая обрабатывает самое древнее чувство – ощущение запаха, а также гиппокамп, который отвечает за формирование памяти.

В неокортексе млекопитающих находятся тела нейронов, вытесненных в наружный отдел мозга. Неокортекс играет троякую роль: он получает и осмысливает сенсорную информацию, поступающую от органов и тканей тела; он посылает двигательные импульсы мышцам; а также упорядочивает сенсорную информацию и направляет ее в память. При рассматривании под микроскопом видно, что новая кора состоит из шести слоев. У большинства млекопитающих новая кора отличается складчатостью. Эти складки увеличивают объем коры, которая может уместиться в ограниченном пространстве черепной коробки. Попробуйте представить себе лист бумаги, свернутый в шар, равный по объему коре мозга. Площадь такого листка будет довольно значительной – около 2400 см2, что приблизительно равно площади четырех листов формата А4. В человеческом мозге насчитывают около 86 миллиардов нейронов, из них 13 миллиардов находятся в мозговой коре. Мозг у человека не самый большой в животном царстве, так как у слонов и китов он существенно больше, чем у нас, но наш мозг очень велик в сравнении с весом тела.

Изображения головного мозга разных видов животных (без соблюдения масштаба), на которых показаны относительные размеры полушарий головного мозга; при взгляде сверху на мозг человека (как показано на рисунке) можно видеть только непомерно разросшиеся полушария большого мозга

Картирование человеческого мозга

У меня есть две уникальные вещи, которыми я очень дорожу. Мне крупно посчастливилось – их сделали для меня специалисты Би-би-си во время съемок фильмов об анатомии человека и ее эволюции. Одна вещица – это реконструкция моего собственного черепа, а вторая – реконструкция моего головного мозга. Обе модели созданы на основании данных магнитно-резонансной томографии (МРТ) и изготовлены по компьютерным изображениям посредством 3D-печати.

Меня обычно вдохновляет лицезрение моих личных анатомических структур. В процессе съемок или преподавания, а не в медицинских целях мне, вероятно, пришлось видеть свои внутренние органы чаще, чем многим другим людям. При ультразвуковом исследовании я наблюдала, как мое сердце, сокращаясь, перекачивает кровь; с помощью видеокамеры, вмонтированной в пластиковую пилюлю, я изнутри наблюдала работу собственных кишок, а благодаря МРТ я наблюдала свою матку и яичники, голову и гортань. Но, когда этими сканами воспользовались для того, чтобы реконструировать мой череп, я пришла в необычайное волнение. Доставая белый, как алебастр, череп из коробки, я смотрю на саму себя. Я привыкла к созерцанию реальных черепов, но эта модель по-настоящему тревожит и волнует меня. Подобно тому как костницы (оссуарии) XV века создавались для того, чтобы напоминать о бренности бытия, а не для прославления смерти, или как фигурки, используемые в мексиканском культе дня мертвецов, модель моего черепа стала для меня напоминанием о смерти – моим личным и очень сильным memento mori. Меньше чем через сто лет, когда черви выполнят свою кропотливую работу, я буду выглядеть именно так.

Другую трехмерную модель – мой мозг – я нахожу менее чарующей, но тем не менее в высшей степени интригующей. Сейчас, когда я пишу эти строки, модель моего мозга стоит передо мной на письменном столе. Как странно думать, что все мысли, которые возникают как нервные импульсы, перескакивающие с нейрона на нейрон через бесчисленные синапсы, происходят в реальном двойнике этой модели, уютно расположившемся внутри моего черепа.

Трехмерная модель моего мозга – очень хорошая реконструкция. На наружной ее поверхности я прекрасно вижу извилины и борозды – складки и углубления между ними, – которые делают мозг похожим на грецкий орех. Я отчетливо вижу центральную борозду, которая проходит в поперечном направлении по обеим сторонам мозга, от самого низа до самого верха, до щели, которая разделяет полушария большого мозга. Извилина серого вещества, расположенная кпереди от этой борозды, называется прецентральной извилиной, которая содержит тела двигательных нейронов, посылающих аксоны в ствол мозга и спинной мозг, где эти аксоны образуют синапсы со вторичными двигательными нейронами (мотонейронами), которые своими длинными волокнами дотягиваются до скелетных мышц моего тела, вплоть до мышц, управляющих движениями пальцев ног. За центральной бороздой находится постцентральная извилина; она получает входящие сенсорные сигналы от всей поверхности тела. Расположение нейронов в этих извилинах далеко не случайно относительно тех частей тела, которыми они управляют или от которых получают информацию. Связи этих нейронов с остальными частями тела можно картировать на поверхности коры, и часто эти карты рисуют в виде человечков, «гомункулусов» (мы снова встретились с этим словом, хотя на этот раз оно отображает реальные соотношения, а не маленького человечка, свернувшегося внутри сперматозоида).

Центральная борозда отделяет друг от друга две доли каждого полушария – лобную и теменную. На каждой стороне мозга есть еще по две доли – височная доля (представляющая собой клин, расположенный под теменной и лобной долями, под защитой височной кости) и затылочная доля сзади, расположенная под одноименной костью свода черепа.

Просто невероятной кажется сама мысль о том, что реальная версия этого органа, комок живой нервной ткани внутри моего черепа, стоит за всем, что я знаю, что делаю именно сейчас. Подумайте и вы о том, что делаете сейчас, в данный момент: участки лобной коры, управляющие движениями пальцев, активизируются, когда вы переворачиваете страницы или прокручиваете вниз текст на экране компьютера. Помимо того что лобная кора управляет произвольными движениями, она участвует также в концентрации внимания, запоминании, распознавании образов и формировании эмоций. Теменные доли заняты обработкой стимулов, включая и зрительные – в режиме реального времени, воспринимая то, что находится на странице или на экране. Височные доли играют важнейшую роль в речевой функции, позволяя распознавать слова – как произнесенные, так и написанные. Затылочные доли воспринимают информацию от рецепторов сетчатки и строят изображение: вы, наверное, думаете, что видите глазами, но на самом деле в глазах происходит лишь преобразование света в электрические сигналы; эти сигналы обретают смысл и значение, только достигнув затылочной коры, где эти стимулы, собственно, и превращаются в картины и образы.

Эти гомункулусы показывают, как человеческое тело представлено в постцентральной извилине (первичная сенсорная кора) и в прецентральной извилине (первичная двигательная кора): представительства богато иннервированных областей тела выглядят на карте крупнее, чем представительства других, менее интенсивно иннервированных областей

Кроме этого, имеет место разделение функций между правым и левым полушариями головного мозга. Перекрещивание нервных путей в спинном мозге приводит к тому, что правая половина головного мозга контролирует движения левой половины тела и наоборот. Что касается других функций, то они распределены по полушариям асимметрично: «творческая» правая сторона (у большинства людей) отвечает за пространственное восприятие, восприятие живописных произведений и музыки. Левая половина мозга отвечает за более «рациональные» действия – за владение языком и за логическое мышление. Надо, однако, заметить, что обе половины головного мозга непрерывно обмениваются информацией между собой в обоих направлениях. Действительно, сигналы из одних участков коры непрерывно поступают в другие участки, причем эти сигналы не обязательно пересекают срединную щель. В то время как кора является частью серого вещества мозга, выполненного из тел нервных клеток, сигналы передаются по белому веществу, которое представляет собой совокупность «кабелей», связывающих между собой разные участки мозга, то есть нервные клетки. Эти кабели представляют собой длинные отростки нервных клеток, называемые аксонами. Каждый аксон покрыт слоем изоляционного материала, в точности так же, как обычные электрические провода, если не считать того, что в мозге изоляция сделана не из пластика, а из жироподобного вещества – миелина. Пучки миелинизированных нервных волокон, образующие связи между областями коры, между двумя полушариями мозга и между корой и глубинными скоплениями серого вещества, составляют массу белого вещества головного мозга. В мозге новорожденного младенца миелина еще очень мало. Рост мозга в детстве, увеличение его массы обусловлены миелинизацией нервных волокон, а не возникновением новых нервных клеток.

Я снова бросаю взгляд на трехмерную модель моего мозга, на его заднюю часть, и вижу мозжечок, расположенный под затылочными долями. Именно здесь, в мозжечке, сенсорная информация от разных участков тела сливается с направленными мышцам командами из полушарий головного мозга. Взаимодействие сенсорной информации и двигательных команд в мозжечке позволяет осуществлять тонкую координацию движений и поддерживать равновесие. Вот почему люди, страдающие заболеваниями и повреждениями мозжечка, теряют способность к плавным и согласованным движениям. Тем не менее функциональная визуализация головного мозга, выполненная на фоне тех или иных видов деятельности, позволяет утверждать, что мозжечок выполняет не только чисто двигательные, но и когнитивные функции. Если же я переверну трехмерную модель моего мозга, то увижу структуры его ствола: средний мозг, мост и продолговатый мозг. Я даже могу рассмотреть то место, где находится моя древняя (в эволюционном плане) обонятельная кора и где расположен гиппокамп.

Наши современные знания о том, что и в каких участках мозга происходит во время его активности – то есть о том, какие «модули» мозга отвечают за те или иные функции, – были получены в результате появления новых технологий, таких, например, как аппараты для функциональной магнитно-резонансной томографии головного мозга (фМРТ), позволяющие изучать процессы, происходящие в живом мозге в режиме реального времени. Однако первые сведения о том, что различные участки головного мозга отвечают за разные функции, были получены задолго до изобретения магнитно-резонансных и компьютерных томографов; эти данные были результатом наблюдений за больными, страдавшими какими-либо локальными поражениями мозга – при травмах и инсультах. Самым известным из этих документированных случаев является случай американского железнодорожного рабочего Финеаса Гейджа. 13 сентября 1848 года 25-летний Гейдж был травмирован в результате взрыва, выбросившего из шурфа металлический стержень диаметром 3 см и длиной около метра. Этот стержень пробил череп Гейджа. Свершилось настоящее чудо, ибо Гейдж выжил и был обследован врачом по имени Джон Харлоу. История болезни Финеаса Гейджа, которую вел Харлоу, была опубликована им в 1868 году в журнале Publications of the Massachusetts Medical Society.

Харлоу описал, каким именно образом железный стержень пробил голову Гейджа: «Ранящий снаряд ударил своим заостренным концом в левую сторону лица, непосредственно кпереди от угла нижней челюсти, прошел косо вверх и назад и вышел наружу по срединной линии через задний отдел лобной кости вблизи венечного шва».

Далее Харлоу пишет о том, что Гейдж очень быстро пришел в сознание и был способен говорить уже через считаные минуты после получения травмы, о том, что, после того как Гейджа привезли на телеге в гостиницу, он самостоятельно спустился на землю, а затем поднялся по лестнице на второй этаж. Харлоу произвел ревизию ран: отверстие в щеке, где железный стержень вошел в голову, и большое продолговатое отверстие размерами 5 × 9 см, расположенное на своде черепа. Харлоу прощупал раны. В отверстие на своде черепа он смог целиком ввести правый указательный палец, а в отверстие в щеке – целиком левый указательный палец, но прикоснуться пальцами друг к другу Харлоу не смог. После осмотра Харлоу выполнил хирургическую обработку ран.

Харлоу наблюдал Гейджа на протяжении нескольких следующих месяцев. В ноябре того же 1848 года он отмечает, что «пациент быстро идет на поправку» и находится в хорошей физической форме. Гейдж наверняка очень хотел вернуться на работу, но железнодорожная компания отказала ему.

Харлоу писал, что до получения травмы Гейдж обладал «уравновешенным характером, а все знакомые считали его сообразительным и работящим парнем, очень энергичным и целеустремленным». Руководители считали Гейджа одним из лучших бригадиров – но травма изменила личность Гейджа. Теперь он стал «импульсивным, грубым, временами допускал сквернословие… проявлял нетерпение… невероятное упрямство и при этом стал капризным и нерешительным… Характер и ум его разительно изменились, причем настолько, что его друзья и знакомые в один голос говорили, что он “перестал быть Гейджем”».

Следующие четыре года Финеас Гейдж провел в скитаниях по штату Нью-Йорк и Новой Англии, некоторое время провел в цирке Барнума, демонстрируя во время представлений ранивший его стержень для трамбовки пороха и рассказывая свою печальную историю. После этого Гейдж некоторое время жил в Чили, а потом вернулся в Сан-Франциско, где жили его мать и сестра. Все это время Гейдж часто менял работу, будучи не в состоянии подолгу удерживаться на одном месте. В 1861 году, через двенадцать лет после травмы, у Гейджа начались припадки, и в мае того же года, на фоне сильных судорог он скончался.

Вскрытие произведено не было, но мать Гейджа разрешила доктору Харлоу вскрыть могилу и изъять из нее череп – «в интересах науки». На черепе была ясно видна траектория стержня, пробившего голову Гейджа: снаряд прошел сквозь левую верхнюю челюсть, через задний отдел левой глазницы и вышел наружу через лобную кость в ее задней части. Несомненно, что стержень прошел через левую сторону лобной доли, и Харлоу был уверен, что была повреждена также левая височная доля и вскрыт боковой желудочек – наполненная жидкостью полость внутри височной доли.

Более чем через 150 лет после того, как Финеас Гейдж пережил тяжелое ранение головы, группа анатомов и рентгенологов медицинского факультета Гарвардского университета провела еще одно исследование черепа Гейджа. На этот раз была выполнена компьютерная томография. Этот скан использовали для воссоздания трехмерной реконструкции черепа, что позволило смоделировать траекторию ранящего снаряда – железного стержня диаметром 3 см. Стало ясно, что височная доля не пострадала, так как стержень пробил только левую лобную долю. Согласно траектории, стержень не задел также двигательную область лобной доли, что объясняет, почему у Гейджа не развился паралич. Стержень прошел близко от внутренней сонной артерии у основания черепа и от верхнего сагиттального синуса (вены, заключенной между листками твердой мозговой оболочки) в вершине свода черепа. Если бы стержень задел хотя бы один из этих крупных кровеносных сосудов, то возникло бы массивное внутричерепное кровотечение, которое, скорее всего, оказалось бы смертельным.

* * *

Мы прошли долгий путь с тех пор, как Финеас Гейдж и его лом открыли врачам, что лобная доля мозга имеет какое-то отношение к мышлению, процессу принятия решений и социально адаптированному поведению. Намного более свежие исследования функции мозга показали, что эти «высшие» когнитивные функции локализованы в передней части лобной доли – в так называемой префронтальной коре, непосредственно кпереди от двигательной коры. В середине позапрошлого века ученые не обратили должного внимания на травму Гейджа и не извлекли из нее полезных уроков, не сделали вывода о том, что для разных областей мозга характерна функциональная специализация и они отвечают за разные функции. Сейчас представляется просто невероятным, что никто не обратил внимания на данные доктора Харлоу, теперь, в свете наших современных знаний, такое отношение представляется нам противоречащим здравому смыслу.

До начала XIX века мозг считали гомогенным шариком, функции которого, по мнению ученых, мало отличались от функции, скажем, печени. Френологи первыми предположили, что разные участки мозга отвечают за разные когнитивные функции, но их учение о шишках черепа было вопиюще лженаучным.

Первые признанные научным сообществом свидетельства функциональной специализации мозга были опубликованы французским врачом, анатомом и антропологом Полем Брока. Исследуя мозг пациентов, страдавших поражениями мозга и расстройствами речи, Брока обнаружил и описал область в лобной доле, которая, судя по всему, отвечала за продукцию речи. В 1861 году он опубликовал результаты своих наблюдений в статье, озаглавленной «О принципе мозговых локализаций» (Sur le principe des localisations cérébrales). По знаменательному совпадению, статья была напечатана в год смерти Финеаса Гейджа.

В 1874 году немецкий невролог Карл Вернике предположил, что верхняя часть височной области отвечает за понимание речи. Свои выводы Вернике тоже основывал на наблюдениях больных, страдавших поражениями этой области. Несмотря на то что новейшие исследования внесли некоторые коррективы в наши представления об анатомической локализации различных функций мозга, его области, открытые этими первопроходцами, по-прежнему называются «зоной Брока» и «зоной Вернике».

Карта коры головного мозга рождалась на свет в таких же муках, как и карта земной поверхности, в результате многочисленных повторных исследований и наблюдений. В конечном счете мозг, как и земной шар, был досконально описан со всеми своими континентами, странами и островами. Можете открыть любой учебник по анатомии центральной нервной системы, и вы найдете там точные описания и аккуратные обозначения всех областей мозга, но на самом деле не все так просто, ведь мы говорим о головном мозге. В нем содержится около 13 миллиардов нейронов – и это только в новой коре; при этом на каждый нейрон приходится в среднем 7000 синаптических связей, что составляет почти 100 триллионов связей на весь объем коры головного мозга. Лично я от таких чисел начинаю нервничать. Одно дело – набросать карту связей между крупными областями мозга в связи с определенными функциями и совсем другое – составить реальную карту всех связей между нейронами. Тем не менее находятся смельчаки-нейробиологи, пытающиеся решить эту задачу.

В 2007 году группа ученых медицинского факультета Гарвардского университета, во главе с профессорами Джеффом Лихтманом и Джошуа Сейнсом, изобрела новую методику визуализации: многоцветную систему картирования нейронов, призванную отобразить все сложные взаимосвязи нейронов в головном мозге. Пользуясь достижениями генной инженерии, они внедрили несколько избыточных генов в геном мыши. Эти гены запрограммированы на синтез флуоресцирующих разными цветами белков, которые заставляют светиться нейроны подопытной мыши. Случайные комбинации цветов могут создать более сотни оттенков, которые можно использовать для идентификации отдельных нейронов. Когда мы глядим в микроскоп на срезы мышиного мозга, эти цвета помогают нам точно проследить длинные волокна нервных клеток и выявить клетки, образующие друг с другом синапсы. Авторы достаточно остроумно окрестили свою методику «Brainbow» (от англ. brain – «мозг» и rainbow – «радуга»).

Пару лет назад мне посчастливилось лично познакомиться в Гарварде с профессором Джеффом Лихтманом. Естественно, мы заговорили об уникальности человеческого мозга. Наш мозг чрезвычайно велик, он содержит огромное число нейронов, но Джефф твердо убежден в том, что нас, людей, уникальными делает не размер мозга и не число нейронов: самое главное заключается в строении нейронных цепей, в связях между ними. У примитивных животных, по крайней мере, примитивных в этом отношении, как, например, изученный вдоль и поперек круглый червь Caenorhabditis elegans (любимый объект эмбриологов), нервная система которого состоит всего из 300 нейронов, связи этих нейронов детерминированы генетически. У приматов, и в частности у людей, генетическая программа задает диапазон возможностей, которые затем совершенствуются в ходе взаимодействия индивида с окружающей средой. В момент рождения человек уже обладает большей частью своих нейронов и чрезмерно большим числом связей между ними. Я не оговорилась: связей действительно чрезмерно много, и эта избыточность является существенной и очень важной частью сложности развития нервной системы. Избыточные связи уничтожаются по мере развития мозга, что обусловлено личным опытом. В результате каждый нейрон ограничивает, но и одновременно укрепляет связи с другими нейронами. Дело не только и не столько в утрате связей – речь идет об их перестройке более ограниченным, но стратегически более выгодным способом. Джефф считает, что нечто подобное происходит с иннервацией мышечных волокон. В момент рождения каждый двигательный нейрон иннервирует множество мышечных волокон, а каждое мышечное волокно иннервируется множеством нейронов. Далее следует конкуренция, в ходе которой каждый аксон конкурирует с другими за контакт с мышечным волокном. Побеждает в этой борьбе только какой-то один аксон. (Интересна сама мысль о том, что развитие происходит именно таким путем: оказалось, что мы состоим из сложных колоний клеток, и эти клетки конкурируют друг с другом за выживание.)

У человека самое длинное детство из всех млекопитающих, и этот отрезок времени используется на удаление лишних связей. Но на самом деле мы – постоянно обучаясь – продолжаем оптимизировать число синаптических связей всю нашу жизнь. Наш мозг не является исключительно продуктом генетического программирования, он является результатом воздействия, как природы, так и окружающей среды. Гены задают диапазон возможностей, а взаимодействие с окружающей средой (включая конечно же и культурную среду) создает реальные связи нейронов мозга взрослого человека.

По мнению Джеффа, невероятная сложность строения человеческого мозга оставляет место свободе воли. «Существует так много факторов, столько сложностей, что точно предсказать исход невозможно – а значит, свобода воли существует, или, другими словами, сложность системы такова, что свобода воли может и должна существовать».

Я спросила Джеффа о задаче картирования человеческого мозга и особенностях использования сети нейронов для визуализации и попытки понять строение и функции нейронных сетей. «Это любопытный замкнутый круг, – согласился Джефф. – Дело в том, что мы используем очень сложную машину для того, чтобы рассмотреть еще более сложную машину, принцип работы которой мы хотим понять. Это особенно актуально, когда мы изучаем зрительные связи таламуса. Мы используем эти связи в нашем мозге для того, чтобы интерпретировать картину связей…»

Очевидно, Джефф понял, что рискует запутаться, и умолк, а затем пустился в философские рассуждения о возможности разобрать человеческий мозг на части, понять его устройство, а потом снова собрать. «Мне кажется, что наше сознание и разум – это всего лишь такая физическая машина. И это несмотря на то, что в основе исследуемой нами структуры лежит динамический процесс – функции нервных клеток, электрические импульсы, проходящие через межнейронные связи. Но даже я, нейробиолог, испытываю тревогу, когда думаю, что единственное, что есть в человеческом мозге, – это его связи».

Да, мы визуализируем мозг, пытаемся понять его, создавая трехмерные модели на основе магнитно-резонансных изображений или картируя нейроны и их связи, но мне кажется, что все это едва ли поможет понять истинную суть того, что происходит в нашей черепной коробке. Возможно, настанет день, когда мы узнаем об этих связях все, и точно поймем, как функционирует наш мозг – во всех мельчайших деталях и подробностях, но я не уверена, что даже тогда положение сильно изменится. Похоже, что разум хочет и дальше оставаться загадочным, капризным и непознаваемым.

Джефф Лихтман занимается исключительно анатомией – на электронно-микроскопическом уровне. Но что в реальности делают эти миллиарды связей? Одним из способов исследования этого вопроса является возвращение к истокам – изучение больных с определенными поражениями мозга и с соответствующими неврологическими дефицитами, как, например, доктор Харлоу изучал Финеаса Гейджа. Правда, теперь мы располагаем технологиями, позволяющими увидеть в режиме реального времени работу живого мозга. Это, конечно, звучит отвратительно и цинично, но теперь у нас есть несколько неинвазивных способов заглянуть человеку в голову.

Одним из способов неинвазивного исследования функции головного мозга является регистрация его электрической активности с помощью электродов, помещенных на кожу головы. Этот метод исследования называется электроэнцефалографией (ЭЭГ). Однако таким методом трудно точно локализовать источник регистрируемой электрической активности. Другие методы функциональной визуализации мозга основаны на косвенных данных. Например, при позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ) используют скорость метаболизма глюкозы или интенсивность кровотока, как маркеры интенсивности обмена веществ в тканях головного мозга. Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) может использоваться для выявления активных участков мозга, так как помогает регистрировать усиление кровотока в более активных областях головного мозга. Методы функциональной визуализации показали следующее: несмотря на то что они позволяют картировать функции областей и участков коры, края этих областей остаются весьма размытыми и нечеткими, а кроме того, одна функция может быть представлена в нескольких разных участках мозга. Важно, таким образом, знать особенности связей между областями мозга.

Пока мы видим огромную пропасть между тонкими методами нейроанатомического анализа Джеффа Лихтмана, которые позволяют наблюдать отдельные нейроны, аксоны, дендриты и синапсы, и написанной широкими мазками картиной, возникающей на экранах приборов функциональной визуализации нервной системы. Есть, правда, надежда, что в будущем эти две области исследований удастся сблизить и мы получим возможность детально, с высоким разрешением увидеть функциональную анатомию головного мозга.

Мне два раза делали фМРТ головного мозга, и каждый раз эта картина вызывала мое неподдельное удивление. Во время первого исследования, несколько лет назад, я была страшно заинтригована областями двигательной коры мозга, которые вспыхивали ярким светом, стоило мне пошевелить пальцами. Но этого следовало ожидать. В конце концов, я знала, где находится двигательная кора. Однако во время второго исследования, в 2011 году, я была удивлена по-настоящему. Мне предстояло увидеть в мозге то, что было открыто совсем незадолго до исследования: это был секрет, который я не могла узнать в университете, изучая нейроанатомию в начале 1990-х.

Зеркальные нейроны

Холодным январским утром 2011 года я села в лондонский поезд и направилась в Бирбекский колледж, испытывая по дороге нарастающий трепет. Исследование, которое мне предстояло, не было назначено по медицинским показаниям, но всегда испытываешь беспокойство: вдруг обнаружится что-нибудь неожиданное или даже ужасное. И, хотя умом я понимала, что если бы со мной было что-то неладное, то я бы это чувствовала, и шансов найти патологию практически не было, я все же немного нервничала.

У входа в здание колледжа я столкнулась с тележурналистом Майклом Мосли, специализирующимся на медицинской тематике. Майкл должен был пройти МРТ-исследование – для того, чтобы показать его по телевидению, а не по медицинским показаниям. Особенностью исследования было то обстоятельство, что по ходу процедуры Майклу должны были временно отключить зону Брока, тем самым лишив его способности говорить. Продюсер фильма сначала предложил эту честь мне, но я отказалась. Не говоря о том, что я была откровенно испугана этим предложением подвергнуться риску ради телевизионной передачи, хотя я понимала, что риск минимальный, но кто знает, вдруг я не оправлюсь от этого эксперимента? Я сказала Майклу, что он храбрее меня. (Я встретила его через несколько месяцев после передачи и рада сообщить, что его способность говорить восстановилась полностью.)

Войдя в колледж, я спустилась в подвал, где меня отвели в конец коридора – там меня уже ждал доктор Джефф Берд. Джефф исследовал с помощью функциональной МРТ способность людей общаться друг с другом, но его интересовали и такие более абстрактные когнитивные функции мозга, как внимание, эмоции и эмпатия.

Переодевшись в одежду, не содержащую ничего металлического, я сняла с себя все ювелирные украшения, присела на край похожей на полку тележки, на которой меня должны были вдвинуть в раструб огромного магнита, и стала ждать, когда Джефф приготовит все для выполнения процедуры. Потом мне дали затычки, которые я вставила в уши (аппарат МРТ во время работы издает достаточно громкие звуки), и я улеглась на кушетку. Джефф надел мне на голову похожую на маску клетку с индукционной катушкой. Излучаемые катушкой радиоволны должны будут проникать в мою голову, и протокол предусматривал перерывы в излучении – чтобы мой мозг не слишком сильно нагревался в процессе исследования. Теперь пути к отступлению не было. Джефф вышел из комнаты, закрыв за собой дверь, но мне была оставлена возможность связаться с ним – и участниками съемочной группы – по внутренней двусторонней связи.

Машину включили, кушетка подо мной пришла в движение – сначала она приподняла меня, а потом установилась в такое положение, когда моя голова оказалась внутри гигантского «пончика» сканера. Маленькое зеркальце, под углом прикрепленное к клетке, надетой мне на голову, позволяло мне смутно видеть силуэт Джеффа за пультом управления. Кроме того, он закрепил на входе в сканер темный экран, на который проецировались команды. Исследование началось, и на экране появились слова: «указать», «сжать кулак», «вытянуть» и «поднять большой палец». Каждая инструкция подлежала выполнению – я должна была сделать соответствующее движение правой рукой. «Вытянуть» означало растопырить пальцы, «указать» – вытянуть вперед указательный палец, остальные команды были понятны без разъяснений. После выполнения каждой команды надо было расслабить руку и вернуть ее в исходное положение. Слова на экране сменялись быстро, я едва поспевала за ними. Иногда я пыталась предвосхитить команду, но часто ошибалась, например, растопыривая пальцы вместо того, чтобы сжать их в кулак. Я поняла, что мне надо по-настоящему сосредоточиться, но даже после этого я продолжала делать ошибки, страшно ругала себя за это и боялась, что испорчу все исследование. За инструкциями последовали видеоизображения с рукой, выполнявшей такие же движения. Мне надо было просто смотреть на эти движения, ничего не делая самой. После нескольких циклов мне стала казаться трудной даже и эта задача. Мне наскучили эти картины, и я начала задумываться о более интересных вещах, например о предстоящем обеде. Потом я снова брала себя в руки и принималась следить за экраном.

Позже Джефф показал мне результаты сканирования в визуальной форме: активные области моего мозга светились красным цветом на фоне серого изображения всего мозга. Результаты оказались захватывающими: в лобной доле, в префронтальной коре были области, отвечавшие за планирование движений. Эти области начинали светиться, когда я двигала рукой, но что самое интересное, те же области снова вспыхивали красным, когда я наблюдала те же движения, совершаемые другими людьми.

Итак, здесь, в моем собственном мозге, существуют нейроны, которые разряжались не только когда я двигала рукой, выполняя определенные действия, но и когда я наблюдала, как кто-то выполняет те же движения. У вас тоже есть такие нейроны. Они есть у всех. Это «зеркальные» нейроны, и их существование делает когнитивную нейрофизиологию еще более сложной – и более интересной. В самом деле, вам не надо даже видеть что-то для включения зеркальных нейронов. Достаточно просто услышать звук, характерный для какого-то действия. Это было показано на обезьянах, слышавших звук от раскалывания орехов, и на людях, слушающих человеческую речь. Эти нейроны очень умны – они активизируются не только простыми действиями, но и действиями, объединенными в комплексы для достижения определенной цели. Представляется, что эти нейроны помогают нам понять целесообразность определенного действия.

Просто подумайте обо всех вещах, которые вы когда-либо усвоили, наблюдая или копируя чьи-либо действия. На самом деле это трудно сознательно обдумать, и такое обучение происходит быстрее, чем вы успеваете его обдумать. Люди в высшей степени способны копировать действия друг друга, и поэтому зеркальные нейроны очень важны для нас (хотя они присутствуют и у представителей других биологических видов). Эти нейроны определяют нашу способность подражать и учиться у других.

Нейробиолог Вилейянур С. Рамачандран утверждает, что зеркальные нейроны дают нам врожденную способность к имитации, и поэтому новорожденный способен копировать мать, высовывая изо рта язык. Я сама, помнится, показывала язык обоим моим детям, когда они были еще совсем маленькими, и была поражена их способностью копировать мои действия. Вы только подумайте, о чем говорит эта способность: ребенку не надо практиковаться перед зеркалом для того, чтобы повторить увиденное чужое действие (высовывание языка, тем более что ребенок не узнает себя в отражении). Представляется, что мозг ребенка уже настроен на формирование связи между чужим и своим лицом.

Зеркальные нейроны активизируются, когда мы видим или слышим, как другие люди выполняют какие-либо действия или произносят определенные слова, но думается, что функции зеркальных нейронов простираются намного дальше. Когда мы видим, что кто-то сильно ушибся, мы проникаемся эмпатией: мы не только умом понимаем, что человеку больно, мы ощущаем эту боль. Рамачандран называет эти нервные клетки «нейронами Ганди», так как они стирают границу между самим собой и другими. Люди обладают чрезвычайно развитой способностью понимать, что думают и делают другие, – «читать мысли» – и эта функция тоже может зависеть от активности зеркальных нейронов. Представляется, таким образом, что эти специальные нейроны могут играть важнейшую роль в нашем становлении как общественных животных: мы способны к сочувствию, сотрудничеству и, конечно, к обману. Рамачандран также предположил, что зеркальные нейроны вообще крайне важны для эволюции нашего вида; именно они способствовали появлению и развитию языка, взлету культуры и возникновению цивилизации.

Я принялась расспрашивать Джеффа о зеркальных нейронах. В то время он как раз занимался исследованием возможной связи между зеркальными нейронами и эмпатией, а также высказал весьма смелое предположение о том, что аутизм может быть связан с недостаточной активностью зеркальных нейронов. Это было логичное утверждение, но сам Джефф пока не был уверен в действительном существовании такой связи; проведенные ранее исследования дали противоречивые результаты. Кроме того, Джефф довольно скептически отнесся к мнению о том, что зеркальные нейроны и связанные с ними функции являются врожденными свойствами головного мозга человека. Джефф считал, что эта зеркальность есть результат обучения, что положительная обратная связь от копирования чужих действий может способствовать возникновению и развитию таких нейронов. Неужели я побуждала ребенка копировать мои действия, когда улыбалась ему в ответ на его улыбку?

Зеркальные нейроны присущи не только человеку, они открыты также у обезьян. Но откуда они взялись? Возможно ли, что они, эти нейроны, сами являются приспособительным признаком, которому благоприятствовал естественный отбор? Согласно такому взгляду, зеркальные нейроны являются врожденной структурой, и любые индивиды (будь то обезьяны или люди), обладающие ею, а следовательно, врожденной способностью понимать действия других, получают эволюционное преимущество. Но что, если зеркальные нейроны суть результат обучения? Возможно ли, что они могут формироваться под влиянием обучения, по мере того как индивид наблюдает некие действия и пытается их повторить, в результате чего формируется связь между «моим действием» и «действием другого»? При таком сценарии зеркальными нейронами становятся двигательные нейроны, способные в процессе обучения воспроизводить какое-либо действие, выполняемое другим. Естественный отбор может благоприятствовать такому типу обучения в еще большей степени, нежели возникновению самих зеркальных нейронов. Есть небольшие различия в функционировании зеркальных нейронов у нечеловекообразных обезьян и у человека, и это различие проще всего объяснить, если система таких нейронов возникла в результате ассоциативного обучения, а не как врожденная структура.

Но как быть с детьми, которые показывали язык после того, как это делала я? Несомненно, это говорит в пользу врожденного существования зеркальных нейронов, не так ли? У новорожденных детей отсутствует опыт формирования ассоциаций между тем, что делают они сами, и тем, что делают другие. К сожалению, высовывание языка представляется изолированным примером поведения, когда ребенок копирует поведение взрослого, и некоторые ученые считают, что это вовсе не имитация или подражание, а всего лишь неспецифический ответ на некий стимул. Представляется, что в настоящее время отсутствуют доказательства существования зеркальных нейронов в мозге новорожденных. Может быть, мой ребенок высовывал язык в ответ на все раздражители, но я замечала это, только когда сама высовывала язык, а ребенок повторял мое действие.

Есть также данные о том, что приобретенный опыт модифицирует систему зеркальных нейронов. Например, у пианистов при наблюдении за игрой на фортепиано мозг активизируется сильнее, нежели у людей, не умеющих играть на этом инструменте. Мозг балетных танцоров активизируется при просмотре балета сильнее, нежели у танцоров диско. Эти наблюдения делают более вероятным мнение о том, что зеркальные нейроны развиваются в процессе обучения, а степень их развития зависит от прошлого опыта наблюдения и выполнения определенных действий.

Таким образом, то, что мой ребенок высовывал язык, возможно, и в самом деле не имело ничего общего с зеркальными нейронами; возможно, он сам работал над созданием собственной системы этих нейронов. Он проводит много времени, глядя на свои руки, шевелит пальцами и внимательно на них смотрит, и это, вероятно, есть наклонность – может быть, возникшая как некий побочный эффект, – которая появляется как реакция на практически полную беспомощность при рождении и помогает ему развить точный контроль над движениями рук, связывая зрение и мышечное действие. Сноровистость кисти жизненно необходима для способности изготавливать орудия труда – то есть создавать технологии. Может быть, зеркальные нейроны и способность соотносить собственные действия с наблюдаемыми действиями других является лишь побочным продуктом обучения координации зрения и движения.

Представляется, что зеркальные нейроны, скорее всего, – это проявление способности обучаться связывать задания, которые выполняем мы, с заданиями, которые выполняют другие. Однако эти нейроны есть не только у людей, поэтому, какими бы замечательными они ни были, не они определяют нашу уникальность. Вероятно, они очень важны для социальных взаимодействий – так же, как и для интерпретации каких-то базовых действий, – но тем не менее они, скорее всего, являются результатом, а не причиной нашей в высшей степени социальной природы.

Зеркальные нейроны так сильно интригуют ученых, потому что не соответствуют тому, что ожидали найти в них нейрофизиологи. Может быть, это очень наивно с нашей стороны – пытаться обозначить те или иные участки коры как «двигательные» или «чувствительные». Зеркальные нейроны не захотели подчиниться жесткой классификации; однако они, по крайней мере, заставили нас шире взглянуть на сущность и функции головного мозга.

Попытаться понять, чем именно наш мозг отличается от мозга других приматов, – задача не из легких. Наш мозг огромен, он гораздо больше мозга даже наших ближайших родственников – человекообразных обезьян, но проблема заключается в том, что надо как-то объяснить, что делает в нашем организме такое непомерное количество мозговой ткани, и именно поэтому такими обескураживающими оказываются дебаты по поводу зеркальных нейронов. В какой-то момент сложилось впечатление, что мы наконец натолкнулись на нечто совершенно уникальное в человеческом мозге, нечто фундаментально человеческое, что могло бы объяснить эволюционный успех нашего вида. Но зеркальные нейроны, как выяснилось, не являются специфической особенностью человеческого мозга.

Этот огромный человеческий мозг

Такие человекообразные обезьяны, как, например, шимпанзе, обладают более крупным мозгом по сравнению с другими млекопитающими и даже с многими другими обезьянами, например мартышковыми. Но мозг шимпанзе по размеру составляет лишь малую долю от человеческого мозга. Сравнивая размеры мозга, очень важно принимать во внимание и размеры тела. Мозг кашалота весит 8 кг, что приблизительно в 6 раз больше веса человеческого мозга. Но такой вес не кажется чрезмерным, если учесть, что кашалот весит около 20 т, а человек – 70 кг. Другими словами, вес мозга кашалота составляет 0,04 % от веса его тела, в то время как доля мозга человека – около 2 %.

Но что это означает? Крупные животные – это не просто увеличенные копии животных более мелких, – законы физики и физиологии предполагают, что пропорции тела неизбежно изменяются при изменении размеров тела и даже без участия естественного отбора различные части тела могут развиваться по-разному. Не стоит ожидать, что вес мозга будет составлять неизменную долю от веса тела, независимо от размера животного. Многие специалисты утверждают, что наилучший способ оценки размеров мозга – это использование КЭ, «коэффициента энцефализации» [5]. Если млекопитающее имеет ожидаемый размер мозга, то, согласно формуле, коэффициент энцефализации будет равен 1. Коэффициент энцефализации шимпанзе равен 2; мозг этих обезьян весит в два раза больше, чем можно ожидать от мозга млекопитающего с таким же весом тела. У человека коэффициент энцефализации больше 5, то есть он в 5 раз больше, чем можно ожидать, исходя из веса нашего тела. В ходе эволюции человека вес тела определенно увеличивался: средняя масса тела австралопитека, жившего около трех миллионов лет назад, составляла около 40 кг, что приблизительно в два раза меньше массы тела современного человека. Можно было бы ожидать, что вес мозга несколько увеличится по мере увеличения массы тела, но в течение эволюции человека рост массы мозга происходил непропорционально в сравнении с ростом массы тела. Именно поэтому коэффициент энцефализации у человека так велик в сравнении с другими человекообразными обезьянами.

И в самом деле, человеческий мозг на удивление велик. У некоторых людей объем мозга не превышает одного литра, в то время как у других он может достигать 1,7 л (в большинстве случаев такой вес соответствует бо́льшему размеру тела). В среднем объем мозга человека составляет около 1,4 л.

Разумеется, мне очень захотелось узнать, насколько велик мой собственный мозг. У меня есть весьма точная его трехмерная модель, и с помощью мерного кухонного кувшина я выяснила, что объем моего мозга равен 1,4 л. Это средний, очень средний мозг, но его объем впечатляет при сравнении с объемом мозга других млекопитающих.

Для сравнения: объем мозга шимпанзе в среднем равен 380 мл, что едва ли больше объема мозга новорожденного ребенка. Мой, очень средний, мозг более чем в 3,5 раза крупнее мозга шимпанзе, а в его коре приблизительно в два раза больше нейронов, чем в коре мозга этой обезьяны.

Человеческий мозг не только больше мозга наших ближайших современных родственников, он и организован по-другому, особенно в том, что касается мозговой коры, и эта новая организация возникла в ходе эволюции человека. Изменились пропорции долей мозга. Несмотря на то что мозг человека в какой-то степени напоминает увеличенную копию мозга шимпанзе, некоторые его области относительно больше, а некоторые, наоборот, меньше. Так, затылочная доля, отвечающая за зрение, относительно меньше у человека. Первичная зрительная кора занимает у шимпанзе около 5 % поверхности всей коры, а у человека – всего 2,3 %. Относительно мал также и человеческий мозжечок. Он приблизительно на 20 % меньше, чем у шимпанзе. И в то же время теменные доли, височные доли и префронтальная кора относительно больше у человека. Трудно понять, как эта разница в строении отражается на функциях мозга, но представляется, что естественный отбор потрудился как над абсолютным размером мозга, так и над размерами отдельных «модулей» внутри мозга.

Можно (хотя и осторожно) предположить, что относительное увеличение определенных отделов мозга в ходе эволюции человека произошло в результате воздействия естественного отбора. Наши предки, у которых были хоть немного увеличены префронтальная кора и височные доли, должно быть, имели какие-то адаптивные преимущества, что и привело к непропорционально мощному дальнейшему их развитию. Но в чем могло заключаться подобное адаптивное преимущество? Для того чтобы ответить на этот вопрос, надо рассмотреть функцию увеличившихся областей головного мозга. Здесь, конечно, надо соблюдать осмотрительность, потому что исследования мозговых функций показывают, что решение конкретных задач требует участия не одной, а нескольких областей мозга, и между индивидами существуют значительные отличия в участии тех или иных участков мозга в решении одних и тех же задач. Однако мы наверняка знаем, что височная доля – которая у людей на 25 % больше (относительно), чем у человекообразных обезьян, – отвечает за память и язык. Это увеличение височной доли, как представляется, произошло в нашей эволюционной истории очень поздно – об этом мы знаем на основании изучения ископаемых черепов. Височная доля расположена в средней мозговой ямке, над каменистой частью височной кости. Средняя мозговая ямка приблизительно на одну пятую больше у ископаемых черепов Homo sapiens, чем у более архаичных видов, включая неандертальца и гейдельбергского человека. По-видимому, гейдельбергский человек (Homo heidelbergensis) является общим предком для нас и неандертальцев. К сожалению, мы не можем знать, как эта разница сказывалась на различии в речевых способностях между этими видами.

Префронтальная кора отвечает за «высшие» когнитивные навыки, такие как речь, мышление, планирование и социальное поведение, – то есть за те навыки, которые бедняга Финеас Гейдж утратил после травмы. Вполне возможно, что увеличенная префронтальная кора человека – это физическое проявление многого из того, что мы считаем современным человеческим поведением, способностью к абстрактному мышлению и его выражению с помощью устной или письменной речи, способностью к коллективному созиданию культуры и к образованию сложных общественных систем.

Этот тип свойственных человеку сложных социальных взаимодействий, как представляется, зависит от одной особенной способности, названной умением строить «внутреннюю модель сознания “другого”» (теорией сознания), каковое считается краеугольным камнем человеческой психологии. Эта способность заключается в приписывании определенных ментальных состояний себе и окружающим и в понимании того, что убеждения, верования и цели других людей могут не совпадать с нашими собственными. Мы понимаем, что поведение других людей зависит от их ментального состояния, и в некоторых ситуациях мы способны предсказать их поведение, потому что можем вообразить, что эти люди думают и чувствуют. Эта способность развивается в очень раннем детстве. Дети начинают оценивать, куда направлено внимание других, следя за взглядами родителей, в возрасте 7–9 месяцев. К двух- или трехлетнему возрасту дети начинают понимать, что действия других людей целенаправленны.

Между тем шимпанзе в высшей степени социальные животные – они не только конкурируют, но и сотрудничают между собой – и может показаться, что способность приписывать другим определенные ментальные состояния была бы очень полезна для таких животных. Но есть ли у шимпанзе способность прогнозировать чужие мысли?

Проведенные на эту тему исследования дали неоднозначные результаты. В 1996 году в одном из исследований шимпанзе просили у экспериментатора еду, независимо от того, видели ли они его лицо, или оно было закрыто надетым на голову ведром. Таким образом, в ходе эксперимента было показано, что шимпанзе, скорее всего, не понимают, что кто-то может воспринимать текущую ситуацию не так, как они сами. Эти и другие исследования позволяют предположить, что шимпанзе понимают лишь «поверхностное поведение». Они могут предсказать, как поведут себя другие, но эти предсказания основаны исключительно на их предыдущем опыте наблюдения за поведением других. При этом шимпанзе не делает попыток проникнуть в то, что думают другие, чтобы предсказать их поведение.

Экспериментаторы поставили опыт с целью выяснить, понимают ли шимпанзе, что чужое поведение может быть целенаправленным: то есть если индивид что-то делает, то он преследует какую-то определенную цель. Шимпанзе в состоянии понять, что цель достигается с помощью определенного действия, но это не значит, что они осознают, что тот, кто его совершает, намеревался достичь именно этой цели. Однако если шимпанзе, очевидно, понимает наличие цели, когда экспериментатор производит безуспешную попытку ее достичь или с ним что-то происходит в процессе, то можно все же предположить, что в сознании шимпанзе происходит нечто более глубокое. Если вместо того, чтобы имитировать неудачную попытку экспериментатора достичь некой цели шимпанзе понимает истинную цель и делает что-то для успешного ее достижения, то это будет убедительным свидетельством того, что шимпанзе в состоянии интерпретировать ментальный статус другого существа.

Майкл Томаселло, который изучает детей и шимпанзе, считает, что большинство данных свидетельствует о том, что шимпанзе все же обладают способностью к созданию моделей чужой психики. Набор поведенческих и контекстуальных правил, которые надо использовать для того, чтобы достичь того же результата, который был продемонстрирован в экспериментах, означает, что для шимпанзе все же не свойственно только поверхностное понимание чужого целенаправленного поведения.

Еще одно свидетельство в пользу того, что шимпанзе способны создавать модели чужой психики, – это их способность распознавать, куда направлено чужое внимание. Шимпанзе следят за направлением взгляда (чаще все же за направлением поворота головы, ибо слежение за взглядом – это чисто человеческая черта, чему способствует анатомическая особенность: белки глаз очень хорошо видны на лице и за ними удобно следить). Они пытаются определить объект внимания других точно так же, как это делают маленькие дети. В опытах, по ходу которых шимпанзе конкурируют за еду, их поведение трудно поддается объяснению, если считать, что у шимпанзе отсутствует способность к моделированию чужого ментального состояния. Например, если в поле зрения или в пределах слышимости одного животного находятся другие шимпанзе, то оно будет пытаться скрыть свое приближение к источнику пищи.

Огромное число исследований, проведенных в течение последнего десятилетия, приводят к вполне обоснованному выводу: шимпанзе, как и люди, обладают способностью моделировать ментальное состояние других особей, или, как формулирует это Майкл Томаселло, «они понимают, что и другие видят, слышат и знают многие вещи». Тем не менее те части нашего мозга, которые, как считается, отвечают за социальные взаимодействия, являются непропорционально большими в сравнении с другими приматами.

Мы можем проследить эволюционное увеличение человеческого мозга и в какой-то степени – его отдельных областей, изучая ископаемые черепа древних гоминид. Мозг нашего очень раннего предка был по своим размерам приблизительно равен мозгу шимпанзе. Живший 6–7 миллионов лет назад представитель гоминид (трибы Hominini), чадский сахелантроп (Sahelanthropus tchadensis, или просто Тумай, как любовно называют его археологи), обладал мозгом объемом около 350 мл. Средний объем мозга у афарского австралопитека (Australopithecus afarensis), обитавшего в Африке 3–4 миллиона лет назад, к которому относится и знаменитая Люси, составлял 440 мл, то есть КЭ этого существа был равен 2,5 – немногим больше, чем у ныне живущих человекообразных обезьян. Несмотря на то что мозг человека прямоходящего (Homo erectus), вида, жившего в Африке и Азии около 2 миллионов лет назад, сильно варьировал по размеру, его средний объем составлял приблизительно 910 мл, а КЭ был равен 3,7. Однако действительно значимый прирост массы мозга произошел в ходе эволюции человека сравнительно недавно. Приблизительно миллион лет назад – у гейдельбергского человека (Homo heidelbergensis), неандертальца, и у нас, людей разумных (Homo sapiens), когда мы вышли на сцену эволюции, средний объем мозга превзошел 1 л, а величина КЭ достигла современного уровня – 4–5.

Конечно, образование такого большого мозга не могло соответственно не сказаться на черепной коробке: человеческому черепу пришлось расшириться, чтобы вместить увеличившийся мозг. Мозговой отдел черепа у человека значительно превосходит размерами лицевой, чего нет ни у одного другого вида млекопитающих, даже у шимпанзе, у которых, в сравнении с другими приматами, достаточно крупный мозг. Мало того, черепу пришлось также изменить и форму, чтобы вместить увеличенные височные доли. Одним из следствий такого положения явилось образование базального угла между передней и задней частью основания черепа. Этот угол есть только у человека, именно он помогает нашему черепу вмещать столь большой мозг.

Эту ситуацию можно для наглядности проиллюстрировать следующей двухмерной моделью. Представьте себе полностью раскрытый испанский веер, наружные планки которого развернуты под углом 180 °, составляя прямую линию. Для того чтобы сделать веер больше, можно добавить к нему несколько дополнительных пластин и раскрыть его, скажем, еще на 40 °. Такой веер, конечно, будет не очень удобно держать в руке, но зато увеличение угла позволяет вместить лишнюю площадь. То же самое происходит и с основанием черепа. Появление в нем изгиба приводит к втягиванию лицевой части черепа, которая оказывается в положении под передней частью мозгового отдела черепа.

Притом что появление большого мозга оказало мощное влияние на форму нашего черепа, все же сам череп – это совсем недавнее приобретение в ходе эволюции, впервые появившееся у самых первых позвоночных животных. И эта древняя история тесно вплетена в картину эмбрионального развития нашего с вами черепа.

Череп и ощущения Закладка фундамента для черепа и развитие органов чувств, воспринимающих окружающий мир

Ut imago est animi voltus sic indices oculi.

(Как лицо есть изображение души, так глаза – ее выражение) (лат.).

Цицерон

Нервный гребень и происхождение черепа

На третьей неделе эмбрионального развития плода начинается формирование нервной трубки, которой со временем суждено превратиться в головной и спинной мозг. По мере того, как нервные валики по бокам нервной полоски приподнимаются, растут, а затем смыкаются, образуя нервную трубку, некоторые клетки на вершине каждой складки становятся весьма подвижными, готовясь сорваться с места. Как только валики смыкаются, эти клетки гребня снимаются с якоря и поднимают паруса, отправляясь в путь по небольшому телу эмбриона к местам своего назначения. Это настолько важная популяция клеток, что их иногда называют «четвертым зародышевым слоем»: есть эктодерма, мезодерма и энтодерма и, кроме того, нервный гребень. Его мигрирующие клетки распространяются по всему телу и формируют целый набор тканей, включая части надпочечных желез, мозговые оболочки и части черепа – точнее, кости лицевого отдела черепа. Все позвоночные – все рыбы, земноводные, пресмыкающиеся, птицы или млекопитающие – обладают этим нервным гребнем в период эмбрионального развития. Череп – это такая же обязательная принадлежность позвоночных, как сам позвоночник, а клетки нервного гребня необходимы для формирования черепа.

Итак, вопрос заключается в следующем: откуда вдруг возникли нервные гребни – и черепа – при появлении первых позвоночных животных? Мы говорим об эволюции, а не о божественном творении, и, как справедливо замечают некоторые специалисты по биологии развития, «анатомические структуры возникают не из праха земного». Здесь на помощь приходит генетика. Маленькое животное – ланцетник – является хордовым, но не позвоночным. У ланцетника нет ни нервного гребня, ни черепа, и нет никаких оснований полагать, что эти образования были у таких древних предков позвоночных, как хайкоуэлла. Мы не можем проанализировать ДНК хайкоуэллы – это животное давно вымерло, но мы можем взглянуть на гены живых ее сородичей – ланцетников. Несмотря на то что ныне живущих ланцетников и хайкоуэллу разделяют 530 миллионов лет, ланцетник на самом деле выглядит как «живое ископаемое», и маловероятно, что у кого-то из предков ланцетника сначала появились, а затем пропали такие признаки позвоночного животного, как нервный гребень и череп. Гораздо более вероятно, что ни нервный гребень, ни череп никогда и не служили характерными чертами представителей огромной череды поколений, отделяющих кембрийских предков позвоночных от ланцетника. Это означает, что гены нервного гребня должны начисто отсутствовать в геноме ланцетника. Если мы хотим найти гены, делающие позвоночных позвоночными, то истинная ценность ланцетника заключается именно в их отсутствии.

Для того чтобы выяснить, какие генетические изменения привели к включению программы образования нервного гребня или черепа, лучше всего было сравнить ланцетника с относительно простым позвоночным животным. (Нам совершенно не нужны генетические изменения, которые привели, например, к образованию конечностей в ходе эволюции позвоночных; это лишь усложняло бы картину.) Первыми позвоночными животными были бесчелюстные (Agnatha). Эта архаичная группа животных давно вымерла за исключением двух групп: миног и миксин.

Миноги приобрели сомнительную известность, так как стали последним, фатальным блюдом короля Генриха I, если верить средневековому историку Генри Хантингдонскому. Генрих I был сыном Вильгельма Завоевателя и стал королем в 1100 году, после того как его старший брат случайно погиб на охоте. Генрих I правил 35 лет, и в 68-летнем возрасте, очевидно вопреки советам своего лейб-медика, однажды съел слишком много миног, на следующий день заболел, а через неделю умер. Нам такие пищевые пристрастия могут показаться странными, но миноги считались деликатесом у древних римлян, а потом и у средневековых аристократов. В Твиттере я вежливо осведомилась у друзей, ел ли кто-нибудь из них миног и каковы они на вкус. Я получила множество ответов: «похоже на угря», «пахнет илом», «на вкус как курятина», «не лучше мыла» – и поэтому, видимо, так никогда и не смогу узнать вкус миноги, потому что речная минога считается в Великобритании видом, которому грозит исчезновение. Но в Японии минога таким видом не считается. Мой друг, историк Нил Оливер, ответил мне блестящим твитом: «Можешь мне не поверить, но миногу подавали на банкете у господина Сацумы, сёгуна, в его доме в Кагосиме».

Некоторые виды миног обитают в реках, другие в морях, и с виду они похожи на угрей: тело их длинное (до 1 м) и гибкое, и у них нет чешуи. В отличие от угрей у миног отсутствуют челюсти. Рот миноги напоминает миниатюрную версию пасти сарлакка на дне ямы Каркуна в VI эпизоде «Звездных войн. Возвращение джедая». (Они действительно так похожи, что мне показалось, будто художник фильма, увидев миногу, подумал, что ее рот выглядит достаточно кошмарно, чтобы наградить таким же страшного инопланетянина.)

Так как у этих животных нет челюстей, то они достаточно привередливы в выборе пищи. Ранние бесчелюстные фильтровали планктон, но у современных миног сформировались весьма отталкивающие пищевые привычки. Миноги – паразитические кровососущие животные: они вцепляются в жертву своими круглыми ртами, усаженными острыми зубами. Кузины миног, миксины, тоже достаточно мерзкие твари: от зубов охотящихся за ними хищников они ускользают, выделяя огромное количество вязкой слизи из расположенных на боках тела желез, а на своих жертв – рыб нападают ночью, прогрызают в их теле дырку и, проникнув внутрь, поедают сначала внутренности, а потом и мышцы.

Филогенетическое древо (самые ранние предки в нижней части рисунка) позвоночных, их ближайших сородичей бесчелюстных (включая миног) и более отдаленных родственников – ланцетников

Пусть современные бесчелюстные обладают весьма отвратительными чертами, но они тем не менее позвоночные, а значит, у них есть череп. Во всяком случае, у взрослых особей; у личинки миноги черепа нет, и вообще эта личинка очень похожа на ланцетника. Так, у личинок миноги есть (так же, как и у ланцетника) жаберные щели, полая нервная трубка, тянущаяся вдоль спины, и хвост, расположенный позади заднего прохода – то есть имеют место все признаки хордового животного. Однако после превращения личинки во взрослую особь у миноги развивается внутренний хрящевой скелет, включая и позвонки, а также мозговой череп – признаки позвоночного животного.

При сравнении геномов ланцетника и миноги была выявлена разница между ними. Решение этой задачи похоже на головоломку с рисунками: «Найди десять отличий». Разница в составе геномов позволяет миноге претерпеть невероятную трансформацию, превращение типично хордового в существо с позвоночником и черепом.

Так же как анатомические структуры не появляются ниоткуда, не появляются ниоткуда и новые гены. Они должны откуда-то браться, и новые гены обычно появляются за счет удвоения (дупликации) уже существующих, благодаря ошибкам в ходе репликации ДНК. При анализе генома становится ясно, что крупные участки ДНК удвоились по ходу эволюционного развития позвоночных от предковых форм. Так, например, у млекопитающих в ДНК имеют место четыре кластера гомеозисных генов, отвечающих за формирование органов и тканей (гены кластера Hox), а у ланцетников такой кластер только один. Ланцетник – живой реликт древних предков позвоночных, – и ему хватает для органогенеза одного набора гомеозисных генов. Развитие началось после того, как эти кластеры удвоились.

Минога

При появлении в геноме дубликата каких-то генов могут произойти несколько вещей. Иногда одна копия оказывается просто лишней, дегенерирует, а иногда и просто исчезает. Но существует и другая, более интересная возможность: один ген продолжает выполнять свою старую функцию, а дубликат может начать делать что-то новенькое. Правда, гены могут выполнять больше одной функции; например, они могут включаться в разные периоды развития организма и каждый раз меняют свою функцию. Поэтому третья возможная судьба – это образование двух вариантов одного гена, которые тем не менее начинают исполнять разные функции, превращаясь таким образом в разные и независимые друг от друга гены. Оба они становятся необходимыми, и ни один из них не дегенерирует – они просто развиваются в разных направлениях, беря на себя новые функции.

Когда у развивающегося эмбриона ланцетника возникает нервная трубка, на ней обособляется группа клеток, сильно напоминающих клетки нервного гребня эмбрионов позвоночных животных – эти клетки находятся в подобных же местах и даже начинают мигрировать в процессе эмбрионального роста, но далеко они не уходят. Образуются эти клетки под влиянием сходных генов. Разница между этими клетками и клетками истинного нервного гребня обусловлена разными наборами удвоенных генов. Среди них есть ген, называемый FOXD3. В геноме ланцетника есть только одна копия – FOXD, а у позвоночных таких копий – четыре или пять. В ростральном конце нервной трубки ланцетника гены FOXD неактивны, но у миног и других позвоночных гены FOXD3 весьма активны в этой области. Судя по всему, этот ген «сообщает» нервному гребню, что он собой представляет, и направляет миграцию его клеток по организму.

Миллионы лет назад несколько активных удвоенных генов, взвалив на себя дополнительную роль в развитии эмбриона, привели к эволюции позвоночных, завершившейся возникновением нервного гребня и черепа. Сравнительно недавно эти же гены здорово постарались, чтобы из некоего эмбриона в результате получились именно вы. Клетки гребня нервного желобка отвечают на генетические сигналы, неотличимые от сигналов, которыми пользовались эмбрионы наших самых отдаленных предков – первых позвоночных. У каждой из этих клеток из тела выпячивается отросток (псевдоподия), похожий на псевдоподии амебы, а затем клетка гребня медленно начинает ползти, разделяя на своем пути скопления клеток промежуточного слоя зародышевого диска.

Некоторые клетки мигрируют на совсем короткое расстояние, оставаясь вблизи спинного мозга, – из них формируются нервные узлы – ганглии – чувствительных нервных клеток. Другие клетки уползают на шею, а затем на время становятся неактивными, ожидая момента, когда они превратятся в секретирующие гормоны клетки щитовидной железы. Третьи оказываются в месте образования будущего рта, где они участвуют в формировании зубов. Четвертые клетки нервного гребня оказываются в перегородке, разделяющей крупные сосуды грудной клетки. Есть клетки нервного гребня, трансформирующиеся в клетки мозгового слоя надпочечников, из которых впоследствии образуются клетки, секретирующие гормон адреналин. Некоторые клетки нервного гребня нагружаются жиром и становятся листками, обертывающими и изолирующими нервные волокна. Некоторые клетки совершают очень дальнее путешествие и оседают в коже, давая начало пигментным клеткам. Очень много клеток нервного гребня оказываются в голове, где откладываются в основании формирующегося черепа. Без нервного гребня у нас не было бы лица.

Возьмите любой приличный учебник эмбриологии, и вы найдете там длинный список всех тканей взрослого организма, образующихся из клеток нервного гребня. Правда, открытие и исследование маршрутов этих клеток представляло собой нелегкую как в научном, так и в техническом плане задачу.

В 1893 году Джулия Платт, посвятившая изучению эмбриологии девять лет – сначала в Гарварде (США), а потом во Фрейбурге (Германия), опубликовала статью, в которой утверждала, что у эмбриона саламандры некоторые хрящи черепа формируются из клеток нервного гребня. В то время это было весьма смелое заявление, потому что считалось, что все хрящи и кости происходят из мезодермы, среднего слоя зародышевого диска. Все знали, что эктодерма (слой, из которого развивается нервный гребень) формирует эпидермис и нервные структуры. Предполагать что-то иное было просто немыслимо, так как подобные идеи представлялись смехотворными. О чем вообще говорит эта калифорнийская дама? В эмбриологической литературе поднялся шквал абсолютно неконструктивной критики. Один эмбриолог даже предположил, что мисс Платт, видимо, не слишком аккуратно готовила свои препараты. Правда, в конце концов выяснилось, что Джулия Платт была все же права, но это не спасло от краха ее научную карьеру, которая завершилась в 1898 году после окончания работы над докторской диссертацией.

Отчасти причина, по которой в научном сообществе возникли сомнения относительно утверждений Джулии Платт, заключалась в том, что она сосредоточила свое внимание на небольших различиях во внешнем виде клеток развивающегося эмбриона. Различия были настолько незначительны, что некоторые сомневались в том, что они вообще существуют. Джулия Платт исследовала под микроскопом тонкие срезы эмбриона саламандры, и была уверена, что видела разницу между клетками, происходившими из эктодермы, и клетками – производными мезодермы и энтодермы. На первый взгляд кажется, что различить их очень трудно, но таким методом пользовались и все другие эмбриологи: эктодермальные клетки (включая клетки нервного гребня) были мельче клеток мезодермы и содержали гранулы коричневого пигмента. Правда, исследование опиралось на визуальное изучение различных эмбрионов разных возрастов, и это делалось для того, чтобы реконструировать миграцию клеток нервного гребня. Как могли эмбриологи быть уверенными, что, рассматривая разные эмбрионы, они видят одни и те же клетки?

Прослеживать судьбу клеток стало легче после того, как в практику научных исследований был внедрен метод составления карт зачатков, или карт судьбы. Звучит как нечто магическое, но речь идет вовсе не о гадании на хрустальных шарах. Эмбриологи вводят красители в живые клетки эмбриона, а затем смотрят, где в конце концов эти клетки окажутся. В 1920-х годах эмбриологи окрашивали клетки в синий или красный цвет. В конце 1970-х появились многочисленные флуоресцентные красители, а к 1980-м эмбриологи создали генетически модифицированные эмбрионы с клетками, которые эффективно «сами окрашивались» в различные флуоресцирующие цвета (это была технология, которая в конце концов развилась в уже упомянутую выше методику «мозговой радуги» (Brainbow). Теперь стало возможно пометить клетки нервного гребня и посмотреть, куда они мигрируют. Эмбриологи наблюдали, как клетки гребня тронулись в путь и устремились к передней части головы, чтобы заложить там фундамент костей свода черепа, включая лобные кости и верхнюю и нижнюю челюсти. Теперь им оставалось только одно – превратиться в костную ткань.

Появление черепа

Представьте себе, что вы находитесь в своем развитии на стадии трехслойного эмбриона, при этом клетки среднего мезодермального слоя вместе с мигрировавшими клетками нервного гребня формируют на головном конце особый тип эмбриональной ткани, называемой мезенхимой. Мезенхимные клетки пока еще «не решили», во что они хотели бы превратиться, и поэтому они просто растут. Такие клетки называют недифференцированными. Большинству из них в скором времени предстоит стать костями, мышцами, хрящами или клетками крови. Однако немногие недифференцированные стволовые клетки будут и дальше пребывать в нерешительности. Такие клетки присутствуют и во взрослом организме – в костном мозге и в жировой ткани, – являясь источником восполнения клеток. Отдельная область медицины – регенеративная медицина – целиком основана на возможности использования «мезенхимных стволовых клеток» для устранения дефектов и повреждений.

Большинство мезенхимных клеток, которым предстоит стать клетками костной ткани, сначала становятся клетками ткани хрящевой. В том месте, которое вскоре станет основанием черепа, мезенхима образует островки хряща. Эти островки объединяются, а затем превращаются в кость. Такой способ создания костей по первоначальной хрящевой «модели» является самой распространенной формой оссификации (окостенения) эмбрионального скелета: позвоночник, ребра, грудина и все кости конечностей, не считая ключицы, образуются именно так.

Хрящевой череп (хрящевое основание черепа) человеческого эмбриона

В развитии черепа мы видим еще один пример того, что Дарвин назвал «законом зародышевого сходства» (1859). У взрослого человека череп выглядит совершенно не так, как у большинства остальных млекопитающих. Однако, если сравнить хрящевую модель основания эмбрионального человеческого черепа с развивающимися черепами других млекопитающих, то выявляется просто разительное сходство. Основание эмбрионального черепа состоит из трех пар капсул, которые содержат носовую полость, глазницу и ухо. У многих других млекопитающих эти отделы легко различимы и на черепе взрослых особей: носовая капсула выступает вперед, образуя морду. Мозговой череп мал, компактен и располагается на слуховых капсулах, в которых находятся анатомические структуры уха. Напротив, наш мозговой череп вырастает таким крупным, что если мы посмотрим на него сверху, то не увидим ничего, кроме этого мозгового черепа. Наши глаза спрятаны под передней частью мозгового черепа; наш наружный нос очень короток и совсем не похож на морду животного, а вся полость носа тоже надежно спрятана под мозговым черепом.

Череп человека и череп собаки (вид сверху)

Большая часть костей нашего скелета развивается точно так же, как кости основания черепа, – сначала мезенхимные клетки превращаются в хрящевые, образуя хрящевую модель будущей кости, в которую затем и превращается хрящ. Однако свод черепа, образующий крышу мозгового черепа, вместе с частью лицевого скелета и ключицей формируются как твердые кости непосредственно из мезенхимы.

В мезенхиме, расположенной над развивающимся мозгом, дифференцируются костные клетки, образующие иглы костного матрикса, содержащего смесь белка и минеральных веществ кости. Иглы постепенно растут в радиальном направлении от центров окостенения, но все же в момент рождения кости черепа слегка отделены друг от друга, соединяясь волокнистыми перепонками. В месте соприкосновения двух костей виден шов. Там, где в одном месте встречаются несколько костей, образуются покрытые мембранами отверстия, называемые родничками. Это «мягкие места» младенческого черепа – большой родничок находится спереди, там, где соседствуют лобная и теменные кости, и малый родничок, расположенный сзади в месте соединения затылочной и теменных костей. Эти фиброзные суставы между костями черепа позволяют им немного накладываться друг на друга при продвижении новорожденного по родовым путям, что облегчает прохождение головки новорожденного (диаметром 9 см) через выход из таза (диаметром 10 см). Поэтому в момент рождения головка новорожденного иногда выглядит довольно причудливо. Правда, на следующий день кости становятся на свои обычные места, и головка делается, как ей и положено, круглой. Фиброзные швы между плоскими костями свода черепа остаются открытыми на время роста головы, что позволяет черепу расширяться. На самом деле швы очень важны для роста черепа – потому что именно в области швов и происходит собственно рост, так как новые костные клетки образуются из мембран, соединяющих края плоских костей и прикрывающих роднички.

Швы и роднички на черепе новорожденного

Формы черепа

Череп новорожденного младенца очень податлив. Его можно легко деформировать – случайно или преднамеренно. Преднамеренную деформацию детских черепов практиковали в Древнем Египте, Древней Греции, Перу и Австралии. Причудливая форма черепа должна была свидетельствовать о социальном статусе его обладателя, о его титуле, принадлежности к определенной группе. Деформированный череп был знаком принадлежности к политической или военной элите. Голова египетского фараона Эхнатона, похоже, была деформирована в результате заболевания, но скульптурные портреты его супруги Нефертити позволяют предположить, что ее череп имел удлиненную коническую форму. На мумиях Тутанхамона и его матери также заметны следы конической деформации черепа. На изображениях видно, что у всех фараонов продолговатые черепа, и видно, что это не дань художественной моде того времени – черепа египетских фараонов действительно были целенаправленно деформированы.

Древние аборигены Центральной Америки сжимали головы своих младенцев двумя кусками дерева, приложенными ко лбу и затылку, чтобы сделать голову более плоской в передне-заднем направлении. В результате голова ребенка начинала расти вверх. Исторические культуры Европы, Азии и Африки тоже известны обычаями наложения давящих повязок на головы детей для придания им желаемой конической формы. В статье, недавно опубликованной в научном журнале «Клиническая анатомия» (Clinical Anatomy), клиницистам напоминают, что странная форма детских черепов даже в наше время может быть следствием целенаправленного воздействия на голову ребенка в соответствии с какими-то традициями. Примечательно, что не далее как в 1994 году была опубликована книга, озаглавленная: «Красивый ребенок: руководство по приданию детским головкам нужной формы» (Baby Beautiful: a Handbook of Baby Head Shaping).

Случайные деформации детских черепов были широко распространены среди коренных жителей Америки, у которых в ходу были особые доски для переноски младенцев, которых крепко к ним привязывали, что зачастую приводило к уплощению затылка. С начала 1990-х подобное явление стали наблюдать после того, как молодым родителям (особенно в США и Великобритании) стали рекомендовать укладывать младенцев спать на спину. Кампания «спать на спине» пользовалась большим успехом, так как резко сократила число внезапных детских смертей, но, помимо этого, она привела к снижению частоты уплощения лбов. Правда, теперь стало больше детей с уплощением затылка, но, к счастью, это изменение оказалось преходящим.

Статуя Эхнатона (слева) и скульптурное изображение головы одной из дочерей Эхнатона и его супруги Нефертити (справа)

Тем не менее никакие деформации черепа – будь то случайные или преднамеренные – не оказывают никакого влияния на формирование головного мозга в полости черепа. Реальные проблемы, однако, возникают в случаях преждевременного закрытия швов, что ограничивает рост черепа. Раннее закрытие сагиттального (продольного) шва означает, что череп не может расти в ширину и может расти только вперед и назад, становясь длинным и узким. Преждевременное зарастание венечного шва приводит к ограничению роста в передне-заднем направлении, и в качестве компенсации череп становится более высоким.

Несмотря на то что кость представляется жестким образованием из неподатливой ткани – а зрелая кость именно такова, – давление, оказываемое на свод черепа изнутри, влияет на форму костей свода черепа по мере их роста. Это хорошо видно, когда преждевременно зарастают швы, а также в тех случаях, когда внутричерепное давление оказывается слишком высоким. При гидроцефалии (водянке головного мозга) избыток цереброспинальной жидкости создает повышенное давление, буквально раздувая свод черепа. Эта патология возникает в конечном счете в результате того, что в эмбриональном периоде головной мозг формируется из полой нервной трубки. По мере развития головного мозга пространство внутри трубки преобразуется в ряд последовательно сообщающихся камер или желудочков, наполненных цереброспинальной жидкостью (ЦСЖ).

Желудочки человеческого мозга в норме

Некоторые каналы, соединяющие желудочки мозга между собой или с каналом спинного мозга, могут быть очень узкими или вообще закупориваться, что приводит к накоплению в желудочках цереброспинальной жидкости. Это состояние можно лечить хирургически: в полость переполненных желудочков вводят трубку, другой конец которой выводят в другую полость тела, как правило в брюшную; в некоторых случаях в основании мозга проделывают небольшое отверстие, чтобы обеспечить отток лишней жидкости.

В 1999 году известный исследователь паранормальных явлений Ллойд Пай заявил, что странный череп, обнаруженный в 1930 году в некой заброшенной мексиканской шахте, возможно, принадлежал ребенку, рожденному земной женщиной от инопланетянина. В выложенном в YouTube видео Пай описывает череп «звездного мальчика» как «не имеющий практически ничего общего с человеческим черепом». Пай приводит мнение одного канадского специалиста по челюстно-лицевой хирургии, который якобы сказал, что за все время работы ему не приходилось видеть такого деформированного черепа, тем не менее едва ли это может служить основанием для того, чтобы допустить его внеземное происхождение. У черепа отсутствует верхняя челюсть, что делает его абсолютно необычным, на взгляд неспециалиста. Да, череп действительно необычен, но он больше похож на череп ребенка, страдавшего тяжелой гидроцефалией, от которой ребенок, судя по всему, и умер. Это не волнующая история об инопланетных пришельцах, а печальная земная история. Череп «звездного мальчика» – это череп брошенного ребенка, которого привело к смерти отсутствие адекватной медицинской помощи.

Наложение давящих повязок на голову и гидроцефалия могут приводить к деформации черепа, но и форма нормального черепа может многое сказать о его владельце. Черепа варьируют по форме и размерам в зависимости от принадлежности к определенной популяции или к определенному полу.

Типичный мужской европейский череп обладает выраженным надбровным валиком. В профиль такой череп имеет впадину между валиком и выступающими носовыми костями. На задней поверхности черепа, на затылочной кости, виден выступающий гребень, который называется затылочным возвышением. Его легко прощупать на затылке мужчины. У лысого или наголо выбритого мужчины это возвышение можно даже увидеть. Гребень с обеих сторон изгибается к срединной линии возвышения, образуя картину, похожую на схематическое изображение чайки. Под ухом есть еще один, направленный книзу выступ – сосцевидный отросток височной кости. Этот отросток легко прощупывается под мочкой уха. У мужчин этот отросток намного массивнее, чем у женщин. Сосцевидный отросток и большое затылочное возвышение – это места прикрепления мышц к черепу. К сосцевидному отростку прикрепляется длинная, идущая косо по поверхности шеи грудино-ключично-сосцевидная мышца. При повороте головы в сторону эта мышца отчетливо выступает на противоположной стороне шеи – собственно, сокращение этой мышцы и приводит к повороту головы. Затылочное возвышение вместе с гребнями по обе стороны от возвышения служит местом прикрепления мышц задней части шеи, включая и похожую на воздушного змея трапециевидную мышцу.

Череп «звездного мальчика»

Женский череп выглядит более хрупким и нежным. Все признаки мужского черепа есть и у женщин, но выражены они слабее. Надбровных валиков практически нет, или они очень слабо выражены. Линия лба плавно переходит в линию носа. Сосцевидный отросток мал и компактен, а задняя поверхность затылочной кости выглядит гладкой и круглой с едва заметным возвышением, к которому прикрепляются мышцы заднего отдела шеи.

Когда я рассматриваю найденный археологами скелет и стараюсь определить пол взрослого человека, настоящим даром является хорошо сохранившийся череп. Даже если отсутствуют тазовые кости или они фрагментированы, то по черепу всегда можно определить, кому принадлежал скелет – мужчине или женщине. По зубам, кроме того, можно определить возраст человека в момент смерти. Если зубной набор незрелый, то возраст установить очень легко, потому что разные зубы формируются и прорезаются в разные возрастные периоды в жестко определенной последовательности. К трехлетнему возрасту во рту младенца присутствуют двадцать молочных зубов; в каждом квадранте (то есть в половине челюсти) есть два резца, один клык и два коренных зуба (моляра). Через три года ребенок начинает терять эти зубы, и на их месте прорезаются постоянные зубы: их в конце концов будет тридцать два, включая и третьи моляры (зубы мудрости), если, конечно, вы не принадлежите к 10–20 % населения, у которых не прорезаются третьи моляры. Детские резцы и клыки сменяются более крупными резцами и клыками, а детские моляры сменяются премолярами (малыми коренными зубами) с двумя бугорками на жевательной поверхности, а за премолярами следуют три взрослых моляра (больших коренных зуба), которые занимают места на выросших челюстях позади молочных зубов. Первый постоянный большой коренной зуб прорезается приблизительно в шесть лет, второй в двенадцать, а третий – в восемнадцать.

Половые различия человеческих черепов: женского (слева) и мужского (справа)

Молочные (слева) и постоянные (справа) зубы

После прорезывания всех постоянных зубов определять возраст человека по черепу становится труднее. Можно, однако, составить, пусть даже весьма приблизительное, представление о возрасте человека, глядя на состояние швов, соединяющих плоские кости свода черепа. В момент рождения эти швы широко раскрыты и заполнены соединительнотканными мембранами, в детстве они становятся у́же, так как кости сближаются и начинают примыкать друг к другу, хотя все еще разделены слоем фиброзной соединительной ткани. У взрослых людей соединительнотканная перепонка в конце концов исчезает, а кости сливаются друг с другом, срастаясь в одно целое. К сожалению, срастание швов свода черепа не подчиняется таким строгим закономерностям, как прорезывание зубов, и судить о возрасте по швам можно, как уже было сказано, лишь приблизительно. Зубы, таким образом, очень ценны, особенно при археологическом исследовании ископаемых останков человеческих скелетов.

Сейчас мы едим мягкую, обработанную пищу, и наши зубы стираются не так быстро, как у предков, питание которых было более грубым. Достаточно сказать, что в хлебе часто попадалась мелкая пыль от каменных жерновов. Несмотря на то что эмаль – это самое твердое и прочное вещество в человеческом организме, способное перетирать самую грубую пищу, она все же со временем изнашивается, обнажая дентин – ядро зуба, и поэтому показателем возраста может служить степень стертости зубной эмали. Дентин обнажается в первую очередь на концах зубов, вдоль режущих краев резцов и на бугорках премоляров и моляров. Идут годы, у моляров постепенно стираются и исчезают бугорки жевательной поверхности. Поверхность становится ровной и представлена дентином, так как одновременно с бугорками стирается и эмаль, которая сохраняется лишь в виде ободка вокруг боковой поверхности. Зуб может стереться до такой степени, что эмаль полностью исчезает, а от зуба остается лишь небольшой выступ над корнем. Я – современный человек, и мой рацион не такой грубый, каким он был бы, живи я несколько столетий назад. Тем не менее, когда я чищу зубы, я иногда смотрю на них в зеркало и вижу, что бугорки на коренных зубах пока выражены очень хорошо, но зато на краях резцов уже проступила узкая полоска дентина. То есть мои зубы медленно, но верно стираются. Так что имеет смысл и вам оценить состояние своих зубов.

Челюсть из средневекового захоронения. Видно сильное стирание зубов, что позволяет предположить, что смерть этого человека наступила в возрасте 35–45 лет

Слух

Череп и зубы чрезвычайно полезны, так как помогают антропологам определять возраст и пол людей, которым принадлежали те или иные элементы скелета. Когда в нашу лабораторию поступает хорошо сохранившийся череп, я понимаю, что у меня есть неплохой шанс выяснить пол и возраст его умершего обладателя, но я редко могу устоять перед искушением исследовать и самые мелкие косточки человеческого тела. Эти косточки бесполезны в смысле определения возраста или половой принадлежности, но они восхитительны сами по себе.

Сначала я осторожно исследую костный наружный слуховой проход с помощью зубной кюретки (этим инструментом стоматологи удаляют у своих пациентов зубной налет), а затем осторожно вытряхиваю содержимое уха на подставленную ладонь. Среди сухой пыли и песка я кончиком пальца нащупываю три крошечные косточки – молоточек (malleus), наковальню (incus) и стремя (stapes). Молоточек имеет в длину около 9 мм, а маленькое стремя – всего 3 мм. Всякий раз я испытываю удивление, что эти косточки-малютки вообще сохранились, но тем не менее они сохраняются, и довольно часто. В живом организме эти косточки соединены друг с другом мельчайшими суставами и связками. Система слуховых косточек служит для преобразования колебаний воздуха в колебания жидкости.

Барабанная перепонка находится у внутреннего края наружного слухового прохода, полностью его закрывая. Если с помощью отоскопа (специального инструмента, который отоларингологи используют для осмотра уха) заглянуть в наружный слуховой проход здорового человека, то в конце прохода можно увидеть барабанную перепонку – блестящую, жемчужного цвета полупрозрачную мембрану. Можно даже рассмотреть молоточек, прикрепленный к противоположной поверхности мембраны. Звуковые волны, поступающие в наружное ухо, заставляют колебаться натянутую барабанную перепонку, а соединенные между собой три слуховые косточки передают эти колебания через среднее ухо, в полости которого они расположены, к окну улитки.

Слуховые косточки: самые мелкие кости организма

Улитка – это анатомическая структура, оправдывающая свое название и представляющая собой спиральную, наполненную жидкостью полость, расположенную внутри височной кости, в основании черепа. Рядом с улиткой находятся другие, тоже наполненные жидкостью трубки: три С-образных полукружных канала. Эти каналы расположены под прямым углом друг к другу. В полости как улитки, так и полукружных каналов находятся рецепторы – волосковые клетки, «усики» которых являются детекторами перемещения жидкости внутри трубок. Эти рецепторы воспринимают ускорения движения жидкости и определяют перемещения головы в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.

Колебания жидкости в полости улитки порождают электрические импульсы в волосковых клетках (рецепторах), а эти импульсы, в свою очередь, передаются нервным клеткам, которые, объединяясь, образуют пучок – улитковый нерв. Этот последний объединяется с вестибулярным нервом, несущим информацию о положении и ускорении движения головы от других участков лабиринта, включая полукружные каналы. Объединенный преддверно-улитковый нерв входит в полость черепа и направляется в ствол головного мозга. По цепи нервов сигналы передаются дальше – из ствола мозга в его вышележащие отделы и в конце концов поступают в слуховую кору височной доли.

Так устроен слуховой анализатор и у других млекопитающих. Если вы заглянете в среднее ухо мыши или слона, то увидите там такую же цепь из трех слуховых косточек, связывающую барабанную перепонку с улиткой. Напротив, у пресмыкающихся в среднем ухе только одна косточка. История о том, как у млекопитающих появились три слуховые косточки, очень интересна, и мы вернемся к ней позже.

Продольный разрез улитки, на котором видны полости трех спирально закрученных, прилегающих друг к другу параллельных каналов, заполненных жидкостью. Слева представлена та же картина в увеличенном масштабе. На рисунке видны волосковые клетки

Ухо – невероятно сложный и нежный механизм, от тончайшей, полупрозрачной барабанной перепонки, крошечных слуховых косточек до хрупких волосковых клеток улитки, и кажется странным, что заболевания уха случаются не так уж часто. Потеря слуха может быть полной и частичной, наследственной (генетически обусловленной) или приобретенной. По мере старения все мы, так или иначе, теряем слух, и в первую очередь в отношении высоких частот. Помимо старения у приобретенной глухоты и тугоухости может быть множество других причин, включая такие инфекционные болезни, как корь, свинка и менингит, прием лекарств, а также воздействие некоторых растворителей и пестицидов. Слух может также пострадать от воздействия чрезмерно громких звуков – по этой причине слух теряется в половине всех случаев тугоухости. Волосковые клетки улитки отличаются хрупкостью, и громкие звуки, вызывая мощное движение жидкости в полости улитки, прижимают «усики» волосковых клеток, как сильный ветер укладывает на землю пшеницу.

Обоняние

В жизни мы слепо полагаемся на многие анатомические образования, отличающиеся невероятной хрупкостью, которая обнаруживается только при анатомировании черепа. Сам мозг, как может показаться, надежно защищен костной черепной коробкой, но повредить его можно, не вскрывая череп и даже не прикасаясь к голове. Так, в результате резкого ускорения движения головы мозг резко смещается внутри черепа, что может привести к столкновению мозга с костями свода черепа и вызвать ушиб мозга. Сотрясение мозга, как правило, проходит само, но вызывает очень неприятные симптомы: головную боль (что совсем не удивительно), головокружение и тошноту. Еще одним следствием травмы мозга может стать потеря обоняния – аносмия. Если вы заглянете внутрь черепа, то поймете, почему обонятельные нервы, получающие информацию о запахах из полости носа, так подвержены травмам. В передней части черепа лобные доли головного мозга покоятся на плоском костном основании, которое одновременно образует крышу глазниц. Прямо в середине этого основания, между глазницами, находится узкая костная полоса, пронизанная множеством мелких отверстий. Это решетчатая пластинка решетчатой кости. У решетчатой кости есть другие части, которые отнюдь не напоминают решето, но свое название кость получила именно из-за решетчатой пластинки. Дно решетчатой пластинки образует крышу носовой полости. Слизистая оболочка носа в этом месте содержит специализированные нервные клетки, снабженные крошечными белковыми выростами (обонятельными рецепторами). Эти рецепторы распознают молекулы пахучих веществ, которые вызывают изменения в конфигурации рецепторов. Эти изменения конфигурации порождают электрические импульсы, которые передаются по нервным волокнам, объединяющимся в обонятельный нерв после прохождения решетчатой кости. Непосредственно над решетчатой костью обонятельные нервы вступают в обонятельные луковицы. Здесь они образуют синапсы со вторыми нейронами, аксоны которых формируют обонятельный тракт. Он проходит под лобными долями, а потом «ныряет» внутрь мозга.

Если мозг в результате травмы смещается в полости черепа, то в опасности оказываются тонкие волокна обонятельного нерва, проходящие через отверстия решетчатой пластинки – они могут просто разорваться, нарушив связь между обонятельными рецепторами в носу и обонятельными луковицами. Исследование больных с травмами головного мозга в Пенсильвании показало, что более чем в половине случаев происходит потеря обоняния, но в 40 % случаев сами больные не замечают этой потери. Это кажется странным, но из всех наших специализированных чувств обоняние, пожалуй, доставляет нам меньше всего хлопот своим исчезновением. Я не хочу сказать, что обоняние – избыточное для человека чувство, но, в сравнении с другими животными, мы в ходе эволюции не слишком заботились о его развитии.

Вверху: Крышка черепа удалена. Видно основание черепа и прободающие решетчатую пластинку отверстия, через которые проходят нервные волокна и кровеносные сосуды. Внизу: Показана нижняя поверхность головного мозга, на которой отмечены места выхода из него черепных нервов

Млекопитающие располагают приблизительно тысячью генов, кодирующих белки обонятельных рецепторов (это полновесных 3 % всего генома), в то время как у нашей старой знакомой, морской миноги, таких генов всего 60, и это неудивительно, потому что минога может различать лишь очень ограниченное число запахов. Однако, несмотря на то что у миноги, в сравнении с млекопитающими, генов, отвечающих за обоняние, действительно совсем мало, они (эти гены) очень похожи на соответствующие гены млекопитающих своими размерами и строением. Здесь мы видим еще один пример удвоения генов в ходе эволюции. Только в данном случае второй экземпляр генов, появившийся в результате удвоения, выполняет несколько иные функции по сравнению с оригиналом, кодируя немного отличающиеся друг от друга белки обонятельных рецепторов. Путем удвоения (дупликации) семейство обонятельных генов претерпело весьма значительное, можно сказать взрывоподобное, увеличение у большинства позвоночных в сравнении с предком, общим для нас и миноги. Это увеличение достигло своего апогея у млекопитающих.

Я часто развлекаюсь игрой в прятки с моим псом Бобом – прячу от него теннисный мячик. Но Боб не ищет его, как мы, он его буквально вынюхивает. Приблизительно 500 миллионов лет эволюции (именно 500 миллионов лет назад жил наш общий с миногой предок) снабдили млекопитающих потрясающим обонянием. Вернее, большинство млекопитающих, за исключением нас. У людей активных обонятельных генов всего около 400. Еще 400 генов присутствуют в нашем геноме, но они настолько сильно выродились, что стали неактивны, и мутировали до такой степени, что их стало невозможно «считывать» и транслировать в белки. У собак – и, как ни странно, у мышей – активных обонятельных генов в три раза больше, чем у нас, и благодаря такому преимуществу Боб отлично чует свой любимый мячик, куда бы я его ни спрятала. Я могу учуять теннисный мячик, если поднесу его очень близко к носу (не скажу, что запах очень приятный), но у меня нет ни малейшего шанса унюхать его с противоположного конца комнаты.

Однако если у людей столько слабоактивных обонятельных генов и еще больше таких же, но совершенно неактивных генов, то интересно было бы узнать, когда начался этот процесс вполне осознанного уничтожения отточенного в ходе эволюции органа чувств? В процессе исследования этого вопроса выясняется, что не только у людей произошла деградация обонятельных генов. Сравнивая геномы разных биологических видов, одна группа генетиков решила, что нашла тот момент, когда начался упадок обоняния. Дело выглядело так, будто человекообразные обезьяны, включая человека, вместе с другими узконосыми обезьянами Старого Света, такими как лангуры, павианы и колобусы, обладают гораздо более скудным набором обонятельных генов в сравнении с приматами Нового Света. Эти две группы приматов, помимо всего прочего, по-разному смотрят на мир. У лемуров и лори, как и у большинства приматов Нового Света, в сетчатке есть всего два типа цветовых рецепторов; у мартышковых и человекообразных обезьян Старого Света таких типов три, что обеспечивает им трихроматическое цветовое зрение. Другими словами, у приматов, у которых развилось то, что мы называем «цветовым зрением», сильно притупилось обоняние.

Это очень занимательная история, но при ближайшем рассмотрении выяснилось, что более тщательный анализ геномов ее не подтверждает. Наоборот, утрата обонятельных генов – это общая для всех приматов тенденция. У большинства приматов число обонятельных генов колеблется от 300 до 400. На самом деле, несмотря на то что мы считаем самих себя более других обделенными обонятельными способностями, оказывается, что люди вырвались вперед в сравнении с другими приматами. У нас больше активных обонятельных генов, чем у шимпанзе, орангутанов, игрунок, макак и галаго.

Несмотря на то что гипотеза о том, что обоняние приматов пострадало за счет эволюции цветового зрения, не подтвердилась, все же следует учитывать тот факт, что у всех представителей отряда приматов обонятельных генов меньше, чем у других млекопитающих. Помимо сокращения генетической основы обоняния, у большинства приматов (если не считать мокроносых приматов, таких как лемуры, руконожки, лори) очень короткие, в сравнении с другими млекопитающими, носы и маленькие обонятельные луковицы. Для подавляющего большинства млекопитающих самые важные чувства – это обоняние и слух, но для приматов – это зрение и осязание. Таким образом, обоняние в своем развитии вошло в противоречие со зрением. Для того, чтобы понять происхождение нашего зрения, нам придется познакомиться с очень далекими нашими предками и углубиться в поистине седую древность.

Зрение

Глаза, подобные нашим, существуют уже 500 миллионов лет – ведь такие глаза у позвоночных были с самого начала. Первые позвоночные, похожие на современную миногу, были, возможно, лишены челюстей, зато обладали глазами. На самом деле у миног очень сложные глаза, похожие на глаза всех других позвоночных животных. Глаза миноги напоминают оптическую систему фотоаппарата с диафрагмой (радужной оболочкой) и внутренней линзой (хрусталиком). Более того, каждый глаз снабжен шестью глазодвигательными мышцами – точно так же, как у нас. Такое впечатление, что глаза позвоночных просто возникли как бы ниоткуда, сразу в окончательно оформленном виде. Это, казалось бы, бросает вызов теории эволюции, согласно которой все изменения в природе происходят постепенно, в течение длительного времени, поэтому нет ничего удивительного в том, что за строение глаза позвоночных сразу ухватились креационисты. Даже Дарвин как будто бы признавал, что очень трудно объяснить, откуда могли взяться такие глаза. В «Происхождении видов» он писал:

В высшей степени абсурдным, откровенно говоря, может показаться предположение, что путем естественного отбора мог образоваться глаз со всеми его неподражаемыми изобретениями для регуляции фокусного расстояния, для регулирования количества проникающего света, для поправки на сферическую и хроматическую аберрацию (Darwin, 1872) [6].

Креационисты обожают приводить эту цитату из «Происхождения видов», причем всегда останавливаются на этом месте. Однако надо понимать, что эта фраза – не более чем приманка, риторический прием, используемый ученым. Далее Дарвин пишет о том, что когда-то считалось полным абсурдом предполагать, будто Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот, и продолжает свою мысль:

Разум мне говорит: если можно показать существование многочисленных градаций от простого и несовершенного глаза к глазу сложному и совершенному, причем каждая ступень полезна для ее обладателя, а это не подлежит сомнению… в таком случае затруднение, возникающее при мысли об образовании сложного и совершенного глаза путем естественного отбора, хотя и непреодолимое для нашего воображения, не может быть признано опровергающим всю теорию.

Я с великой радостью совершила бы путешествие во времени, в эпоху Чарльза Дарвина, и поведала бы ему обо всех научных открытиях, расширивших наше понимание эволюции в XX и XXI веке. Я бы рассказала ему обо всех чудесных ископаемых остатках, по которым можно судить, как у амфибий развивались конечности, как у динозавров отросли перья и как происходила эволюция человека. Я бы рассказала ему о ДНК и геномах. Но с особым удовольствием я бы рассказала ему о недавнем открытии генетических связей между «простым и несовершенным глазом» и «глазом сложным и совершенным».

Наш старый приятель скромный ланцетник, «живое ископаемое», обладает органом, который долгое время называли «лобным глазом» (или «фронтальным глазом»), хотя ученые и не были уверены в том, что ланцетник мог с его помощью что-то видеть. «Лобный глаз» содержит клетки, которые вполне могут быть светочувствительными, так как расположены вблизи темных пигментированных клеток, так же как наша сетчатка содержит слой светочувствительных клеток (фоторецепторов) поверх пигментного эпителия. Но является ли эта структура ланцетника светочувствительной? Потенциально чувствительные клетки в «лобном глазу» ланцетника очень примитивны, в отличие от сложных палочек и колбочек наших человеческих глаз. Сравнительная анатомия, даже на клеточном уровне, не может дать ответ на этот вопрос.

К решению проблемы привлекли генетику. Группа чешских и немецких генетиков и специалистов по биологии развития поставили перед собой задачу разгадать эту загадку и исследовали гены, экспрессия которых формирует «лобный глаз» ланцетника. Гены, экспрессия (считывание информации) которых формирует пигментные клетки ланцетника, как оказалось, очень похожи на гены, формирующие пигментные клетки сетчатки позвоночных животных – «молекулярные отпечатки пальцев» этих клеток оказались одинаковыми. Светочувствительные клетки ланцетника также являются продуктами экспрессии генов, схожих с генами, на которых экспрессируются светочувствительные клетки глаз позвоночных. Очень важно отметить, что среди этих генов есть те, которые кодируют белки, которые, как известно, участвуют в преобразовании падающего света в электрические сигналы в палочках и колбочках. Ученым удалось также идентифицировать длинные нервные волокна, идущие от этих сенсорных клеток в мозг ланцетника. Наконец, было найдено доказательство того, что у этого примитивного, родственного позвоночным животного есть простейший глаз, что пролило свет на то, из какой исходной структуры мог развиться наш сложный глаз.

Простая ресничная клетка (фоторецептор) «лобного глаза» ланцетника (слева), колбочка (в центре) и палочка (справа) – светочувствительные клетки человеческого глаза

Для таких свободно плавающих организмов, как древние хордовые животные, обладание светочувствительным органом, расположенным на переднем конце тела, представляло определенные эволюционные преимущества. По мере усложнения организмов и появления позвоночных животных обладание сложными глазами и соответствующими проводящими путями и нервными сетями головного мозга, которые были в состоянии воспринимать и интерпретировать образы, помогало одним организмам избегать хищников, а самим хищникам – обнаруживать добычу.

Существует, однако, непреодолимая пропасть между такой примитивной структурой, как «фронтальный глаз», и таким сложным образованием, как глаз позвоночного животного, оснащенный сетчаткой, хрусталиком, радужной оболочкой и глазодвигательными мышцами. Заполнить эту пропасть помогает другое существо, принадлежащее к дожившей до наших дней группе бесчелюстных. В то время как миноги обладают сложными глазами, имеющими сильное сходство с глазами всех прочих позвоночных, у их близких сородичей миксин орган зрения устроен весьма примитивно. Конические глаза миксин располагаются под слоем прозрачной кожи. В этих глазах имеется сетчатка, соединенная нервными волокнами с гипоталамической областью головного мозга. Однако в этом, с позволения сказать, глазу нет ни хрусталика, ни радужной оболочки, ни роговицы, ни глазодвигательных мышц, и похоже, что миксина не использует этот орган для «видения» – по сути, миксина слепа; вероятно, это подобие глаза служит животному для задания циркадных ритмов. Тем не менее глаз миксины может представлять собой ступень, одну из дарвиновских «градаций» между примитивным «глазом» ланцетника и нашими глазами, обеспечивающими полноценное зрение. Проблема заключается в том, что мы не можем знать, является ли миксина древнейшим позвоночным, или она когда-то была такой же, как минога, но потом претерпела регрессию и вернулась к более примитивному состоянию. Это означает, что мы не можем рассматривать глаз миксины как свидетельство существования некоего промежуточного звена между простыми и сложными глазами.

Итак, мы снова вернулись к вышеупомянутой пропасти. Но, может быть, нам стоит отвлечься от анатомии взрослых особей и присмотреться к тому, как развивается глаз в эмбриональном периоде. Глаза личинок миноги очень похожи на глаза миксины. После метаморфоза миноги во взрослую особь ее глаз становится больше и сложнее: клетки сетчатки становятся более специализированными, образуется хрусталик, а глаз начинает выступать над поверхностью кожи и приобретает подвижность.

Мы, кроме того, можем проследить развитие глаз от простого к сложному, если внимательно изучим процесс формирования глаз у человеческого эмбриона. Несмотря на то что в нашем эмбриогенезе, вопреки представлениям Геккеля, мы не повторяем нашу эволюционную историю (то есть наш филогенез), мы тем не менее можем уловить «эхо» нашего отдаленного прошлого в ранних стадиях развития эмбриона. Эволюция не создает новые организмы с чистого листа, она пользуется тем, что уже есть в ее распоряжении. Новые признаки эмбриона «приделываются» к старым.

Представим себе человеческий эмбрион на 22-й день внутриутробного развития, то есть на 22-й день после того, как удачливый отцовский сперматозоид оплодотворил материнскую яйцеклетку. В процессе нейруляции возник зачаток центральной нервной системы, и как раз в тот момент, когда на переднем конце произошло замыкание нервной трубки, с каждой стороны от закрытого отверстия, по бокам переднего отдела трубки образуются два симметричных выпячивания, похожие на стебельчатые глазки улитки. Всего через несколько дней эти выпячивания становятся такими длинными, что достигают поверхности крошечного тела эмбриона, его эктодермы. Если развитие человеческого эмбриона остановить в этот момент, то зародыш останется с неким подобием глаза личинки миноги или взрослой миксины. Но развитие человеческого эмбриона на этом не останавливается.

Теперь происходят изменения на поверхности: эктодерма в месте соприкосновения с выпячиваниями утолщается, образуя маленький круглый диск – плакоду. Зрительный пузырек, выпячивающийся из переднего мозга, начинает выгибаться внутрь, образуя чашечку. В это же самое время плакода на поверхности тела начинает погружаться внутрь, образуя углубление, которое очень скоро замыкается в сферу: пузырек эктодермы погружается целиком под покровы тела. К седьмой неделе пространства внутри чашечки и пузырька исчезают. Чашечка образует сетчатку (на внутреннем слое которой развиваются светочувствительные палочки и колбочки, а на наружном – пигментные клетки) и радужную оболочку глаза, а из пузырька формируется хрусталик. Соединительная ткань, окружающая зрительную чашечку, образует двухслойный футляр развивающегося глазного яблока. Внутренний слой этого футляра обильно пронизан кровеносными сосудами, а из плотного наружного слоя формируется склера (белок глаза) и глазодвигательные мышцы. Соединительная ткань внутри зрительной чашечки превращается в прозрачное желеобразное стекловидное тело внутри глазного яблока. Из зрительного стебелька, соединяющего зрительную чашечку с передним мозгом, образуется зрительный нерв. Веки образуются из складок эктодермы, срастающихся над формирующимся глазом, и разделяются только на двадцатой неделе после зачатия, то есть приблизительно на половине срока вынашивания беременности.

* * *

Мысленно перенесемся в глубокую древность, в эпоху кембрийского взрыва, и вообразим похожую последовательность событий или градаций, каждая из которых «полезна для ее обладателя», протяженностью более нескольких десятков миллионов лет. Предшественники позвоночных животных, вероятно, обладали сначала островком светочувствительных клеток, выстилающих часть мозга наподобие «лобного глаза» ланцетника. Когда мозг оказался заключенным в черепной коробке, это одиночное пятно удвоилось, каждое из них разрослось и выпятилось в стороны из зачатка нервной системы. Кожа над этими выпятившимися из мозга образованиями стала прозрачной. Такие глаза – напоминающие глаза миксин – могут отличать свет от тьмы, но не способны к формированию отчетливых образов. У потомков этих созданий с простейшими глазами пятно прозрачной поверхности погрузилось внутрь и образовало хрусталик. Появились глазодвигательные мышцы, а сетчатка приобрела более сложное строение. Дупликация генов, кодирующих светочувствительные белки (опсины), позволила создать набор из четырех или пяти типов колбочек, каждый из которых реагировал на свою, определенную длину волны в диапазоне видимого света. Потом появились палочки и усложнилось строение сетчатки – оно стало таким, как строение сетчатки миноги. Намного позже, когда потомки челюстных рыб выползли на сушу, образовались веки для защиты глаз, а хрусталики изменили форму, чтобы приспособиться к коэффициенту преломления, с каким свет переходит из воздушной среды во влажную среду глаза.

Глядя на современных миног, можно понять, что глаза ранних позвоночных животных были не только сложными и способными к формированию отчетливых образов, они еще и видели мир в цвете. Обитающие в Южном полушарии миноги, Geotria australis, обладают пятью типами колбочковых рецепторов, каждый из которых содержит свой особый вид опсина. У большинства костных рыб есть по меньшей мере четыре типа светочувствительных рецепторов, включая рецепторы, чувствительные к ультрафиолетовому спектру. Большинство рептилий и птиц тоже имеют рецепторы четырех типов. Интересно, что у большинства млекопитающих число типов колбочковых рецепторов не превышает двух, и вообще в сетчатке млекопитающих сравнительно мало колбочек. Среди млекопитающих цветовое зрение вновь сильно развивается только у приматов – у них не два типа колбочек, а три.

Итак, со времен ранних позвоночных история развития органа зрения делает прихотливые повороты и зигзаги; цветовое зрение очень древнее, и на протяжении эволюции различные виды позвоночных не раз приобретали и теряли его. Цветовое зрение, которым наслаждались наши рыбьи предки, было утрачено у наших ближайших предшественников – млекопитающих – с потерей двух светочувствительных опсинов из четырех. Перефразируя Оскара Уайльда, можно сказать, что потерю одного опсина еще можно рассматривать как несчастье, но потерять оба похоже на небрежность. Тем не менее для любого животного, которое ведет активный образ жизни только под покровом темноты, четыре разных типа светочувствительного белка – это ненужная роскошь, а если сказать точнее, то потеря двух из них вряд ли способна причинить ему ощутимый вред. Можно с большим основанием полагать, что наши самые ранние покрытые шерстью предки вели почти исключительно ночной образ жизни.

Но почему избранная группа приматов, одна среди всех млекопитающих, была удостоена чести возвращения цветового зрения? У большинства млекопитающих имеются колбочки двух типов. Колбочки первого типа реагируют на свет длинноволнового спектра, а второго – на свет коротковолнового спектра. По сравнению с нашим цветовосприятием, все остальные млекопитающие страдают дальтонизмом – они неспособны воспринимать красный и зеленый цвета. Из всех приматов лемуры, лори и большинство широконосых обезьян Нового Света страдают точно такой же цветовой слепотой. Однако, около 30 миллионов лет назад, у одной обезьянки, предка современных узконосых обезьян Старого Света, и в том числе человека разумного, произошла дупликация гена, отвечающего за кодирование опсина, преобразующего длинные световые волны в электрические сигналы. Одна копия гена едва заметно отличалась от другой, и в результате возникла третья разновидность колбочек, восприимчивых к волнам средней длины. Эта мутация, видимо, оказалась благоприятной с точки зрения естественного отбора.

Одновременно с ростом видового разнообразия обезьян Старого Света то же самое происходило и с деревьями влажных тропических лесов. Многие обезьяны питались листьями, и, наверное, улучшенное цветовое зрение позволяло отбирать более сочные, более яркие листья. Таким образом, ген, кодирующий третий опсин, по всей видимости, обеспечивал преимущество в процессе выживания и распространился в популяциях обезьян. Эта идея – о том, что цветовое зрение развилось для того, чтобы помогать находить лучшую еду, – отнюдь не нова; впервые ее выдвинул в XIX веке биолог Грант Аллен в книге под названием «Чувство цвета» (The Colour Sense), опубликованной в 1879 году. После того как появилось цветовое зрение, все обезьяны получили возможность с выгодой для себя пользоваться этим приобретением, посылая друг другу цветовые сигналы. Во время овуляции самки павианов и шимпанзе демонстрируют самцам ярко-красные ягодицы: этот сигнал не мог развиться у млекопитающих с ослабленным цветовым зрением.

Цветовая слепота крайне редко встречается среди обезьян, поражая, например, одного из 250 самцов макак-крабоедов, но эта патология гораздо шире распространена среди мужчин белой расы – один случай на 12 человек населения. Причина такой распространенности цветовой слепоты состоит в том, что у нас настолько много дубликатов опсина, воспринимающего волны средней длины, что иногда гены смешиваются с генами длинноволнового опсина, и в результате появляется гибридный опсин, который не способен отличать красный цвет от зеленого. Если способность различать красный и зеленый цвета создавала преимущества для приматов, ибо позволяла им легче находить спелые плоды и сочные листья, то было бы разумно предположить, что утрата этой способности лишала приматов преимущества и поэтому мутанты удалялись из популяции в ходе естественного отбора. Потеря цветового зрения – гораздо более серьезный недостаток у обезьян, которые, в отличие от людей, не делятся друг с другом пищей. Люди, страдающие цветовой слепотой, не испытывают таких неудобств, как обезьяны, потому что могут рассчитывать не только на ту еду, которую добыли сами. Видимо, цветовая слепота встречается у людей чаще, чем у обезьян, потому что этот дефект не удалялся из человеческой популяции естественным отбором так же тщательно, как из популяции более эгоистичных обезьян.

* * *

Исследуя развитие цветового зрения у приматов, мы пока имели дело с механизмами, работающими на клеточном и молекулярном уровне. Но у зрения приматов есть и другие важные характеристики, в которых можно разобраться на макроскопическом уровне, то есть не прибегая к микроскопу и химическому анализу белков.

Возьмите в руки череп любого примата и поверните его лицевой частью к себе. Вы немедленно убедитесь в том, что смотрите непосредственно в глазницы этого черепа. Возможно, это покажется вам очевидным и само собой разумеющимся, но черепа других млекопитающих таким свойством не обладают. Если вы повернете к себе лицевой частью черепа мыши, кролика, овцы, лошади, коровы или оленя, то упретесь взглядом в кости, так как глазницы этих животных смотрят в стороны, а не вперед. Для многих млекопитающих расположение глаз по бокам головы весьма полезно, так как поле зрения в этом случае составляет почти 360°. Это особенно полезно для травоядных животных, которые вынуждены день и ночь осматриваться, чтобы не пропустить приближение хищника. У плотоядных хищных животных, таких как, например, кошачьи (любых размеров и видов), оба глаза смотрят вперед, а не в стороны. Поля зрения обоих глаз накладываются друг на друга. Это может показаться расточительством, но тем не менее это гениальная находка природы: мозг получает возможность сравнивать немного отличающиеся изображения, возникающие в каждом глазу, и таким образом вычислять расстояние до рассматриваемого предмета. Вы сами выполняете эти весьма точные триангуляции ежесекундно, даже не задумываясь об этом, но закройте один глаз и попробуйте наугад оценить расстояние до рассматриваемого предмета – сделать это весьма нелегко. У большинства приматов глаза смотрят вперед, и поля зрения обоих глаз в значительной мере перекрываются. Некоторые ученые предположили, что стереоскопическое зрение развилось у наших предков приматов для того, чтобы уметь верно оценивать расстояния, а это очень полезно для животных, которые на большой высоте перепрыгивают с ветки на ветку. Но на самом деле глаза приматов расположены слишком близко друг к другу, чтобы служить именно этой цели – оценивать расстояния до веток и сучьев. Близко посаженные глаза очень полезны для оценки расстояний при рассмотрении близких мелких объектов, а это очень выгодно для животных, питающихся насекомыми. Оказалось, что, по всей видимости, именно насекомые были главным блюдом наших древнейших предков – лакомились они фруктами и нектаром, но повседневной пищей им служили насекомые (как современным лемурам и руконожкам). Пристрастие к плодам и листьям пришло позже, когда появились сначала широконосые и низшие узконосые, а потом и человекообразные (гоминоиды) обезьяны.

Стереоскопическое зрение позволяет нам видеть мир в трехмерном изображении. А чтобы мы не стали сожалеть об отсутствии глаз на затылке или хотя бы по бокам головы, эволюция приготовила щедрый подарок: способность двигать глазами и шеей, оглядываясь назад через плечо.

Подвижные глаза человека отличаются от подвижных глаз многих других приматов и животных других отрядов одной интересной особенностью. Мы всегда можем увидеть, куда смотрит другой человек, потому что у людей хорошо заметна та часть глаза, которая называется склерой (белком глаза), так как она отчетливо контрастирует с радужной оболочкой. У большинства млекопитающих склера не окрашена в белый цвет, она темная, и поэтому трудно различить, где кончается радужка и где начинается склера. Из-за этого бывает очень трудно понять, куда в данный момент смотрит животное. Появление этого признака – белизны человеческой склеры – вполне может оказаться чем-то большим, чем простая случайность. Возможно, что контраст между радужной оболочкой и склерой появился именно для того, чтобы помочь нам следить за взглядом другого человека, то есть способствовать невербальной коммуникации. Мы общественные существа, и часто делаем многие вещи сообща, сотрудничая в выполнении самых разнообразных задач. Способность увидеть, на что смотрит другой человек, – очень полезное свойство, и, возможно, поэтому наши глаза развились так необычно в сравнении с глазами других млекопитающих. Однако если мы взглянем на других человекообразных обезьян, то поймем, что белизна склеры – это далеко не уникальный человеческий признак. У некоторых шимпанзе и горилл склеры тоже белые, а в некоторых исследованиях было показано, что гориллы обращают внимание на направление взглядов других горилл, но только у людей форма глаза и белизна склер позволяет всегда с легкостью следить за направлением чужих взглядов.

Мы – общественные и общительные животные – в своей жизни полагаемся по большей части на зрение и поэтому всегда склонны обращать внимание на глаза других людей. Часто цитируют Цицерона, сказавшего когда-то: «Ut imago est animi voltus sic indices oculi», что переводят так: «Как лицо есть изображение души, так глаза – ее выражение». Цицерон славился своим красноречием и умением выражать мысли, возможно, именно его слова нашли отражение в не менее меткой и образной народной поговорке: «Глаза – зеркало души». Глядя в глаза другим людям, мы отчасти понимаем, о чем они думают. Это гораздо ценнее умения следить за направлением взгляда и понимать, на что смотрит другой человек.

Мы смотрим в глаза другим людям, чтобы выяснить, не таят ли они агрессию, не стремятся ли доминировать или, наоборот, подчиниться; по выражению глаз мы судим об интеллекте, компетентности и понимании, а также о физической привлекательности. Мы рождаемся со способностью обращать внимание на чужой взгляд: новорожденные дети реагируют на изменение направления взгляда взрослых; к шестимесячному возрасту ребенок начинает следить за изменением направления взгляда, если он дополняется поворотом головы и движением глаз. А к полутора годам ребенок уже следит за взглядом взрослого человека, даже если его направление изменяется только движением глаз. Взрослые шимпанзе, для сравнения, могут следить за взглядом человека только в тех случаях, когда изменение его направления связано с поворотом головы, но шимпанзе не реагирует только на движения глаз. В возрасте между двумя и тремя годами ребенок уже пытается по взгляду «читать мысли» – старается понять, о чем думает другой человек. Для представителей вида общественных животных, непременно сотрудничающих друг с другом, это очень полезное умение. Эта способность читать чужие мысли очень полезна в тех случаях, когда вас пытаются обмануть. Например, если человек притворяется, что не знает, где находится спрятанный предмет, то он может выдать себя непроизвольным взглядом в ту сторону, где тот спрятан. Взрослые люди очень хорошо улавливают такие непроизвольные намеки, но могут ли дети так же легко разоблачать обман? Исследования показывают (а родители и сами знают!), что трехлетние дети уже вовсю практикуют обман и начинают понимать, когда обманывают их. Но следят ли они для этого за движениями чужих глаз, как взрослые?

Психологи провели простой эксперимент для того, чтобы проверить способность детей «распознавать» такой обман. Детям разных возрастов демонстрировали видео, на котором экспериментатор прятала игрушку под одной из трех перевернутых пластиковых чашек, но экран погасал в тот решающий момент, когда это реально происходило. В первом опыте детям говорили, что экспериментатор собирается их обмануть, «она не хочет, чтобы вы нашли игрушку». Когда экспериментатор вновь появляется на экране со своими тремя чашечками, а игрушки нигде не видно, она говорит, что не знает, где находится игрушка, но при этом выразительно смотрит на одну из чашек. Детям надо было угадать, под какой чашкой находится игрушка. Во втором опыте экспериментатор заведомо лжет, говоря детям, под какой чашкой находится игрушка, но при этом смотрит на другую чашку. В третьем опыте детей предупреждают, что экспериментатор не будет их обманывать. Она говорит детям, что знает, под какой чашкой лежит игрушка, и смотрит именно на эту чашку. В этой последней ситуации трехлетние дети с легкостью угадывают, где именно находится игрушка, используя взгляд лишь как дополнительный намек к словам. В случаях, когда экспериментатор обманывала детей, трехлетки были не в состоянии угадать верную чашку, несмотря на предупреждение об обмане. Четырех- и пятилетние дети с легкостью обнаруживали обман, выбирая чашку, на которую смотрела экспериментатор, даже в тех случаях, когда она говорила, что не знает, где игрушка, или показывала не ту чашку, на которую смотрела.

Такие задания кажутся очень простыми взрослым людям – возможно, в силу большей искушенности и меньшей легковерности, – но подумайте, каких навыков и способностей требует разоблачение подобного обмана. Для того чтобы выбрать правильную чашку, вам надо понять, что экспериментатор собирается вас обмануть. После этого вам надо уяснить, что одна информация – произнесенная словами – ложная, а другая – направление взгляда – возможно, правдивая. Видимо, четырех- и пятилетние дети уже овладели премудростью: «поступки говорят лучше слов». Трехлетним детям, даже когда им говорят, что кто-то собирается их обмануть, очень трудно поверить в то, что чьи-то слова можно подвергнуть сомнению. Четырехлетние дети уже способны улавливать смысл взглядов. Наша способность выявлять обман и обманывать совершенствуется на протяжении всего периода детства, но даже дошкольники способны интерпретировать выражение глаз как важный и значимый невербальный сигнал.

Помимо того что глаза действительно многое говорят нам о психическом состоянии других людей, они, кроме того, и в буквальном смысле являются окнами в мозг. Возникшие у наших древних хордовых предков, развивающиеся в человеческом эмбрионе как выросты переднего мозга, глаза так и остаются напрямую соединенными с мозгом «стеблями» – зрительными нервами. Если вы заглянете в глаза человека с помощью офтальмоскопа и наведете резкость на сетчатку, расположенную на глазном дне, то увидите место, в котором находится выход зрительного нерва из сетчатки. Волокна зрительного нерва – а их миллионы, – несущие информацию от световых рецепторов сетчатки, сходятся в точке, в которой соединенные в пучок волокна покидают сетчатку, образуя зрительный нерв. Место, где сходятся волокна, называют диском зрительного нерва, и его хорошо видно в офтальмоскоп. Диск зрительного нерва обычно имеет в диаметре не больше 4 мм и выделяется более светлым оттенком на фоне темно-оранжевой сетчатки.

Там, где нервные волокна покидают сетчатку, в области диска зрительного нерва, нет места рецепторным клеткам. Этот пример демонстрирует один из изъянов нашего тела, и показывает, что мы отнюдь не были спроектированы согласно какому-то гениальному предначертанию. Никакого «конструктора» не было: строение и функции нашего организма – это продукты слепой эволюции. Если бы глаза были спроектированы разумным существом, то был бы смысл разместить светочувствительные рецепторы на поверхности, а не в глубине сетчатки, чтобы нервные волокна прикреплялись к задней поверхности рецепторных клеток. Тогда на поверхности сетчатки не было бы диска зрительного нерва, то есть не было бы слепого пятна.

Вид сетчатки при офтальмоскопическом исследовании

Мы и сами не замечаем, что у нас в обоих глазах имеются слепые пятна, да и не должны, потому что мозг заполняет этот дефект – продолжая на область пятна изображения, расположенные по его краям. Убедиться в присутствии слепого пятна можно с помощью простого теста, который вы можете выполнить прямо сейчас. Прикройте левый глаз левой рукой и не подсматривайте. Смотрите прямо перед собой правым глазом. Теперь вытяните вперед правую руку как можно дальше, а затем поднимите вверх указательный палец. Если вы все делаете правильно, то будете прекрасно видеть кончик правого указательного пальца. Теперь начните двигать пальцем из стороны в сторону, оставляя на месте правую руку – палец надо перемещать из стороны в сторону и вверх-вниз. Взгляд должен быть фиксирован, не поддавайтесь искушению следить взглядом за движениями пальца. Ваше терпение будет скоро вознаграждено, так как вы заметите что-то очень странное и необычное. В какой-то момент кончик пальца исчезнет. Скорее всего, это произойдет, если вся рука вытянута вперед и немного отведена кнаружи. Вас охватит очень странное ощущение, когда вы впервые убедитесь в реальном существовании слепого пятна; вдруг придет понимание, что зрение – это вовсе не пассивный процесс. Мозг работает с невероятной интенсивностью, обрабатывая поступающую от глаз информацию, чтобы придать ей смысл, и, если в получаемой информации обнаруживается провал, он пытается его восполнить. Фон, который вы видите на месте, где должен быть кончик пальца, на самом деле не существует. Мозг сконструировал его сам – это не более чем миниатюрная галлюцинация. Это удивительное ощущение, и к тому же оно помогает вам понять, что слепое пятно в вашем глазу действительно существует. Правда, если бы конструкция глаз была более совершенной и продуманной, мозгу не пришлось бы пускаться на такие ухищрения.

Диск зрительного нерва, возможно, и развенчивает саму идею о разумном плане творения, но хитроумные врачи научились с пользой использовать этот диск. Вид диска зрительного нерва может многое сказать о том, что происходит внутри черепа человека.

Наружные покровы глазного яблока являются продолжением оболочки, одевающей зрительный нерв, а эта оболочка является продолжением мозговых оболочек, покрывающих головной мозг. Пространство между двумя внутренними слоями мозговых оболочек содержит цереброспинальную жидкость (ЦСЖ). Если внутричерепное давление повышено сверх нормы, то ЦСЖ начинает выдавливаться в футляр зрительного нерва и сдавливать нерв и проходящую внутри его центральную вену сетчатки. Это приводит к повышению давления внутри глаза и к отеку всех волокон зрительного нерва. Отек зрительного нерва (папиллоэдема) – опасный симптом, сигнализирующий о повышении внутричерепного давления, вызванном, возможно, воспалением или опухолью мозга или блокадой циркуляции ЦСЖ. Отек зрительного нерва напоминает нам о теснейшей связи между глазом и мозгом, которую мы осознаем в результате изучения эмбрионального развития глаза. Это знание подсказывает нам, как возникли глаза у наших древних предков.

Жабры и речь Водное происхождение гортани

Нужно же человеку о чем-то говорить, упражнять голосовые связки, чтобы они хорошо работали, когда придется сказать что-то действительно важное.

Курт Воннегут. Колыбель для кошки[7]

Кость в форме буквы U и хрящ в форме бабочки

В 1920-х годах британские геологи, занимавшиеся поисками залежей высококачественного камня для строительства нового порта в Хайфе на территории Британской Палестины (теперь это Израиль), в ходе работ обнаружили на западных склонах коры Кармель несколько весьма примечательных доисторических каменных орудий. Археологи тут же навострили уши. С 1929 по 1934 год группа археологов под руководством Дороти Гэррод производила раскопки в пещерах горы Кармель, где было сделано несколько поразительных открытий. В пещере Схул археологи нашли тысячи каменных орудий и останки десяти человек. Даже тогда было понятно, что речь идет об очень древних находках, относящихся к эпохе палеолита. Однако современные методы определения возраста останков отодвинули даты жизни найденных людей еще дальше в глубь веков. Люди жили в пещере Схул примерно 100 000–130 000 лет назад. Эти скелеты оказались очень важными для науки, так как многое рассказали об анатомии ранних представителей вида человек разумный (Homo sapiens) и о времени выхода этих людей из Африки. Но это уже совсем другая история. Группа Гэррод обследовала и другие кармельские пещеры, в том числе и Кебару, где были найдены следы пребывания человека – каменные орудия.

В 1982 году археологи вернулись в пещеру Кебара, чтобы завершить дело, начатое Дороти Гэррод. На этот раз группу возглавил Офер Бар-Йосеф из Гарвардского университета. В группу входили также археологи из Франции и Израиля. За несколько сезонов раскопок Кебара выдала свои следующие тайны – еще много каменных орудий, кости животных разных видов, включая горную газель, антилопу, оленей, дикую лошадь, носорога, гиену и лисицу. Помимо этого, были обнаружены остатки древнего очага. В 1983 году археологи обнаружили также и человеческое захоронение, но на сей раз это были останки не современного человека, а неандертальца, умершего около 60 тысяч лет назад. У скелета отсутствовал череп и нижние конечности, но все же это один из наиболее полных скелетов неандертальца, найденных до настоящего времени. Непосредственно под дугой сохранившейся нижней челюсти была обнаружена маленькая U-образная косточка – подъязычная кость.

Эта кость есть и у современных людей; она находится на передней поверхности шеи, непосредственно под нижней челюстью. Ее можно легко нащупать. Для этого надо согнуть указательный и большой пальцы в форме буквы С и прощупать шею на пару сантиметров ниже челюсти. В этом месте вы, вероятно, сразу обнаружите что-то твердое и даже сможете сместить эту косточку в ту или другую сторону. (Не увлекайтесь, потому что чрезмерное смещение может оказаться довольно болезненным.)

Подъязычная кость – это важное место прикрепления множества мышц и связок рта и шеи. Мышцы, образующие дно ротовой полости, начинаются от внутренней поверхности нижней челюсти спереди и прикрепляются к подъязычной кости сзади. Пара мышц языка, называемых подъязычно-язычными, начинается на подъязычной кости и заканчивается в толще языка. Шилоподъязычная мышца – это тонкая мышца, которая посредством одноименной связки прикрепляется к шиловидному отростку (тонкому, направленному книзу выросту височной кости) и направляется затем к подъязычной кости. Еще ниже на шее, под подъязычной костью находится гортань. Гортань представляет собой прихотливо изогнутый листок фиброзной ткани и несколько мышц.

С точки зрения анатомии, гортань – очень сложно устроенный орган. Размер гортани невелик – 3 см в диаметре и 4 см в длину, но, несмотря на это, структура содержит девять хрящей, соединенных между собой связками и мембранами, а кроме того, в гортани есть подвижные части с прикрепленными к ним крошечными мышцами. Самыми крупными хрящами гортани являются щитовидный и перстневидный хрящи. Перстневидный хрящ действительно напоминает своей формой перстень с печаткой. Щитовидный хрящ образует кадык (адамово яблоко), который сильнее выражен у мужчин, чем у женщин. Имеющий форму бабочки щитовидный хрящ покоится на кольцевидном перстневидном хряще, с которым соединяется мелкими суставами, допускающими небольшое взаимное смещение двух хрящей.

Человеческая гортань

Внутри гортани находится пара похожих на струны эластичных связок, протянутых между внутренней поверхностью щитовидного хряща спереди и двумя удлиненными пирамидальной формы мелкими хрящами сзади. (Мне кажется, что эти хрящи на самом деле похожи на высокие пирамидки, но те, кто давал им названия, нашли в них сходство с ковшами и теперь их именуют черпаловидными хрящами.) Эти связки, прикрепленные к черпаловидным хрящам, называются голосовыми связками. Мышцы, прикрепленные к пирамидальным черпаловидным хрящам, могут менять расстояние между голосовыми связками, перекрывая вход в нижележащие дыхательные пути. Это смыкание голосовых связок происходит автоматически при глотании, чтобы пищевой комок не попал в трахею и легкие. Одновременно голосовая щель – вход в гортань, прикрытый голосовыми связками, – прикрывается также и листовидным надгортанным хрящом. Смыкание голосовых связок происходит и в тех случаях, когда вы собираетесь поднять тяжелый предмет (вы подсознательно «понимаете», что для этого надо набрать в легкие больше воздуха, чтобы придать дополнительную жесткость туловищу) либо когда вы собираетесь выдавить из себя порцию кала или новорожденного ребенка во время родов. Иногда в таких ситуациях голосовые связки могут не выдержать напора воздуха и слегка разойтись, и тогда вы, скорее всего, непроизвольно закряхтите. (Не волнуйтесь, это абсолютно нормально, и теперь вы знаете, отчего это происходит.)

Эта роль гортани – работать клапаном, запирающим трахею и легкие, – является ее основной функцией, сложившейся в ходе эволюции. Но, естественно, гортань играет и важнейшую роль как орган вокализации (голосообразования), то есть того места, где возникают звуки речи.

Когда мы говорим, черпаловидные хрящи сдвигают ближе голосовые связки и туго их натягивают. Выходящая из легких струя воздуха заставляет голосовые связки колебаться, что порождает звук – точно так же порождает звук язычок деревянных духовых инструментов. Высота голоса зависит от длины голосовых связок. У женщин средняя длина их варьирует от 1,25 до 1,75 см, а у мужчин – от 1,75 до 2,5 см. Это означает, что гортань мужчины глубже, и именно поэтому она сильнее выступает вперед в виде кадыка, так называемого адамова яблока.

Конечно, мы можем менять высоту своего голоса. Можно сделать голос более высоким, сильнее напрягая связки. Это мы делаем автоматически, не задумываясь. Повышение тона голоса происходит при сокращении расположенных в переднем отделе гортани перстнещитовидных мышц, которые подтягивают перстневидный хрящ к щитовидному хрящу. Это можно проверить, пощупав собственную шею: найдите кадык, потом скользните пальцами вниз до отчетливого углубления. Это углубление соответствует промежутку между щитовидным и перстневидным хрящом. Теперь, удерживая палец на месте, издайте высокий звук – например, «и-ик». Вот так. Вы почувствуете, как углубление исчезает, потому что перстневидный хрящ поднимается выше и сближается с щитовидным хрящом в результате сокращения перстнещитовидной мышцы. Сочленение перстневидного и щитовидного хрящей таково, что в результате сокращения мышцы перстневидный хрящ движется, как детские качели – вверх-вниз. Когда перстневидный хрящ в переднем своем отделе смещается вверх, его задний отдел смещается вниз вместе с черпаловидными хрящами. Это сильнее натягивает голосовые связки, и поэтому при прохождении струи воздуха звук получается выше.

Речь – очень важный признак человека, и мы можем задать вполне резонный вопрос: уникально ли строение человеческой гортани? Можно вообразить, что она устроена намного сложнее, чем гортань других млекопитающих, но на самом деле это не так.

Наша гортань совершенно типична по своему строению и мало отличается от гортани других животных, к ней не приделаны дополнительные колокольчики и свистки. Возможно, в этом нет ничего удивительного, потому что осмысленная членораздельная речь формируется в структурах, расположенных выше гортани, а сама она порождает лишь сырой, первоначальный звук. Произносимый слог действительно начинается с вибраций голосовых связок, но когда мы слышим чью-то речь, это не просто некое жужжание. В процессе речи столб воздуха над голосовыми связками изменяет свою форму, и главным средством таких изменений является язык. Мы можем создавать всплеск акустической энергии, сначала прижимая язык к нёбу, а затем освобождая проход струе воздуха, произнося такие согласные, как «т» или «д». Можно выпускать струю воздуха, оставив узкую щель между языком и нёбом, – тогда получится «ссс». В произнесении согласных звуков речи участвуют и губы, которые могут попеременно останавливать и пропускать струю воздуха. Так получаются согласные «б», «м», «п». При сближении губ или верхних и нижних резцов получаются звуки «ф» и «в». Изменяя положение языка и его форму при свободном прохождении струи воздуха мимо него, можно произносить разные гласные звуки.

К подъязычной кости прикрепляется множество мышц

Я видела свой голосовой аппарат в действии. Во время выполнения функциональной МРТ, в ходе которой были продемонстрированы мои зеркальные нейроны, я видела, как тяжко трудились мои губы и язык, чтобы произнести все эти гласные и согласные в речевом потоке. Эту картину снимали на пленку. Находясь в сканере, я произносила слова, которые повторила потом, сидя в кафе, а потом на эту речь была наложена анимация, показывающая работу речевого аппарата. Я говорила следующее: «Воздух из моих легких проталкивается между голосовыми связками, заставляя их вибрировать. Звук распространяется выше и модулируется языком и губами, превращаясь в речь… а-а-а… и-и-и… о-о-о…»

Мне очень нравилось видеть магнитно-резонансное изображение, показавшее движения гортани, языка и нёба в процессе говорения. Я отчетливо видела анатомические особенности произнесения различных согласных, но произнесение гласных – «а», «и», «о» – было самым интересным, потому что я и сама не представляла до этого, насколько причудливые движения при этом совершает язык в моем рту. При «а» язык подтягивался кзади; при «и» спинка языка приподнималась в средней части, сильно приближаясь к нёбу; при «о» язык вообще принимал странные очертания – задняя его часть высоко поднималась к нёбу, оставляя впереди довольно большое пространство между его кончиком и передними зубами.

Для производства членораздельной речи язык чрезвычайно важен, причем важны врожденные особенности его строения, и наш язык действительно сильно отличается от языка других млекопитающих, включая и наших ближайших родственников, приматов – например, шимпанзе. У нас, людей, очень короткая «морда», и поэтому язык у нас не длинный и плоский, как у других животных, а закругленный, короткий и очень подвижный. Но, к сожалению, ни языки, ни хрящи гортани не сохраняются в виде окаменелостей. Так что, если мы хотим понять, когда у наших предков появился большой и подвижный язык, нам приходится судить об этом по сохранившимся костным остаткам, а это непростая задача. Но, пусть мы не можем непосредственно увидеть мышцы языка наших далеких предков, у нас все же есть возможность судить о его развитии по иннервирующим его нервам, а точнее, по XII паре черепно-мозговых нервов – подъязычному нерву. Такие парные нервы достаточно велики, чтобы видеть их невооруженным глазом. Они представляют собой пучки из сотен и даже тысяч отдельных нервных волокон. Каждое из волокон двигательного нерва (а подъязычный нерв является двигательным) подходит к мышце и снабжает несколько мышечных волокон, образуя вместе с ними «двигательную единицу». Таким образом, размер подъязычного нерва, зависящий от числа составляющих его нервных волокон, может свидетельствовать о числе этих волокон. Чем больше волокон и чем больше двигательных единиц, тем тоньше будет регуляция движений языка, а это, вероятно, очень важно для производства членораздельной речи.

Но нервы тоже состоят из мягких тканей и не сохраняются так, как сохраняются кости. Надо вспомнить, что подъязычный нерв – это один из черепно-мозговых нервов, то есть нервов, исходящих непосредственно из ткани головного мозга, а потом покидающих полость черепа для того, чтобы иннервировать разнообразные органы и ткани тела. (В организме человека двенадцать пар черепно-мозговых нервов, и некоторые из них нам уже известны – зрительный, обонятельный и преддверно-улитковый нервы.) Подъязычный нерв покидает череп через свой собственный, индивидуальный канал – подъязычный канал, проходящий в основании черепа, поблизости от большого затылочного отверстия, через которое из черепа выходит продолговатый мозг, переходящий в этом месте в спинной мозг.

В конце 1990-х годов группа анатомов Университета Дюка в Дурхеме (США) решила измерить диаметр подъязычного канала в черепах людей, шимпанзе и горилл, а также в ископаемых черепах древних гоминид (предков человека разумного). Ученые, казалось, нащупали верный путь. Выяснилось, что в среднем диаметр подъязычного канала у человека был вдвое больше, чем у шимпанзе, и на треть больше, чем у гориллы. У австралопитеков, ранних гоминид, живших в Африке в период от четырех до двух миллионов лет тому назад, канал был узким, таким же, как у шимпанзе или горилл. Когда ученые измерили канал в черепе более поздних гоминид, включая гейдельбергского человека (Homo heidelbergensis), общего предка неандертальцев и современных людей, то диаметр оказался большим – он не уступал размером диаметру подъязычного канала у современного человека. Если широкий подъязычный канал означает более мощную иннервацию языка и вероятную способность к членораздельной речи, то похоже, что одно из главных условий очеловечивания гоминид уже присутствовало у наших ближайших предков по меньшей мере 400 тысяч лет назад, а также и у наших кузенов неандертальцев.

Это великолепная история. Однако, к сожалению, уже в следующем году после публикации этих результатов еще одна группа американских ученых обнародовала данные, поставившие под сомнение столь убедительную гипотезу о роли подъязычного нерва в эволюции человеческой речи. Ученые измерили диаметр подъязычного канала на 104 черепах современных людей и на 75 черепах других приматов. На основании изучения этой большой выборки был установлен достаточно большой диапазон диаметров подъязычного канала у людей, причем часто величина диаметра совпадала с таковой у человекообразных обезьян и у древних гоминид. Вообще, оказалось, что самым широким подъязычным каналом обладают широконосые и низшие узконосые обезьяны, а также мокроносые приматы (полуобезьяны), такие как лемуры и лори, которых никто не может заподозрить в способности говорить! Последний гвоздь в гроб несостоявшейся гипотезы был забит при препарировании свежих трупов, когда выяснилось, что размер подъязычного канала не является надежным индикатором диаметра подъязычного нерва.

Но довольно о подъязычном канале. Вернемся к подъязычной кости. Может ли она пролить дополнительный свет на происхождение человеческой речи? Находка подъязычной кости неандертальца в пещере Кебара в Израиле позволяет думать, что это так. Ученые сообщили, что подъязычная кость неандертальца настолько схожа с подъязычной костью человека разумного, что, вероятно, неандерталец обладал полностью развитой способностью к членораздельной речи. Две другие подъязычные кости, обнаруженные в знаменитой Сима-де-лос-Уэсос (Пещере костей) в горах Сьерра-де-Атапуэрка в Испании вместе с орудиями и принадлежностями архаичных неандертальцев, тоже оказались невероятно похожими на наши. В нашем распоряжении есть подъязычная кость более раннего гоминида – афарского австралопитека (Australopithecus afarensis), – и эта кость больше напоминает подъязычную кость шимпанзе. Таким образом, можно предположить, что австралопитеки не умели говорить, а неандертальцы уже могли беседовать между собой.

Но мы слишком много говорим о мелкой косточке и, вероятно, слишком сильно увлеклись. Да, это верно, что гортань подвешена к подъязычной кости, но это не дает нам никаких сведений о мягких тканях – включая и хрящи гортани, – сколько бы мы ни разглядывали подъязычную кость. Если бы я была сейчас в более язвительном расположении духа, то сказала бы, что попытка воссоздать вид мягких тканей шеи, включая и гортань на основании вида подъязычной кости, – это то же самое, что воссоздать вид платья по конфигурации плечиков в гардеробе.

Возможно, что нам никогда не удастся ответить на вопрос, когда у наших предков развилась способность к речи, основываясь лишь на анатомических данных. Как мы уже видели, человеческая гортань сама по себе ничем не примечательна – это обычная гортань млекопитающего животного. Однако в нашей гортани есть все же одна особенность в сравнении с другими млекопитающими, и эта особенность заключается в положении гортани в тканях шеи – наша гортань расположена очень низко. Это означает, что путь между голосовыми связками и губами у нас очень длинный, и это позволяет нам произносить разнообразные звуки. Язык, мягкое нёбо, губы и зубы модифицируют напор струй воздуха, поступающих из гортани, и превращают воздушный поток в гласные и согласные звуки, как я видела это на анимации моих собственных органов речи.

Американский исследователь когнитивных способностей Филип Либерман несколько десятилетий исследовал анатомию, физиологию и эволюцию человеческого голосового аппарата. Либерман считает, что низкое положение гортани у человека очень важно, потому что влияет на положение языка. Низкое положение гортани и подъязычной кости означает, что задняя часть языка находится в таком положении, что может изменять размеры глотки (пространства, расположенного позади языка), как и размеры ротовой полости (пространства, расположенного выше и кпереди от языка). Прямоугольный изгиб, существующий между ротовой полостью и глоткой, по сути, делит голосовой тракт на две равные по длине части, и Либерман считает, что это очень важно для способности произносить такие гласные, как «а», «э» и «о». Способность произносить отличимые друг от друга гласные может показаться избыточной роскошью, однако дает мозгу возможность в половине случаев расшифровывать сказанное другими людьми именно за счет такой разницы. У неандертальцев не могло быть двух акустических трубок равной длины, как у нас, потому что у них были слишком длинные челюсти, то есть сильно вытянутая в длину ротовая полость. Если бы у них была такая же по длине глотка, то гортань должна была находиться в грудной клетке, а это анатомически невозможно. Делало ли это гласные неандертальского языка неотличимыми друг от друга, а речь нечленораздельной? Либерман отвечает на этот вопрос утвердительно, но другие ученые с ним не согласны: у десятилетних детей соотношение длин ротовой полости и глотки такое же, как у неандертальцев, но мы прекрасно их понимаем.

Так как же звучала речь неандертальцев? Специалист по акустике Анна Барни и анатом Сандра Мартелли с коллегами из Саутгемптонского университета и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе взялись выяснить это, одновременно попытавшись ответить на более серьезный вопрос о том, могли ли неандертальцы произносить разные по акустическим характеристикам гласные звуки. Группа ученых выполнила виртуальную реконструкцию голосового тракта на основании КТ-исследования современных людей и ископаемых неандертальских черепов; на основании этой картины была произведена реконструкция голосового аппарата и высказаны предположения о том, как на самом деле мог говорить неандерталец – в сравнении с современным человеком.

Подъязычная кость современного человека (слева) и неандертальца из пещеры Кебара (справа)

Согласно компьютерной модели, подъязычная кость неандертальца располагалась непосредственно под нижней челюстью, так же как и у современного Homo sapiens, но расстояние от подъязычной кости до переднего отдела ротовой полости у неандертальца больше, чем у современного человека, потому что у неандертальца длиннее челюсти. Расстояние же от подъязычной кости до шейного отдела позвоночника – размер пространства, где находится гортань, – у неандертальцев тоже оказалось больше, чем у современного человека. Это означало, что неандерталец не мог сместить язык назад в такой же степени, как это можем сделать мы, а это влияло на произнесение гласных звуков, что и было продемонстрировано в результате акустического моделирования. Смоделированный голосовой тракт неандертальца был способен произнести «э» и «о» так же, как и тракт современного человека, но тем не менее не мог произнести «а», так как был не в состоянии в достаточной степени сместить назад и вверх заднюю часть языка, изменяя форму верхней части полости глотки таким образом, как я видела на картинке моей МРТ.

Мифы о гортани

Опущенная вниз человеческая гортань и ее роль в производстве речи как нельзя лучше показывает, сколь увлекательным и в то же время нелегким делом является моделирование эволюционной истории организма и его частей. Легче всего предположить, что большая часть наших анатомических структур превосходно приспособлены для выполнения своих функций. Вероятно, нам лестно думать о себе как о венце эволюции, существе, занимающем верхнюю ступень «великой лестницы природы» (scala naturae), а не как о скромной ветке древа жизни, выжившей на том его участке, который подвергался безжалостной обрезке.

Но, если вы дадите себе труд подумать, то поймете, что не может быть такого, чтобы каждый анатомический сегмент нашего тела был бы идеально заточен под какую-то одну функцию, а не обслуживал бы одновременно несколько функций. Конечно, для некоторых анатомических структур наиболее важна какая-то одна функция, и она получила преимущество в ходе естественного отбора, направляя развитие в определенном направлении, но необходимость выполнять и другие функции могла приводить и приводила к напряжению и конфликтам в развитии органов. В таких случаях организму приходилось идти на сделки, то есть конечная форма некой определенной структуры, скорее всего, представляет собой компромисс, позволявший совмещать функции.

Велико также искушение видеть в каждой анатомической структуре результат приспособления, выработанного в ходе естественного отбора, который и подогнал текущую форму под текущую функцию. Мы допускаем, что более низкое положение человеческой гортани появилось для того, чтобы мы могли более отчетливо произносить различные звуки. Глубокое расположение гортани в шее взрослого человека означает, что голосовой тракт состоит из двух трубчатых отделов равной длины, что представляется нам необходимым условием для отчетливого произнесения гласных звуков.

В традиционной истории об эволюции уникальной, низведенной в нижнюю часть шеи гортани, обязательно есть упоминание о том, что низкое расположение гортани несет с собой смертельную опасность, так как шансы асфиксии повышаются по мере погружения гортани вглубь шеи. Но, вероятно, с точки зрения эволюции преимущества членораздельной речи перевесили соображения безопасности. У других млекопитающих гортань расположена выше и лепесток надгортанника достает до мягкого нёба. Это означает, что глоточная часть дыхательного тракта отделена от глоточной части пищеварительного тракта. У людей гортань располагается значительно ниже, и конец надгортанника находится намного ниже мягкого нёба. При проглатывании пищевого комка он проходит над входом в гортань и теоретически может туда соскользнуть.

Я всегда с большим подозрением относилась к этой истории. Во-первых, моя собака достаточно часто давится большими кусками пищи (но, слава богу, ухитряется откашляться и выплюнуть едва не застрявший кусок на пол). Во-вторых, надгортанник животного дотягивается до мягкого нёба, когда животное не глотает, когда же оно совершает акт глотания, надгортанник опускается книзу и теряет связь с мягким нёбом, и поэтому пищевой комок все равно проходит над входом в гортань, прежде чем попасть в пищевод, – то есть все происходит, как у нас. Несмотря на то что наша гортань находится ниже, чем у других животных, глотаем мы точно так же, как и они.

Специалист по эволюционной антропологии Лесли Айелло усомнилась в правдивости традиционной истории про угрозу асфиксии. Для начала Айелло поинтересовалась статистикой причин смерти в Великобритании за последние сто лет и выяснила, что, во-первых, асфиксия была достаточно редкой причиной смерти, а во-вторых, риск асфиксии у взрослых, у которых гортань находится низко, не был выше риска асфиксии у детей, у которых гортань находится высоко.

Таким образом, аргумент о том, что давление отбора привело к низведению гортани, так как выгоды членораздельной речи перевесили недостатки низкого расположения гортани, не выдержал критики. Но есть и другой вопрос: что, если низведение человеческой гортани вовсе не является приспособлением для членораздельной речи? Что, если гортань оказалась в низком положении по совершенно иной причине, но это положение, как выяснилось впоследствии, оказалось полезным и для членораздельной речи?

Наша голова покоится на верхнем конце шейного отдела позвоночника. Шейные позвонки шимпанзе сочленяются с черепом ближе к его заднему концу, нежели шейные позвонки человека. Если вы посмотрите на основание черепа шимпанзе и сравните его с черепом человека, то увидите, что они отличаются друг от друга по расположению большого затылочного отверстия – отверстия, где продолговатый мозг переходит в спинной мозг. Так вот, у шимпанзе большое затылочное отверстие находится ближе к задней оконечности черепа, чем у человека. По обе стороны от большого затылочного отверстия (у обоих видов) располагаются два овальных выступа, называемые затылочными мыщелками. Эти выступы представляют собой поверхности, сочленяющиеся с суставными поверхностями первого шейного позвонка.

Мы, люди, являемся, как известно, двуногими существами, то есть передвигаемся исключительно на двух ногах. Анатомическое строение человеческого тела соответствует прямохождению, причем это касается не только ног и тазовых костей – изменился и наш позвоночник, приобретя двойной S-образный изгиб. Перемещение затылочно-позвоночного сустава кпереди произошло из-за того, что нашей голове приходится балансировать на верхнем конце вертикально ориентированного позвоночника. Именно поэтому большое затылочное отверстие и затылочные мыщелки на человеческом черепе сдвинуты вперед. Сыграло свою роль и увеличение головного мозга, которое привело к разрастанию затылочной доли мозга и, соответственно, к выступанию кзади задней части черепа.

Но давайте еще раз присмотримся к основанию черепа человека и шимпанзе. Обратите внимание, как близко к заднему отделу твердого нёба расположено у человека большое затылочное отверстие. У шимпанзе это расстояние намного больше, а это означает, что под нижней челюстью, на шее, есть много места для различных анатомических структур.

Когда наши предки начали постоянно ходить на двух ногах, гортани пришлось неизбежно сместиться вниз, потому что в противном случае она оказалась бы стиснутой между языком и позвоночником, что сделало бы невозможным как дыхание, так и глотание. Другими словами, низкое расположение гортани – это результат косвенного влияния прямохождения, а вовсе не приспособление, возникшее специально для членораздельной речи. Так как бипедализм (передвижение на двух ногах) является самым ранним признаком принадлежности к роду человеческому у приматов, то можно предположить, что гортань опустилась на ранних ступенях эволюции человека – то есть задолго до того, как наши предки заговорили.

У человека большое затылочное отверстие расположено относительно ближе кпереди, чем у шимпанзе

Тем не менее специалист по эволюционной антропологии Дэн Либерман считает, что бипедализм сам по себе не мог вызвать смещение гортани книзу. По мнению Либермана, выступающая вперед челюсть австралопитеков означала, что для высокого расположения гортани у прямоходящего австралопитека было вполне достаточно места. Уплощение лица произошло только у представителей нашего рода Homo (это уплощение, возможно, явилось следствием изменения пищевого рациона, термической обработки пищи для ее смягчения и лучшего усвоения, что, в свою очередь, привело к уменьшению размеров зубов), и именно это обстоятельство привело к вынужденному смещению гортани книзу.

Отодвинув опущение гортани в относительно раннюю стадию человеческой эволюции, приведя аргументы, объясняющие это опущение, мы все же по-прежнему не можем ответить на вопрос о том, когда же у человека проявилась его важнейшая особенность – способность к членораздельной речи. Даже если ранние представители рода Homo и имели в ротовой полости и горле все необходимые анатомические приспособления для членораздельной речи, могли бы пройти сотни тысяч лет, прежде чем они научились говорить. Самые важные анатомические изменения, позволившие человеку заговорить, произошли внутри черепной коробки, в развивающемся и растущем мозгу наших далеких предков.

Попытки воссоздать голосовой тракт неандертальцев показали, что их голосовые способности отличались от наших; возможно, неандертальцы не умели произносить некоторые гласные, однако нет никаких причин сомневаться в том, что неандертальцы умели говорить (многие археологи считают, что, судя по их технологиям и культуре, неандертальцы, скорее всего, владели речью). Весьма вероятно, что естественный отбор помог несколько улучшить речевые способности современного человека по сравнению с неандертальцами. Но, возможно, мы уже имели преимущества и по иным причинам: уплощение лица и укорочение челюстей случайно породили голосовой тракт с двумя равными по длине воздухоносными трубками и в результате – способность производить отчетливые гласные звуки.

Относительное положение гортани изменяется в ходе постнатального развития и роста. К восьми годам «две трубки» достигают идеального соотношения один к одному, и несмотря на то что рост продолжается еще несколько лет, соотношение поддерживается неизменным. По крайней мере, у девочек – даже после того, как они переживают пубертатный период. У мальчиков дело обстоит, естественно, по-другому. Когда у них начинает ломаться голос, становятся длиннее голосовые связки, но, помимо этого, происходит опускание гортани, что нарушает идеальное соотношение один к одному.

Так что, если мы хотим найти голосовой тракт, приближенный к идеалу – то есть к идеалу в отношении способности производить членораздельные гласные звуки, – то нам следует искать его у женщин. Недавние исследования голосового тракта современного человека показали, что женский голосовой тракт может производить более разнообразные гласные звуки, чем мужской. Таким образом, понятно, что дальнейшее опущение гортани у мужчин не создает никаких эволюционных преимуществ в том, что касается производства членораздельной речи. Однако, теряя часть способности производить отчетливые звуки речи, мужчины приобретают что-то другое, благодаря опущению гортани они приобретают низкий голос. Низкое положение мужской гортани могло стать результатом полового естественного отбора: если женщины в глубокой древности находили мужчин с низкими голосами более привлекательными (возможно, потому, что низкий голос обычно ассоциируется с более внушительными размерами тела), то крупные мужчины имели преимущества в передаче потомству своих генов.

Низкий голос самцов

Из приведенных рассуждений может показаться, что опущение гортани – это признак, присущий исключительно человеку. Однако это не так. У самцов благородных оленей и ланей гортань тоже расположена низко, и опускается еще ниже во время гона, когда самцы своим низким ревом дают знать своим потенциальным соперникам, насколько они велики и непобедимы. Благородные олени могут упорно реветь до двух раз в минуту в течение суток. Схватки между самцами дорого обходятся виду, а рев позволяет оленям заранее оценить габариты возможного противника и избежать рискованного исхода событий.

Осенью самки оленей собираются в стада, и после этого к ним присоединяются самцы. Зрелые самцы собирают вокруг себя гаремы самок, которых они ревностно оберегают, не отпуская от себя и отгоняя вероятных соперников. Самцы настолько сильно увлечены своим гаремом, что забывают о еде. Некоторые самцы за время брачного периода теряют до 20 % своего веса.

Когда к гарему приближается другой самец, оспаривающий права его хозяина, в особенности если этот самец приблизительно равен по габаритам хозяину гарема, между ними начинается соревнование в реве. Схваткой заканчивается лишь малая доля таких состязаний. Изучение этих состязаний по реву, закончившихся реальной схваткой, показало, что обычно побеждает в схватке самец, который ревет чаще, издавая более низкие и грозные звуки.

Положение гортани у самцов благородных оленей и ланей напоминает положение гортани у человека, но совершенно очевидно, что гортань этих парнокопытных животных не имеет никакого отношения к членораздельной речи – она приспособлена именно для рева, причем как можно более низкого и грубого. Когда самец ревет, его гортань смещается еще ниже; ременные мышцы, идущие от грудины к щитовидному хрящу гортани и далее к подъязычной кости, перед гоном гипертрофируются под воздействием стероидных гормонов. Когда самец ревет, эти мышцы оттягивают гортань еще ниже (положение гортани становится ниже, чем у человека), тем самым увеличивая столб воздуха в полости глотки над голосовыми связками, что и приводит к понижению тона голоса. В системе голосового тракта объем и длина его глоточного отдела в два раза превышает такие же параметры ротового отдела. У благородных оленей гортань опускается до уровня верхнего края грудины – то есть до самого низкого из всех возможных положений.

Низкочастотные звуки распространяются дальше, чем высокочастотные, и, возможно, опущение гортани создавало самцам большие эволюционные преимущества, так как их рев слышался издалека. Проблема, однако, заключается в том, что рев этот предназначен для ушей соперников, которые находятся в непосредственной близости от ревущего самца. Альтернативное объяснение: особо низкий голос говорит о крупных размерах тела. Удлиняя голосовые связки, олень (разумеется, неосознанно) преувеличивает свои размеры в глазах соперников.

Представляется, что есть и другие млекопитающие, которые оттягивают книзу гортань, подвешенную на весьма эластичных мембранах и связках. Нет ничего удивительного в том, что к таким животным относятся ревущие звери – львы, тигры, а также трубящие слоны. Может показаться, что обсуждаемая особенность не имеет прямого отношения к нашей теме, но тем не менее все это очень важно для эволюции человека, потому что означает – для опущения гортани есть и другие веские причины, помимо формирования способности к членораздельной речи. Как оказалось, человеческая гортань находится ниже, чем это необходимо для прямоходящего двуногого существа, череп которого покоится на верхнем конце вертикально ориентированного позвоночного столба и отличается укороченной лицевой частью. Однако, даже если нам удастся точно установить, когда гортань человека опустилась в свое нынешнее положение, мы все равно не сможем быть на сто процентов уверены в том, что это изменение стало приспособлением именно для членораздельной речи. Возможно, опущение гортани помогло человеческим самцам преувеличивать свои размеры, как это делают другие млекопитающие. Потому что, насколько мы можем судить, ни олени, ни львы, ни тигры, ни слоны говорить не умеют.

Щитовидный хрящ гортани

Возможно, эти млекопитающие подсказывают нам, почему у человеческих самцов развился низкий голос. Возможно, так произошло потому, что женщины предпочитали более низкие голоса (и, вероятно, предпочитают до сих пор), как подсказывает нам «эффект Барри Уайта»[8]. Недавно проведенное в Абердинском университете исследование показало, что женщины не только предпочитают низкие голоса, но и лучше запоминают информацию, если она была произнесена низким мужским голосом. Вполне вероятно, что мужчины, как и самцы оленей, стали говорить низкими голосами, чтобы преувеличить свои габариты и тем самым отпугнуть соперников. Представляется, что мужчины на подсознательном уровне превосходно чувствуют и верно оценивают высоту своего голоса. У них есть определенный естественный тембр голоса, но при необходимости мужчина может его менять, делая более низким.

В ходе одного исследования, проведенного в Питтсбургском университете, 111 студентов-мужчин приняли участие в игре в свидание, для чего исследователи записывали их голоса. Сначала каждого студента просили прочитать отрывок из какого-нибудь произведения, чтобы записать образец «нормального» голоса. Потом студенту говорили, что он будет конкурировать с «соперником», находящимся в соседней комнате, за право на свидание с женщиной, находящейся в третьей комнате. Таким образом записывали разговор добровольца-студента с соперником. После этого студенту предлагали заполнить анкету, в которой его спрашивали о том, насколько доминантной личностью он себя чувствовал.

Самым интересным результатом этого исследования оказалось то, что в тех случаях, когда студент считал, что он физически сильнее своего соперника, находящегося в соседней комнате, он (испытуемый) начинал говорить более низким голосом. Если же студент не был уверен в своем физическом превосходстве, то он непроизвольно повышал тон. Этот результат позволяет предположить, что мужчина, во-первых, способен оценить физическую силу собеседника только по его голосу, и, во-вторых, модулирует свой голос в соответствии с этим представлением.

Пожалуй, это имеет определенный смысл, особенно если мы вспомним ревущих самцов благородных оленей. Если мужчина думает, что он доминирует, то подчеркнет свое доминирование понижением голоса, чтобы устрашить соперника и избежать конфликта. Посыл здесь следующий: он собирается получить девушку и нет никакого смысла драться из-за этого. Если же мужчина считает себя более слабым, чем соперник, то он непроизвольно повышает голос, говоря тем самым: не стоит со мной драться, ты и так победил, брат.

Соперничество за полового партнера предполагает нечто большее, нежели просто стремление быть привлекательным для женщин, оно вовлекает в состязание представителей обоего пола. В этом случае низкий голос помогает мужчине исключить из борьбы других, очевидно более слабых мужчин, и к тому же стать более привлекательным в глазах представительниц противоположного пола. Это беспроигрышная стратегия, если, конечно, вы не исключение из правил – отлично сложенный мужчина с приятным тенором или женщина, предпочитающая Джастина Тимберлейка или Джона Леннона Джиму Моррисону или Эдди Веддеру.

Голос из жабр

Забудем на время о недавней эволюции человека и совершим более далекое путешествие вглубь тысячелетий, чтобы выяснить, где, у кого и когда впервые появилась гортань. Гортань имеется только у позвоночных, чьи предки вышли из воды на сушу. У рыб нет гортани. Но как она развилась? Анатомические структуры не появляются ниоткуда, словно по мановению волшебной палочки. У каждого органа должны быть предшественники, нечто, что могло бы удвоиться, измениться или получить какое-нибудь дополнение. Так откуда же в таком случае взялась гортань?

Некоторые признаки можно найти у взрослых позвоночных животных, но четкий ответ на этот вопрос можно получить только при анализе развития эмбрионов. Этот анализ приведет нас к истокам происхождения позвоночных и к блуждающим клеткам, которые возникают в гребне сросшейся нервной трубки. Клетки нервного гребня после миграции оказываются в самых разных местах организма – в коже, сердце и надпочечниках, и это далеко не полный список. Некоторые клетки нервного гребня оказываются в ткани, окружающей глотку, и превращаются в опорные скелетные структуры. Они формируют так называемый висцеральный, или лицевой, череп, то есть скелет лица и других твердых структур шеи. Причем не надо думать, что скелет – это исключительно костное образование: часть скелета образуют хрящи, даже у взрослого человека. Хрящи выстилают стенки полостей суставов; посредством хрящей ребра прикрепляются к грудине; хрящи образуют скелет гортани, мы уже познакомились с его элементами – щитовидным, перстневидным, черпаловидными хрящами, с надгортанником. Есть и другие, более мелкие хрящи, о которых мы здесь говорить не будем.

У большинства рыб к лицевому черепу относятся кости и хрящи, формирующие опорные структуры челюстей и жабр.

На рисунке ниже изображен висцеральный череп взрослой акулы, включая хрящ Меккеля, образующий переднюю часть нижней челюсти. Ниже подъязычно-нижнечелюстной хрящ прикрепляет челюсти к ушной капсуле черепа (где находятся полукружные каналы, такие же, в принципе, как и у нас), а под ними расположен ряд хрящевых опорных дуг, на которых держатся жабры. Акулы и скаты являются хрящевыми рыбами – весь их скелет состоит из хрящей, которые никогда не превращаются в кости.

Строение висцерального черепа очень сходно у костных рыб (к которым относятся почти все остальные рыбы, за исключением акул, а также скатов), но, хотя все его структуры зарождаются у эмбрионов рыб в виде хрящей, со временем эти хрящи оссифицируются, то есть превращаются в кость. Помимо того что хрящ Меккеля сам превращается в кость, он одевается новым слоем костной ткани, которая развивается непосредственно из мезенхимы (недифференцированной эмбриональной ткани), минуя стадию хряща – в точности так же, как плоские кости свода черепа. Челюсти и подъязычная кость рыб, вместе с хрящевыми или костными дугами, служащими опорой жабрам, развиваются из жаберных дуг, расположенных по обе стороны шеи эмбриона рыбы.

Два изображения челюстей и жабр акулы; вид слева (вверху) и снизу (внизу)

В связи с этим следует отметить интересный факт: у пятинедельного человеческого эмбриона есть структуры, поразительно напоминающие жаберные дуги [9], которые, правда, так и не развиваются в жабры. Это очень досадно, потому что, например, я очень бы хотела уметь дышать под водой. Так что же происходит с нашими зачаточными жаберными дугами? Можно, конечно, предположить, что это всего лишь рудименты, унаследованные от далеких предков; однако, как выяснилось, все обстоит намного сложнее и интереснее. Несмотря на то что жабры могут показаться совершенно лишней деталью у дышащих воздухом существ, они (жабры) не просто бесследно исчезли.

* * *

Мы оставили человеческий эмбрион на четвертой неделе развития, как раз в тот момент, когда у него в результате смыкания краев нервного желобка формировалась нервная трубка, а края трехслойного зародышевого диска начали подворачиваться вниз. В конце концов эти края встречаются на средней линии и, вместо плоского бутерброда, образуют систему вложенных друг в друга трубок. После преображения трехслойного диска будущий человек в возрасте четырех недель выглядит как некое подобие животного, имеющего голову и хвост. Эктодермальный листок зародышевого диска теперь покрывает все тело эмбриона, а не только его спину. Энтодерма дает начало оболочке, выстилающей изнутри кишку, и этот слой так и остается внутри зародыша, не показываясь на его поверхности спереди. Между эктодермой и энтодермой находится «начинка сэндвича» – мезодерма. Теперь внутри эмбриона закипает настоящая кулинарная работа в соответствии с заложенными в программе рецептами, но эмбриону предстоит сделать нечто куда более сложное, нежели любому ведущему популярной кулинарной передачи.

Возможно, в это пока трудно поверить, но эти три вложенные друг в друга цилиндра представляют собой основу строения человеческого тела. Наружная трубка со временем превращается в кожу (эпидермис). Внутренняя трубка становится пищеварительным трактом – от ротовой полости до заднего прохода. А мезодерма, расположенная между кожными покровами и стенкой кишечника, превращается во все остальное – внутренние органы, кости и мышцы.

Пятинедельный человеческий эмбрион

Эмбрион между тем не теряет времени даром, и если вы посмотрите на него в возрасте пяти недель, то увидите, что с ним начинают происходить и другие, весьма интересные вещи. В верхнем отделе шеи появляются жаберные или глоточные дуги: по пять на каждой стороне тела. Жаберные дуги хорошо видны снаружи, а их внутренние поверхности обрамляют глотку – верхний отдел кишечной трубки плода. Наружная поверхность жаберных дуг одета той же оболочкой, что и все остальное тело эмбриона – эктодермой. Внутренняя поверхность жаберных дуг выстлана энтодермой. Между этими двумя слоями расположена рыхлая эмбриональная ткань, мезенхима, которая частично происходит из мезодермы, а частично – из клеток нервного гребня. Эта мезенхима развивается в хрящевые пластинки и мышцы, а помимо этого, каждая жаберная пластинка содержит артерию и нерв.

У рыб все эти структуры развиваются и становятся неотъемлемой частью жабр: хрящи поддерживают жабры; артерии доставляют лишенную кислорода кровь от сердца к капиллярам жаберных лепестков и пластинок, где кровь насыщается кислородом, а затем поступает в крупную артерию, идущую вдоль позвоночника, – в дорсальную аорту. Часть мезенхимы эмбриональной рыбьей жаберной дуги превращается в мышцы, которые открывают и закрывают жабры. Нерв, проходящий внутри каждой жаберной дуги, иннервирует эти мышцы, а также обеспечивает чувствительность жабр.

Поперечный разрез глотки и жаберных дуг человеческого эмбриона

Ни мне, ни вам такой жаберный аппарат не нужен. Когда наши рыбообразные предки выползли на сушу, им пришлось изобретать новый способ извлечения кислорода из окружающей среды, и они сменили жабры на легкие. За непомерно долгое время эволюции жаберные дуги и все их содержимое стало объектом изменений, приведших к совершенно иному использованию этих зачатков в дальнейшем развитии. Так действует мельница эволюции – ничто не должно пропасть, надо просто придумать старой ненужной вещи новое применение. Специалист по эволюционной биологии Стивен Джей Гоулд использовал следующую аналогию: изготовление сандалий из старых автомобильных покрышек – то, что предназначалось для какой-то вполне определенной цели, можно использовать и для другой. В данном случае то, что когда-то было жабрами, пошло на «изготовление» гортани.

Артерии жаберных дуг несут кровь от сердца в две дорсальные аорты, которые, сливаясь, образуют затем одну аорту, расположенную ниже

Проследив судьбу хрящей двух нижних жаберных дуг человеческого эмбриона, ученые выяснили, что они превратились в хрящи гортани. Мышцы, которые открывали и закрывали жабры у наших предков рыб, стали мелкими мышцами гортани, включая и те, что движут голосовые связки. Нерв, иннервирующий эти мышцы, является одним из самых каверзных нервов в человеческом теле.

U-образный изгиб гортанного возвратного нерва

Десятый черепной нерв (называемый также блуждающим) выходит из основания черепа и проходит вниз по шее, отдавая ветвь к гортани. Однако эта ветвь не идет сразу к гортани по кратчайшему расстоянию, что было бы логично; вместо этого ветвь продолжает спускаться вниз по шее, входит в грудную клетку, а затем, сделав U-образный изгиб, поднимается вверх и только после этого входит в ткани гортани. Этот гортанный нерв поэтому так и называют: возвратным гортанным нервом.

Странная траектория, которую описывает возвратный нерв у взрослого человека, является одной из самых больших загадок анатомии человека. Между прочим, еще более странно и необычно эта ветвь выглядит у жирафа – у него возвратный нерв совершает долгий путь вниз, а затем вверх, вдоль длинной жирафьей шеи. Действительно, по какой такой причине нерв сбивается с пути, уходит в грудную клетку, а потом, словно опомнившись, делает петлю и возвращается назад, к гортани, хотя кратчайший горизонтальный путь был бы намного эффективнее? На самом деле возвратный нерв именно так сначала и расположен на ранней стадии развития эмбриона. Но, помимо нерва, есть и другие анатомические структуры жаберных дуг, которые сильно усложняют картину. А все дело в том, что жаберные артерии соединяют сердце эмбриона с аортой.

Отметим, что ваше сердце начинает развиваться в шейной области эмбриона. Когда нервы начинают расти в направлении мышц гортани, они проходят под самой нижней из артерий, соединяющих сердце с аортой. Много позже сердце эмбриона опускается в грудную клетку, увлекая за собой эти артерии, а с ними и гортанные нервы. Артерии изменяют свою конфигурацию и встраиваются в новое анатомическое окружение, но нервы оказываются в груди как в капкане – один (слева) под изгибом дуги аорты, а второй (справа) под подключичной артерией (которая дает начало артериям правой руки).

Эта необычность анатомического строения представляется избыточно сложной – если только не знать эмбриологию; если же прибегнуть к ее данным, то все сразу становится на место и обретает смысл. А если посмотреть на ситуацию с эволюционной точки зрения, то все оказывается еще понятнее. Ни одно животное не «проектируется» с чистого листа, на самом деле тело животного строится путем небольших изменений в предшествующих формах. В особенности это касается кровеносных сосудов и нервов – подобный подход объясняет их чрезвычайно сложное и запутанное строение у взрослого организма; ведь перед нами клубок электрических проводов или водопроводных труб, местоположение которых корректировалось на протяжении многих миллионов лет. Если, например, вы покупаете старый дом с массой спутанных проводов и невесть как уложенных водопроводных труб, то вы, конечно, можете разом все заменить. Однако эволюция не может позволить себе такой роскоши; ни один организм нельзя сразу лишить старых, еще работающих систем и поставить на их место абсолютно новые. Конечно, это усложняет анатомическое строение, зато наше тело может сообщить нам невероятно интересные сведения о нашем древнем эволюционном прошлом.

Левый гортанный возвратный нерв ответвляется от блуждающего нерва, делает изгиб под дугой аорты и поднимается вверх к гортани

Челюстные суставы и слуховые косточки

Другие жаберные дуги тоже могут поведать нам исключительно увлекательную с точки зрения эмбриологии и эволюции историю. Так, первая жаберная дуга может рассказать очень древнюю сагу, потому что у большинства рыб она уже имеет парную структуру. Глядя на эмбриональное развитие челюстей у рыб, мы можем живо представить себе эволюционный сценарий, согласно которому предковые формы рыб, которые питались, фильтруя планктон из морской воды, имели одинарную первую жаберную дугу. Эта жаберная дуга была вынуждена «сломаться» пополам посередине и превратиться в пару челюстей. Так и получилось, что первая жаберная дуга образовала верхнюю и нижнюю челюсти с шарниром в середине: нижнечелюстным суставом. Хрящевая пластинка нижней части первой жаберной дуги, из которой сформировалась нижняя челюсть, названа по имени ее первооткрывателя – хрящом Меккеля.

Первая жаберная дуга сыграла также важную роль в истории некоторых групп рептилий, из которых впоследствии развились млекопитающие. Эти рептилии претерпели ряд невероятных превращений, поменяв чешую на шерсть и сформировав молочные железы, а затем, после долгой эволюции, отказались от откладывания яиц и перешли к живорождению, став прародителями современных млекопитающих. В челюстях и ушах ранних млекопитающих произошли и другие, возможно менее заметные внешне, но столь же важные изменения.

У рептилий есть только одна косточка, соединяющая барабанную перепонку с окном улитки внутреннего уха. Эта косточка эквивалентна стремени человеческого среднего уха. Но люди, как и все остальные млекопитающие, располагают еще двумя слуховыми косточками в каждом ухе – молоточком и наковальней, при том что у нас сохранилась и более древняя структура – стремя. Новая система среднего уха, состоявшая из трех слуховых косточек, связавшая барабанную перепонку с улиткой, давала млекопитающим важное преимущество, так как позволяла слышать звуки более высокой частоты, чем могли слышать рептилии. Это и в самом деле очень полезная способность, если вспомнить, что млекопитающим приходилось под покровом ночи тихо подкрадываться к насекомым и одновременно прислушиваться, пытаясь избежать печальной участи быть съеденными более сильными хищниками, которые обитали в то время на планете. Вспомним, что млекопитающие возникли тогда, когда на земле безраздельно господствовали динозавры.

Мы можем проследить, откуда в ходе эволюции взялись эти две новые косточки, присмотревшись к их эмбриональному развитию. Обе слуховые косточки развились из первой жаберной дуги. То есть они возникли из тех структур, из которых у рептилий развиваются челюсти. Млекопитающие смогли воспользоваться этим древним челюстным суставом для того, чтобы из его материала создать две новые косточки – слуховые, «изобретя» при этом полностью новый челюстной сустав, который и заменил прежний, свойственный рептилиям.

Тем не менее все это не дает разгадки нашей эволюционной головоломки. На первый взгляд, это кажется каким-то невообразимым фокусом, магией, ловкостью рук: «Сейчас на ваших глазах, почтеннейшая публика, старый челюстной сустав переместится в ухо, а на его месте возникнет новый!» Неужели в природе эта замена действительно произошла мгновенно, как в цирке? С точки зрения эволюции это так и выглядит – как выдергивание скатерти из-под стоящего на столе чайного сервиза. Однако с биологической точки зрения представляется весьма маловероятным, чтобы новый челюстной сустав мог появиться точно в то же самое время, когда природа похитила старый челюстной сустав, чтобы превратить его в пару дополнительных слуховых косточек.

Это оставалось полнейшей загадкой до открытия маленького животного, морганукодона, раннего млекопитающего, жившего около 205 миллионов лет назад (в триасе). Многочисленные окаменелые остатки этого мелкого, похожего на землеройку зверька были впервые обнаружены близ местечка Гламорган в Уэльсе. Название «морганукодон» (по латинскому названию этой местности) означает «Гламорганский зуб», что похоже на название какой-нибудь страшной болезни. У морганукодона была весьма необычная челюсть. Нижняя челюсть сочленялась с верхней в двух местах с каждой стороны. У этого млекопитающего зубы отличались от зубов его предков – рептилий: зубы морганукодона при раскусывании пищи скользили относительно друг друга. Такое скольжение может смещать нижнюю челюсть и даже грозит вывихнуть ее, и второй сустав мог предупреждать такое смещение. Но поскольку образовался новый челюстной сустав, старый впоследствии мог быть использован на «изготовление» части слухового аппарата. Морганукодон представляет собой живой анатомический мост между рептилиями, с их древними челюстными суставами и только одной слуховой косточкой, и млекопитающими – с новым нижнечелюстным суставом и двумя новыми слуховыми косточками. Загадка разрешилась, и, самое главное, в процессе всех этих трансформаций никто не остался без челюстей.

На самом деле в похищении элементов челюсти ради создания элементов уха не было ничего нового. Еще до того, как появились млекопитающие, пресмыкающиеся уже вовсю пользовались ворованным: хрящ подвески (гиомандибулярный хрящ) сочленяет нижнюю челюсть акулы с черепом; та же структура – только костная – существует и у костных рыб – это гиомандибула. У наземных животных верхняя челюсть становится костью, неподвижно сочлененной с черепом, и необходимость в дополнительной фиксации отпадает. Гиомандибула стала лишней, но осталась прикрепленной к ушной капсуле черепа, и именно из гиомандибулы возникло стремя.

К стремени прикреплена крошечная мышца. Это самая маленькая мышца в человеческом организме – стременная, а на звучной латыни – musculus stapedius. Когда эта мышца сокращается, она натягивает стремя и гасит его колебания. Это очень важный страхующий механизм: как только на ухо начинает действовать чрезмерно сильный звук, стременная мышца сокращается и предупреждает передачу высокоамплитудных колебаний на окно улитки, а значит, во внутреннее ухо и снижает риск повреждения волосковых клеток. Стремя – кость, эквивалентная гиомандибуле, к которой крепится нижняя челюсть рыб, а стременная мышца – это гомолог мышцы, которая открывает рот у рыб и рептилий.

Другие мышцы, происходящие из второй жаберной дуги эмбриона, так же, как стременная мышца, переместились на лицо. Мышцы, которые у наших предков-рыб управляли клапаном, прикрывающим жабры, стали у людей мимическими мышцами, включая мышцы, благодаря которым мы умеем улыбаться.

Самая важная мышца, дарящая нам лучезарную улыбку, – это скуловая мышца. Эта мышца действительно прикрепляется к скуловой кости и идет оттуда к углу рта. Мышцу иннервирует ветвь лицевого нерва, который иннервирует все мимические мышцы, а они, в свою очередь, все развиваются из второй жаберной дуги. Встаньте перед зеркалом и улыбнитесь – с обеих сторон лица скуловые мышцы потянут уголки рта кверху и в стороны. Если вы – один из тех людей, у кого большая скуловая мышца расщеплена, вследствие чего нижняя часть мышцы оканчивается в коже, при улыбке у вас на щеке образуется симпатичная ямочка.

Можно сделать улыбку шире; другие мышцы оттянут кверху верхнюю губу и опустят нижнюю, обнажив зубы. Постарайтесь улыбнуться еще шире, и тогда в действие придет мышца смеха, musculus risorius, которая еще дальше кзади оттянет уголки рта. Теперь попробуйте привести в действие только одну мышцу смеха: расслабьте мышцы лица, а затем оттяните назад уголки рта. Это порождает не улыбку, а неприятный оскал, иногда просто устрашающий.

Наши близкие сородичи, приматы, тоже располагают мимической мускулатурой, очень похожей на нашу и тоже возникшей из второй эмбриональной жаберной дуги. Все приматы способны скалить зубы, но, хотя в прошлом антропологи полагали, что это означает то же, что и наша улыбка, теперь многие специалисты утверждают, что эта мимика ближе к устрашающей гримасе. Недавние исследования позволили выявить достаточно сложную картину. Наверное, нет ничего удивительного в том, что «оскал зубов» означает разные эмоции у разных биологических видов. У некоторых макак это знак подчинения. У павианов и шимпанзе оскал зубов является умиротворяющим жестом и помогает установлению социальных связей, то есть действительно в какой-то степени является эквивалентом нашей человеческой улыбки. У шимпанзе, во всяком случае, оскал зубов и в самом деле напоминает человеческую улыбку: уголки рта поднимаются кверху, а губы открываются (хотя и несколько больше, чем у улыбающихся людей). Под кожей лица шимпанзе находятся точно такие же мышцы, что и у нас, включая скуловые мышцы и мышцы смеха. У шимпанзе существует также мимика, которую иногда называют «игровым лицом» (рот широко раскрыт, зубы спрятаны за губами), эквивалентная нашему смеху.

Тот факт, что шимпанзе могут улыбаться и смеяться, представляется очень важным, потому что шимпанзе являются самыми близкими из всех наших ныне живущих родственников. Это означает, что, вероятно, наш общий предок тоже улыбался и смеялся и что подобное проявление эмоций можно проследить вглубь истории более чем на 7 миллионов лет, когда наши предки еще были человекообразными обезьянами, обитавшими в тропических лесах. Мы даже можем понять, как улыбка способствовала выживанию наших предков. Когда мы охвачены отрицательными эмоциями, мы склонны ограничивать наше внимание непосредственно окружающим нас миром (что, вероятно, полезно при кратковременной угрозе); положительные эмоции, наоборот, помогают нам мыслить более широко и вести себя более гибко, что способствует выживанию в долгосрочной перспективе. Психологи выяснили, что людям свойственна широта и творчество мышления, когда они счастливы и улыбаются. Но почему полезно выражать свое счастье мимикой? На это можно ответить, что одной из принципиальных особенностей человека, лежащих в основе успешности нашего биологического вида, является способность свободно обмениваться идеями и создавать сложную общественную культуру. Если улыбки и смех действуют как своего рода «социальный цемент», то они помогают нам и обмениваться идеями. Тем не менее мы – не единственные животные, умеющие улыбаться.

Почти жаберная щель

Ознакомившись со всеми превращениями эмбриональных элементов и их нацеливанием на другие функции, вы, вероятно, думаете, что на поверхности нашего тела не осталось и следов этих эмбриональных структур. На самом деле сами жаберные дуги (за исключением пятой, которая у человека сначала ненадолго появляется, а потом исчезает) становятся элементами челюстей и шеи, а бороздки и щели между ними сглаживаются и исчезают. Однако это не совсем так. Одна борозда остается, правда, выглядит она не как борозда, а как глубокая полость. Речь идет о наружном ухе.

Ваше ушное отверстие, или, используя анатомический жаргон, наружный слуховой проход, – это то, что остается от первой жаберной щели – борозды между первой и второй жаберной дугой. У рыб каждая жаберная щель растет внутрь, до слияния с жаберным карманом, который растет навстречу, то есть кнаружи из развивающейся глотки. При слиянии этих полостей образуется жаберная щель. Вода, поступающая в рот рыбы, протекает сквозь жаберные щели, насыщает кислородом кровь жаберных капилляров, напитывающихся кровью из артерии жаберной дуги.

Жаберные щели абсолютно не нужны животному, дышащему исключительно воздухом, но зато наземному животному необходимо ухо – для того, чтобы преобразовывать воздушные звуковые волны в колебания жидкости внутри улитки. У человеческого эмбриона первая жаберная борозда и первый жаберный карман – с каждой стороны головы – углубляются навстречу друг другу, так же, как это происходит у эмбриона рыб, у которых в результате слияния двух карманов образуется общая полость. Но у человека, несмотря на то что оба туннеля подходят очень близко друг к другу, между ними остается мембрана, и эта мембрана называется барабанной перепонкой.

Внутри жаберного кармана образуется воздухоносная полость среднего уха, и эта полость сообщается с глоткой узкой евстахиевой трубой (слуховой трубой). Эта труба очень важна, так как позволяет уравновешивать давление воздуха по обе стороны от барабанной перепонки – то есть в среднем ухе и в наружном слуховом проходе, который напрямую сообщается с атмосферным воздухом. Если такое уравновешивание окажется невозможным, то уменьшение внешнего атмосферного давления, например при восхождении на гору или при полете на самолете, приведет к опасному выпячиванию наружу барабанной перепонки, так как давление в среднем ухе окажется выше давления атмосферного. Евстахиева труба очень узкая и в норме закрыта, поэтому выпускает воздух в глотку только в тех случаях, когда повышается давление в среднем ухе. При этом в ухе раздается «щелчок». Если же щелчок не звучит самопроизвольно, его можно вызвать искусственно, воспользовавшись тем, что даже у взрослого человека уши и челюсти непосредственно связаны друг с другом. Если открыть рот, словно собираясь зевнуть, то слуховая труба откроется. Так как труба открывается в глотку, то глотание, вызывающее сокращение мышц глотки, тоже помогает евстахиевой трубе открыться.

Другие жаберные борозды, расположенные под первой, которая образует наружный слуховой проход, в норме полностью исчезают. Однако в эмбриологии все часто «идет не так»: некоторые структуры не образуются или вырастают слишком большими, а иногда анатомические образования эмбриона, которые в норме исчезают, сохраняются и у взрослого организма. Вторая жаберная дуга обычно разрастается и поглощает вторую, третью и четвертую щели, но если этого не происходит, то у человека сохраняется канал, называемый жаберным свищом, образующим кисту на шее (чаще с одной стороны). В таких случаях создается впечатление, что жаберная борозда просто забыла, что у человека ей не надо становиться жаберной щелью.

Фон Бэр и генетика

Жаберные хрящевые пластинки – одно из самых наглядных доказательств ошибки Геккеля и правоты фон Бэра. Человеческий эмбрион никоим образом не похож на взрослую рыбу, но он определенно напоминает эмбрион рыбы, по крайней мере в области шеи. Ученые очень неохотно признают данный факт, так как это может означать определенное признание теории рекапитуляции. В современных учебниках по эмбриологии глава «Голова и шея» начинается с объяснения того, почему в приложении к человеческому эмбриону речь идет не о «жаберных дугах», а о «глоточных дугах». Однако здесь авторы попадают прямо в ловушку рекапитуляции, повторяя как раз ошибку Геккеля – то есть уравнивая эмбриологические структуры «высших животных» с анатомическими структурами взрослых «низших» форм:

Наиболее характерным признаком в развитии головы и шеи является присутствие глоточных дуг (старый термин для обозначения этих структур – жаберные дуги, потому что они в какой-то степени напоминают жабры рыб).

Но то, что мы видим, – это не жабры взрослой рыбы, а именно жаберные дуги, предшественницы жабр рыбьего эмбриона. При сравнении человеческого эмбриона с эмбрионом акулы становится ясно, что дуги человеческого эмбриона не просто «в какой-то степени напоминают» акульи эмбриональные жаберные дуги – они практически одинаковы. Эта невероятная схожесть очень важна, потому что эти структуры являются истинными гомологами, они выглядят одинаково, потому что, по сути, идентичны, так как унаследованы нами и акулами от нашего общего предка. Эта схожесть – не чисто внешняя. Как мы уже видели, есть возможность проследить судьбу этих тканей – хрящей, мышц, нервов и кровеносных сосудов, – которые развиваются в каждой жаберной дуге человеческого эмбриона и благодаря этому понять, откуда и как они произошли. Если копнуть глубже, то мы сможем идентифицировать гены, которые включаются, чтобы осуществить сегментацию жаберных дуг.

Хрящи, составляющие жаберные дуги, образуются из клеток нервного гребня, расположенных рядом с будущим задним мозгом в нервной трубке. Эти клетки нервного гребня мигрируют в жаберные дуги, а оказавшись там, реагируют на химические сигналы клеток энтодермы, выстилающей внутреннюю поверхность дуг. Под действием этих сигналов из клеток нервного гребня начинает формироваться костная ткань. Но тип костной ткани зависит от экспрессии собственных генов клеток нервного гребня, то есть генов, которые были включены до того, как клетки гребня покинули область заднего мозга. Эти гены имеют очень давнюю эволюционную историю. Они называются гомеозисными (Hox) и отвечают за формирование особенностей тех или иных сегментов тела. Эти гены определяют тип строения не только жаберных дуг, но и всего тела – от шеи до хвоста. Однако, если мы хотим понять суть работы наших Hox-генов, нам придется углубиться в седую древность, на 800 миллионов лет назад, задолго до появления рыб, и познакомиться с предком, который одновременно был предком беспозвоночных, например, такого скромного насекомого, как плодовая мушка (дрозофила).

Жаберные дуги кошачьей акулы

Позвоночный столб и сегменты Лекало жизни и эволюция S-образного позвоночника

Большинство видов проходят собственный путь эволюции, каковой назначается им самой природой. Такой путь является наиболее естественным и органичным. Он пребывает в гармонии с загадочными циклами космоса, которые искренне уверены: ничто не может сравниться с миллионами лет, полными разочарований и ошибок, в конце которых вид обретает моральные силы, а в некоторых случаях даже хребет.

Терри Пратчетт. Мрачный жнец [10]

Плодовые мушки и происхождение позвоночника

Каждое лето миска с фруктами на кухне моего дома становится родным домом для небольшого семейства крошечных мушек. Думаю, что их яйца попадают ко мне с купленными в магазине бананами, а когда из яиц вылупляются мушки, они сами начинают размножаться. Правда, это их размножение никогда по-настоящему меня не беспокоило: мушек слишком мало для того, чтобы называть их присутствие «нашествием» (интересно, каким термином можно обозначить появление столь незначительного числа мушек – «легкой провокацией» или «налетом»), и к тому же мне нравятся эти миниатюрные насекомые.

За время изучения биологии в университете эти мушки стали для нас чем-то вроде домашних питомцев. На практических занятиях по генетике мы работали именно с ними, скрещивая разные породы: мушек с длинными крыльями и мушек с короткими крыльями, мушек с белыми глазами и мушек с красными глазами. У некоторых дрозофил тело коричневое, а у других – желтое. Это идеальные создания для изучения связи между генами и внешними признаками, или, говоря по-научному, – между генотипом и фенотипом.

Плодовые мушки дрозофилы известны своим огромным вкладом в генетику. Все началось на заре ХХ века в лаборатории Колумбийского университета. В 1909 году специалист по эволюционной биологии Томас Хант Морган, которому до смерти надоело заниматься выяснением механизмов регенерации червей и эмбрионального развития лягушек, обратился к изучению наследственности, используя в качестве модели скромных, незаметных дрозофил. Морган получал мух-мутантов, и некоторые мутации передавались по наследству, проявляя менделевское расщепление – классическое соотношение доминантных и рецессивных фенотипов 3:1. За несколько десятилетий до того, как были расшифрованы молекулы, кодирующие гены, Морган своими работами доказал, что ведущую роль в передаче наследственной информации играют хромосомы и что гены располагаются вдоль хромосом в линейной последовательности. За свои пионерские работы Морган в 1933 году был удостоен Нобелевской премии, а дрозофилы с тех пор надолго застолбили свое привилегированное место в генетических лабораториях.

В 1970-х годах генетики научились секвенировать гены, используя для этого хроматографию. После этого были разработаны методы флуоресцентного мечения строительных блоков ДНК и процесс определения последовательности этих строительных блоков в ДНК был автоматизирован. Я однажды снялась в фильме, посвященном работе лаборатории, занимающейся секвенированием ДНК, и телевизионщики были очень недовольны процессом работы, который оказался невероятно скучным: лаборатории битком набиты белыми ящиками, стоящими на полках, и процесс определения последовательности блоков ДНК протекает именно в них, оставаясь невидимым для посторонних глаз, и проходит без участия человека, в автоматическом режиме.

Когда последовательность генов дрозофилы была полностью выяснена, плодовая мушка неожиданно выдала поразительную генетическую тайну. Дело в том, что одна группа мух-мутантов всегда особенно интересовала генетиков. У этих мутантов наблюдали смещение частей тела: иногда брюшные сегменты оказывались в области головогруди, или у мутантов было два набора крыльев вместо одного, или ноги росли из головы вместо привычных антенн. В конце XIX века английский эмбриолог Уильям Бейтсон ввел термин для обозначения трансформации одной части тела в другую: гомеозис. Генетики занялись мутациями ДНК, вследствие которых появлялись столь необычные особи, и обнаружили «гомеозисные гены», которые управляют образованием и дифференцировкой определенных сегментов и в эмбрионах нормальных особей. В экспериментах, по ходу которых у мутантов удаляли все гомеозисные гены, в результате получались странные личинки с совершенно одинаковыми сегментами. Особенно интересно было выяснить положение этих генов в ДНК дрозофилы. Большинство генов разбросаны по геному совершенно случайным образом, и даже те гены, которые работают в тесном согласии друг с другом, могут располагаться даже в разных хромосомах. Но гомеозисные гены всегда расположены на одной хромосоме, причем в той же последовательности, как и кодируемые ими фенотипические признаки, – они проявляются в определенной последовательности по длине тела от головы до хвоста.

Гомеозисные гены преподнесли генетикам еще один сюрприз: когда гены были секвенированы, то оказалось, что каждый из них содержал одну идентичную короткую последовательность ДНК, включавшую около 180 пар оснований. Эту последовательность назвали «гомеобоксом», или сокращенно Hox-генами. Эти гены являются «контролирующими», они направляют деятельность других генов. Гомеобокс играет решающую роль в этом контроле – он кодирует белок, способный связываться с молекулой ДНК.

Однако подлинный сюрприз заключался в том, что гены Hox не только контролируют проявления фенотипических признаков у мух-дрозофил. Эти гены присутствуют в геномах всех насекомых и даже всех членистоногих. Есть эти гены и у червей. Более того, эти гены присутствуют у всех животных с сегментированным строением тела, включая и позвоночных. Это говорит о невероятной древности Hox-генов: наш последний общий с дрозофилами предок с этими генами жил около 800 миллионов лет назад. И хотя плодовые мушки дрозофилы – наши очень отдаленные родственники, все же основной план строения нашего тела также определяется Hox-генами на эмбриональной стадии развития.

Сходные Hox-гены контролируют строение сегментов тела у плодовых мушек и у человеческого эмбриона

У дрозофил и у других насекомых только один набор Hox-генов; их восемь, и они располагаются в один ряд, следуя друг за другом. Наш старый знакомец ланцетник обладает кластером из четырнадцати Hox-генов; однако дупликация (удвоение) отрезков генома у различных групп позвоночных привела к образованию нескольких таких кластеров. У млекопитающих таких кластеров четыре, и располагаются они в разных хромосомах.

Древность Hox-генов была подтверждена в 1986 году, когда группе ученых удалось расшифровать первый большой кластер этих генов у позвоночных. Было обнаружено, что порядок расположения генов зеркально отражает последовательность сегментов тела позвоночного животного – точно так же, как у плодовых мушек. Один из исследователей показал схожесть Hox-генов у позвоночных и беспозвоночных, чем подтвердил, что Hox-гены были унаследованы животными обоих типов от очень древнего общего предка. В 1990-х он доказал, что похожие гены отвечают за морфологическое строение конечностей. Этим ученым был швейцарский специалист по биологии развития Дени Дюбуль, и в январе 2013-го я побывала у него в гостях, в его доме в Женеве.

Мы встретились в его кабинете, расположенном в углу скромной бетонной башни – одного из корпусов Женевского университета. Из окна открывался вид на центр Женевы, обрамленной заснеженными горами. Ландшафт из низких строений (высота зданий в Женеве ограничена законом) оживлялся высокой, облицованной стеклом телевизионной башней.

Большой стол был уставлен разнообразными научными диковинками, включая скелет опоссума (он очень похож на скелет мартышки, если не считать, что у сумчатого животного не замкнуто костное кольцо глазницы, а в области таза есть дополнительная кость); скелет змеи, уложенный в стеклянный эксикатор; несколько сосудов со скелетами мышиных эмбрионов – ализарином были в красный цвет окрашены кости, а метиленовой синью – хрящи; на подставке красовался скелет лягушки, а в высоких цилиндрах я увидела заспиртованных животных – рыб и ящериц.

К стене была подвешена весьма оригинальная скульптура, элементы которой я тотчас узнала. Думаю, что каждый биолог в мире хотя бы раз в жизни получал в качестве непрошеного подарка экземпляр печально известного «Атласа творения» Харуна Яхья [11]. Свой экземпляр я получила, работая в Бристольском университете. Это объемистый том, украшенный великолепными, просто роскошными иллюстрациями, в котором четко и последовательно проводится мысль о ложности теории эволюции. Одно из доказательств звучит так: если в наше время на Земле живут существа, похожие на ископаемых животных, то это значит, что Дарвин ошибался. В книге преднамеренно искажается теория эволюции посредством естественного отбора, но тем не менее она производит неизгладимое впечатление качеством печати и богатым переплетом, и поневоле приходишь в ужас при мысли о гигантских суммах, потраченных на печать и распространение этого опуса. Мой экземпляр долго лежал у меня на столе. Я использовала его как пресс для бумаг некоторое время, потом стала заменять им скамеечку для ног, и в конечном счете отправила в специальный контейнер для макулатуры.

Дени намного лучше распорядился своими экземплярами печально известного атласа. Остатки нескольких книг висели на стене. Каждый том был аккуратно порезан на треугольники и трапеции, страницы в которых были скреплены винтами, чтобы их было невозможно открыть (Дени объяснил мне, что именно так французы обходятся с плохими книгами). Конструкции на проволоке были подвешены к кронштейнам. Такое решение оказалось, конечно, куда более изобретательным, чем мое. Это был чисто эволюционный подход к утилизации ненужных вещей – превратить носитель устаревших идей в предмет искусства.

Дени несколько десятилетий изучал Hox-гены, определяющие строение, или, как говорит сам Дени, – архитекторы тела. Он описал мне, как они работают. Дело обстоит так, что строение соответствующего сегмента определяет не один ген из кластера, а их совокупность. Гены действуют не по отдельности, а совместно, и для построения каждого следующего сегмента к действующим генам присоединяется еще один. Так Hox-гены работают у дрозофилы, и так же работают они в человеческом эмбрионе. Самым наглядным результатом такой согласованной работы Hox-генов у взрослого человека является позвоночник. Эти гены определяют различия в строении отделов позвоночника – шейного, грудного, поясничного и крестцового, а также различия между соседними позвонками в одном и том же отделе.

В углу кабинета, на полу, стоял стеклянный сосуд. Дени снял с него крышку и извлек заспиртованную самку питона. Это была очень красивая особь – длинная, изящная и тонкая – размером около 70 см. У самки питона оказалось больше позвонков, чем у человека, но я была весьма удивлена тем, что у нее столько же генов Hox, сколько и у меня, а именно 39.

– Поразительно, что у нее столько же генов, сколько и у меня, – сказала я. – Но почему у змеи больше позвонков? Как так получается?

– Сигнал сформировать конец тела, – начал объяснять Дени, – а этот конец у змеи расположен у клоаки (терминального отдела кишки), поступает не сразу, а с некоторым запаздыванием, и при развитии тела змея строит один сегмент за другим – их образуется около 250 – до того момента, когда гены Hox наконец говорят «хватит». После этого остается только сформировать хвост.

Есть и еще одна существенная разница в базовом строении тела между человеком и змеей. Подобно другим четвероногим (амфибиям, рептилиям, птицам и млекопитающим), у меня имеются конечности.

– Те же гены, что контролируют сегментацию тела, кодируют и сегментацию конечностей, – сказал Дени. – И для завершения роста пальцев служит тот же сигнал, что завершает удлинение тела.

Мы поговорили о сложности подобной программы развития; о том, что один ген может направлять развитие разных отделов эмбриона, и это исключает свободную модификацию развития. Морфологические ограничения связывали воедино разные сегменты и придавали смысл всей структуре организма в целом. Однако помимо морфологических ограничений, имеют место и ограничения на генетическом уровне, так как один ген выполняет далеко не одну какую-либо функцию в каком-то одном месте в определенное время.

Это стало одним из самых поразительных открытий в ходе расшифровки человеческого генома. Все были удивлены тем, что на самом деле у нас не так уж много генов. «У нас их не больше, чем у дрозофилы, – рассказывал Дени. – Педиатры были, например, потрясены тем, что развитие разных частей организма может контролироваться одними и теми же генами. Так что, если нарушение касается, скажем, пальцев рук или ног, то надо исследовать и гениталии, потому что нарушение может проявиться и там».

Мне тогда подумалось, что, хотя, возможно, клиницисты и испытали потрясение, все же они должны были подозревать, что отдельные гены влияют на развитие большого числа частей организма. В конце концов, уже много веков известно, что наследственные синдромы включают в себя нарушения во многих областях тела. Теперь благодаря генетике появилась возможность прослеживать действия специфических генов, которые могут вызывать набор нарушений в разных, подчас удаленных друг от друга частях тела.

Мы также внимательно рассмотрели крошечные мышиные эмбрионы во флаконах. Мягкие ткани были сделаны прозрачными, а скелет окрашен в красный и синий цвета, чтобы было легче отслеживать действие индивидуальных генов, направляющих развитие эмбрионов.

– Экспериментальная работа очень кропотливая, – признался Дени. – Требуется два года на то, чтобы в организме произошли желательные для нас генетические изменения, и только после этого в эмбрионе мыши становятся заметными эффекты генных изменений. Не многие исследователи готовы ждать результатов так долго.

Однако кропотливый труд окупился: дефекты полученных в ходе генетических экспериментов эмбрионов показали роль нормальных генов в эмбриональном развитии. Консервативность всей системы Hox-генов позволяет предполагать, что развитие людей немногим отличается от развития мышей. Такие биологи, как Дени, подошли очень близко к пониманию программы, создающей структуру организма позвоночных, но одновременно приблизились и к пониманию того, как эти программы могут давать сбой.

Томас Хант Морган начал свою научную карьеру с изучения развития и регенерации, пытаясь разобраться в том, как именно происходит членение тела на структуры у эмбрионов и в регенерирующих конечностях, но затем переключил свое внимание на наследственность. Он сам был очень доволен тем, что выбранный им модельный организм – мушка-дрозофила – оказал такое могучее влияние на генетику. Мало того, скромная плодовая мушка помогла приблизиться к решению загадки, мучившей самого Моргана, – к раскрытию связей между генетикой и эмбриологией.

Развитие позвонков в эмбриогенезе

Здесь мы снова вернемся к крошечному человеческому эмбриону. Прошло всего четыре недели после зачатия, и эмбрион имеет размер около половины сантиметра. Теперь у эмбриона – все признаки хордового животного: хорда, полая нервная трубка и хвост. Кроме того, так же как и все эмбрионы позвоночных животных, эмбрион человека располагает жаберными дугами. По сторонам крошечной головы уже видны толстые, округлые плакоды, будущие хрусталики, которые скоро погрузятся внутрь глаз. Вдоль спины эмбриона тянется двойной ряд небольших возвышений, напоминающий расположенные рядом нитки бус.

Эти бугорки появились в ответ на внутренние сигналы, поступившие из расположенных в тех же бугорках клеток. Однако после этого в контакт с бугорками вступают и другие ткани. Естественно, они тоже говорят языком химических сигналов (морфогенов). Когда эти морфогены проникают в бугорок из окружающей ткани, клетки бугорка начинают дифференцироваться. У непосредственных предшественников позвоночных, таких как хайкоуэлла и ланцетник, хорда выступает как осевой стержень, на котором держится все тело животного. У позвоночных животных, таких как вы и я, роль опоры берет на себя последовательность костей, сочлененных между собой подвижными суставами и образующих гибкий позвоночник. В какой-то степени хорда сама способствует собственному отмиранию в процессе эмбрионального развития, так как посылает в бугорки (которые мы будем называть сомитами) сигналы, заставляющие их превращаться в части скелета – в данном случае в позвонки. Другие сигналы, поступающие из нервной трубки, приказывают клеткам верхних и наружных участков сомитов превращаться в предшественников дермы (глубинного слоя кожи) и мышц.

Все, что возникает из каждого бугорка, или сомита, иннервируется одним спинномозговым нервом. Где бы ни заканчивались эти ткани, они всегда помнят о том сегменте, из которого они произошли. Мышцы могут переместиться на значительное расстояние от исходного сомита и даже оторваться от него, но они сохраняют прежнюю иннервацию исходным сегментарным нервом. Например, мышечные клетки, происходящие из пятого и шестого шейных сомитов, могут мигрировать в зачаток формирующейся верхней конечности и дать начало таким мышцам, как двуглавая мышца плеча (называемая в просторечии бицепсом). Так вот, иннервация бицепса осуществляется нервом, который берет начало все там же, на шее, в промежутке между пятым и шестым шейными позвонками.

В пределах каждого сомита клетки его внутреннего, костного элемента мигрируют к средней линии, встречаясь там с такими же клетками противоположной стороны – над нервной трубкой, окружая ткань хорды. Эти клетки вначале образуют хрящевую модель позвонка. Фактически каждый индивидуальный позвонок образуется из слияния нижней части сомита с верхней частью низлежащего сомита. Это очень важно, потому что спинномозговой нерв, выходящий из сомита точно посередине, оказывается в промежутке между двумя соседними позвонками. Это также означает, что мышечные блоки, развивающиеся на наружных участках каждого сомита, станут мостиками между соседними позвонками, а значит, смогут приводить в движение позвоночник.

Есть некоторые вещи, которые вы можете сделать для нормального развития позвоночника своего ребенка, если вы будущая мать. Клетки сомитов, скапливающиеся над нервной трубкой и окружающие ее, в конце концов превращаются в дуги позвонков, которые заключают в себе и защищают спинной мозг. Если элементы дуг не смыкаются над спинным мозгом, то полноценные дуги, естественно, не могут образоваться и спинной мозг оказывается без защиты. Такое заболевание называют «расщепленным позвоночником». В большинстве легких случаев это расщепление касается только задних частей дуг, но при этом остаются в неприкосновенности спинной мозг и покрывающая его кожа, и со спинномозговыми нервами не возникает никаких проблем. В более тяжелых случаях нервная ткань спинного мозга выпирает из-под кожи по средней линии спины новорожденного. В этих случаях спинной мозг становится подверженным инфекциям, а кроме того, это угрожает серьезными нарушениями работы нервной системы. Даже если удастся хирургическим путем закрыть этот дефект, дело может кончиться параличом нижних конечностей.

Одним из факторов риска развития расщепленного позвоночника является дефицит фолиевой кислоты в пищевом рационе матери. Фолиевая кислота – это незаменимый витамин, играющий важную роль в синтезе ДНК, а кроме того, он очень важен для правильного развития и формирования нервной трубки эмбриона. Наш организм не способен самостоятельно синтезировать фолиевую кислоту, и поэтому мы должны получать ее с пищей. Фолиевая кислота содержится в зелени (собственно, название кислоты происходит от латинского слова folium, что и означает «лист»), а кроме того, в горохе, фасоли, яичном желтке и семечках подсолнуха. В странах, где женщинам рекомендуют регулярно принимать фолиевую кислоту, частота расщепленного позвоночника и других врожденных дефектов нервной трубки значительно снизилась. Фолиевую кислоту добавляют также в хлеб и другие блюда из злаков. Проведенные исследования показывают, что с тех пор, как в злаковые блюда и хлеб в 1998 году начали добавлять фолиевую кислоту, частота расщепленного позвоночника в США сократилась вдвое. Действительно, было установлено, что в 70 % случаев такие врожденные дефекты можно предотвратить регулярным приемом фолиевой кислоты во время беременности. Именно поэтому очень важно для всех будущих мам – а на самом деле и для всех женщин, надеющихся забеременеть, – принимать фолиевую кислоту наряду со сбалансированным питанием.

Несмотря на то что все позвонки, в принципе, имеют одинаковый план строения, между ними имеются существенные различия в его деталях. Конкретное строение и вид каждого позвонка в позвоночном столбе определяется на очень ранних стадиях эмбрионального развития. Гены Hox включаются в клетках, расположенных вдоль продольной оси тела эмбриона, до того как начинается образование сомитов. Набор Hox-генов, включенных в каждом сегменте, диктует кости, развивающейся из склеротома (зачатка скелета), позвонком какого типа она должна стать: шейным, грудным (с суставными поверхностями для сочленения с ребрами), поясничным, крестцовым (с поверхностями сочленения с тазовыми костями) или копчиковым.

Анатомия позвоночника и спинного мозга

Есть признаки, характерные для всех без исключения позвонков, но есть и отличительные признаки, характерные для позвонков определенных отделов позвоночника (например, шейного или поясничного), а также признаки, отличающие друг от друга индивидуальные позвонки внутри каждого отдела. Строение каждого позвонка определяется двумя его главными функциями: поддержанием веса тела (позвонок должен выдерживать вертикальную нагрузку) и защитой спинного мозга. Опорная часть позвонка – это его тело, а позади тела находится дуга, охватывающая спинной мозг. Из дуг, по окружности позвонка, наружу выступают отростки, которые служат рычагами для прикрепленных к ним мышц. Сзади от находящихся друг над другом тел позвонков располагаются дуги, образующие пластинчатый, прерывистый костный канал, который и прикрывает от повреждений спинной мозг. Очень трудно просунуть что-либо между дугами двух соседних позвонков, но именно это делает анестезиолог, выполняя эпидуральную анестезию.

В положении лежа на боку в эмбриональной позе (свернувшись калачиком) или в позе спящего кучера (сидя и сильно наклонившись вперед) промежутки между дугами увеличиваются. Не сказать, что промежутки становятся очень широкими, но ввести иглу между дугами теперь возможно.

Оболочка спинного мозга не отличается от оболочки головного мозга и тоже состоит из трех слоев, начиная с мягкой мозговой оболочки, которая тесно прилежит к ткани спинного мозга; за ней следует паутинная оболочка (она действительно напоминает своим видом паутину); наружный слой представлен твердой мозговой оболочкой (dura mater). Пространство между твердой мозговой оболочкой и костными дугами позвонков заполнено жиром и многочисленными венами. Это пространство называется эпидуральным, то есть лежащим над твердой мозговой оболочкой. Именно в эпидуральное пространство анестезиолог вводит кончик иглы шприца с местным анестетиком. Анестетик, введенный в эпидуральное пространство, оказывает воздействие на спинномозговые нервы, выходящие из спинного мозга. Спинной мозг, так же как и головной, плавает в спинномозговой жидкости, которая занимает пространство, расположенное под паутинной оболочкой. При проведении спинномозговой анестезии иглу проводят дальше, именно в эту область, прокалывая твердую и паутинную оболочки, чтобы анестезировать сам спинной мозг. В это же пространство иглу надо ввести, если необходимо взять для анализа спинномозговую жидкость. В просторечии эту манипуляцию, которая осуществляется ниже окончания спинного мозга, называют поясничным проколом, а на медицинском языке – спинномозговой пункцией. У новорожденного спинной мозг достигает почти такой же длины, что и позвоночник, в котором он находится, но затем позвоночник растет быстрее, чем спинной мозг, который, суживаясь к концу, прекращает свой рост и останавливается на уровне промежутка между первым и вторым поясничными позвонками. Ниже конца спинного мозга находится «мешок», стенки которого состоят из твердой и паутинной мозговых оболочек. Мешок содержит корешки поясничных и крестцовых спинномозговых нервов. К счастью, при проведении спинномозговой пункции игла, вводимая в поясничную цистерну, не повреждает их, а просто сдвигает в сторону.

Слои мозговых оболочек, окружающих спинной мозг

Можно сказать, что все позвонки представляют собой «вариации на одну и ту же тему», так как каждый из них состоит из тела, дуги и нескольких отростков, но, несмотря на это, каждый позвонок отличается от других. Когда я в лаборатории рассматриваю скелет, извлеченный из земли в ходе археологических раскопок, то первое, что я делаю, – это раскладываю кости в определенном порядке на длинном столе. Начинаю я обычно с костей осевого скелета, то есть с черепа и позвонков. Разобраться с черепом относительно просто (если он не разбит на мелкие фрагменты), но разложить в надлежащем порядке тридцать три позвонка тоже намного проще, чем это можно себе представить. Для начала надо помнить, что тела позвонков становятся все более массивными при продвижении по позвоночнику сверху вниз, потому что каждый нижележащий позвонок должен выдерживать большую нагрузку, чем вышележащий. Однако помимо этого сильно отличаются друг от друга позвонки разных отделов позвоночника – шейного, грудного, поясничного, крестцового и копчикового.

Типичный шейный позвонок обладает малым телом, большой дугой и расщепленным остистым отростком, а в каждом поперечном отростке (выросты по бокам дуг) имеется отверстие. Через эти расположенные друг под другом отверстия проходят позвоночные артерии, которые в полости черепа сливаются с ветвями внутренней сонной артерии и снабжают головной мозг насыщенной кислородом кровью.

Два позвонка сильно отличаются от других позвонков этого отдела, и это два верхних шейных позвонка. Главная причина их особого строения заключается в том, что эти позвонки посредством своих суставов обеспечивают движения головы. Самый верхний позвонок, поддерживающий череп, называют атлантом (в честь греческого титана, который держал на своих плечах небесный свод). На дуге атланта находятся две суставные поверхности, сочленяющиеся с суставными поверхностями на нижней поверхности затылочной кости по обе стороны от большого затылочного отверстия, через которое из черепа выходит ствол мозга, переходящий здесь в спинной мозг. Эти суставные поверхности позволяют наклонять голову вперед и откидывать ее назад – благодаря им вы можете кивать. Атлант и в самом деле довольно странный позвонок – у него нет тела. Там, где должно находиться тело, мы видим «колышек», торчащий из нижележащего второго шейного позвонка. Этот позвонок называется осевым, а упомянутый вырост – зубовидным отростком, или эпистрофеем. Зубовидный отросток формирует сустав с передней частью дуги атланта. Благодаря этому суставу череп (вместе с атлантом) может вращаться в горизонтальной плоскости вокруг зубовидного отростка второго шейного позвонка, позволяя вам совершать вращательные движения головой.

Нижележащие шейные позвонки сочленены между собой подвижными суставами, которые позволяют прижимать подбородок к груди, отклонять голову назад, чтобы посмотреть в небо (или на потолок), а также сильно наклонять голову в стороны. Если сложить все амплитуды движений в этих суставах, то можно повернуть голову назад и посмотреть через плечо.

Грудные позвонки отличаются от прочих тем, что к ним прикрепляются ребра. Для этого существуют специализированные, мелкие суставные поверхности на сторонах тел позвонков, а также на концах поперечных отростков. Поясничные позвонки отличаются массивностью; они обладают крупными телами в сравнении с размерами дуг, а остистые отростки короткие и толстые и, кроме того, направлены не вниз, а горизонтально. Движения в межпозвоночных суставах ограничены в грудном отделе, так как он очень ригидный из-за прикрепленной к нему грудной клетки, но в поясничном отделе подвижность позвоночника снова восстанавливается. В крестцовом и копчиковом отделах позвоночник опять становится неподвижным.

Анатомическое строение является отражением эволюционного наследия и родства с другими животными, и позвоночник в этом отношении не является исключением. Обнаруживается сильное сходство при сравнении человека с его весьма отдаленными родичами из животного царства. Будучи позвоночным, человек обладает позвоночником, и это сближает его с такими позвоночными, как рыбы. Задача перед позвоночником стоит та же самая: обеспечить надежную, гибкую опору телу по всей его длине и защитить нежный спинной мозг. При сравнении человека с другими наземными позвоночными животными (четвероногими, или, выражаясь звучным греческим языком, тетраподами) мы находим такой же позвоночник, разделенный на те же отделы: шейный, грудной, поясничный, крестцовый и копчиковый (хвостовой) – правда, как это было со змеей Дени Дюбуля, число позвонков в столбе может значительно варьировать. Если же мы сузим объект нашего внимания и займемся нашими ближайшими родичами – млекопитающими, то увидим, что число позвонков у всех нас – это достаточно консервативный признак. Наибольшие вариации наблюдаются в том, что касается хвоста. Некоторые животные (включая и нас) имеют очень немного хвостовых позвонков.

Умеющая быстро плавать морская свинья Далля (Phoecoenoides Dalli), вероятно, займет первое место в конкурсе на число позвонков в хвосте и даст фору любому другому млекопитающему – у нее в хвосте 49 позвонков. Наименее вариабельным является число шейных позвонков – у всех млекопитающих, даже у морской свиньи и жирафа, их ровно семь.

Несмотря на небольшую вариабельность границ, иногда появляются дополнительные ребра, прикрепленные к шейным позвонкам, а нижние поясничные позвонки срастаются с крестцом; так, у людей в подавляющем большинстве случаев имеется 7 шейных позвонков, 12 грудных (с прикрепленными к ним двенадцатью парами ребер), 5 поясничных, 5 крестцовых и от трех до пяти маленьких хвостовых позвонков, которые, как правило, срастаются, образуя копчик. Латинский термин, которым обозначают копчик, – coccyx – происходит от греческого слова, обозначающего кукушку, потому что копчик формой напоминает клюв этой птицы. Иногда говорят, что копчик – это рудиментарная структура, просто остаток хвоста, которым обладали наши далекие предки, и что мы вполне могли бы обойтись и без него. Однако, поверьте мне, нам будет тяжело обойтись без копчика. Конечно, это уже далеко не хвост, но копчик является местом прикрепления многих важных связок и мышц, включая мышцу, поднимающую задний проход, а эта мышца – главная составная часть анатомического образования, называемого тазовым дном. Если бы не было копчика, тазовые органы просто выпали бы из полости таза.

Позвонки шейного, грудного и поясничного отделов позвоночника заметно отличаются друг от друга

Смещение дисков и подвывихи суставов

Позвонки, расположенные выше крестца, сочленены между собой особыми суставами, которые, с одной стороны, амортизируют вертикальную нагрузку на тела позвонков, а с другой – допускают движения позвонков относительно друг друга: главной частью такого сустава является межпозвоночный диск.

В ходе эмбрионального развития позвоночного столба клетки, расположенные в «промежутке» между двумя соседними позвонками, образуют волокнистый хрящ, формируя гибкий сустав – межпозвоночный диск. Хорда исчезает там, где образуется тело позвонка, но ее клетки некоторое время продолжают существовать в желеобразных сердцевинах межпозвоночных дисков. Здесь эти клетки играют важную двоякую роль: во-первых, это недифференцированные клетки, а значит, могут делиться, вытесняя к периферии клетки межпозвоночного диска и замещая погибшие клетки; а во-вторых, они могут регулировать функции клеток хрящевой ткани. По мере достижения зрелости и старения организма клетки хорды постепенно отмирают, и это одна из причин дегенерации межпозвоночных дисков в пожилом возрасте.

По мере дегенерации диски начинают причинять человеку все больше и больше неприятностей. Межпозвоночные диски превосходно справляются со своей работой в позвоночниках молодых людей: они сопротивляются вертикальному сжатию позвоночного столба, выполняя роль амортизирующих подушек, расположенных между телами соседних позвонков. Желеобразный центр межпозвоночного диска, имеющий у молодых людей консистенцию зубной пасты, помогает распределять нагрузку по всей площади диска, и при этом внутренняя часть диска удерживается на месте достаточно прочным и жестким фиброзным кольцом. Однако иногда желеобразное ядро межпозвоночного диска может выпячиваться сквозь дефекты и трещины в фиброзном кольце, и возникает состояние, которое называют «грыжей диска» или «смещением диска». Спинномозговые нервы выходят из позвоночника в промежутках между соседними позвонками, то есть на том же уровне, на котором располагаются межпозвоночные диски. Если возникает грыжа диска, то это всегда происходит в месте максимальной нагрузки – в заднем отделе позвоночника, а значит, как раз в том месте, где находятся спинномозговые нервы. Следствием становится боль в спине, хотя иногда эта боль может распространиться по области иннервации затронутого грыжей нерва. Чаще всего боль возникает в поясничной области, потому что ее позвонки вынуждены нести на себе максимальную нагрузку. Спинномозговые нервы, покидающие позвоночник в поясничной области, направляются вниз, сливаются с волокнами нервов крестцовой области и образуют очень крупный нерв диаметром до 2 см, который спускается вниз по задней поверхности бедра – седалищный нерв (Nervus ischiadicus). Смещение межпозвоночного диска в поясничной области или его грыжа могут поэтому вызывать сильные боли, «стреляющие» вдоль нижней конечности (именно эти боли, по названию седалищного нерва, часто именуют ишиасом). Желеобразный диск может с возрастом атрофироваться и «усохнуть», а это значит, что вертикальная нагрузка перестанет равномерно распределяться по горизонтальной поверхности тела нижележащего позвонка, и в результате могут возникать мелкие переломы тел позвонков в области их концевых пластинок. Иногда грыжевое выпячивание направляется не вбок, нарушая целостность фиброзного кольца, а вверх или вниз, вдавливаясь в концевые пластинки вышележащих или нижележащих позвонков.

Такие вдавления, называемые грыжами Шморля, хорошо видны на рентгенограммах позвоночника как темные пятнышки в верхней или нижней части тела позвонка. Эти вдавления легко обнаруживаются и на ископаемых позвонках: диска уже давно нет, но сохраняется выдавленное в концевой пластинке отверстие.

Позвоночник человека достаточно неплохо сконструирован – с точки зрения эволюции, – но в нем часто возникают проблемы, особенно в зрелом и пожилом возрасте. Если вы страдаете болью в спине, то знайте, что вы не одиноки. Боль в спине – это самая частая причина обращения людей к врачу, так как две трети взрослого населения мира страдают болью в спине.

Грыжа Шморля в позвонке, найденном во время археологических раскопок

Межпозвоночные диски допускают небольшие движения – покачивания из стороны в сторону и вращение соседних позвонков относительно друг друга. Однако между позвонками есть и более, так сказать, «традиционные» суставы, поверхности которых, так же как сочленяющиеся поверхности тазобедренных, коленных и межфаланговых суставов, выстланы гладким гиалиновым хрящом и смазываются скользкой синовиальной жидкостью.

Дугоотростчатые плоские суставы допускают небольшой объем движений в разных направлениях, но самым главным в функции этих суставов является то, что они ограничивают амплитуду движений в позвоночнике. В грудном отделе, где малоподвижность позвоночников обеспечивается в первую очередь ребрами, дугоотростчатые суставы позволяют лишь небольшое сгибание позвоночника вперед и небольшое отклонение назад, но не допускают вращения. В шейном отделе вращение позвонков относительно друг друга осуществляется свободнее. В поясничном отделе позвоночника дугоотростчатые суставы допускают сгибание вперед и кзади, а также, в небольшой степени, вращение. В действительности в сравнении с нашими ближайшими родичами, человекообразными обезьянами, наши поясничные позвонки очень подвижны.

В любой инженерной конструкции чаще всего ломаются и выходят из строя движущиеся детали, и суставы человеческого тела не являются исключением. Мы уже видели, как содержимое межпозвоночного диска может выдавливаться из фиброзного футляра, причиняя боль, но еще одним источником боли могут стать и дугоотростчатые плоские суставы. Когда мы спокойно сидим или лежим, мы думаем, что наш позвоночник не движется, но на самом деле это не так. Мы постоянно совершаем какие-то малозаметные движения корпусом, и поэтому наши дугоотростчатые суставы практически никогда не отдыхают. В течение жизни они постоянно испытывают нагрузку и страдают от мелких травм. Эти суставы склонны к дегенерации, причем во все большей степени по мере прогрессирования дегенерации межпозвоночных дисков. Вес тела в этой ситуации несколько смещается кзади, а это повышает нагрузку на дугоотростчатые суставы, которые на нее не рассчитаны. Постепенно гиалиновые хрящи изнашиваются и стираются, а вокруг краев сустава разрастаются костные шипы – типичный признак остеоартроза.

Сочленения позвонков осуществляются за счет межпозвоночных дисков и дугоотростчатых суставов

Дугоотростчатые суставы снабжены чувствительными нервами, ветвями спинномозговых нервов, покидающих позвоночный столб через межпозвоночные отверстия, поэтому источником боли могут быть и сами суставы. Но как можно судить, что боль в спине обусловлена по большей части именно поражением дугоотростчатых суставов? Американские анестезиологи выполнили исследование, по ходу которого 500 больным, страдающим от боли в спине, вводили анестетики в области фасеток дугоотростчатых суставов. Было выяснено, что боль проходит у половины больных, у которых она была локализована в шейном отделе; немного меньше, чем в половине случаев, улучшение наступает при боли в грудном отделе позвоночника и приблизительно в трети случаев при локализации боли в поясничном отделе. Кроме того, фасеточный синдром отмечается у значительной части больных, перенесших перелом по типу хлыста в шейном отделе.

Помимо этого, дугоотростчатые суставы кое-что открывают нам относительно самой природы боли. Дело в том, что не всегда легко понять, откуда исходит боль. Если происходит травма или ранение поверхности тела, то обычно мы можем легко и точно указать источник боли. Когда вас в последний раз кусал комар? Это очень легкое повреждение, но вы сразу смогли точно определить место укуса и даже успели прихлопнуть надоедливое насекомое. Наружная поверхность тела представлена подробной картой на сенсорной (чувствительной) коре мозга, и каждый фрагмент входящей информации очень точно отмечается на этой карте.

Намного труднее локализовать боль, исходящую из внутренних органов. Внутренности снабжены различными наборами чувствительных нейронов; одни из них обеспечивают мозг информацией на подсознательном уровне, что позволяет отправлять физиологические функции внутренних органов без какого-либо участия сознания. Действительно, если бы это было не так, то мы бы не имели времени думать ни о чем, кроме работы внутренних органов. У нас нет необходимости осознанно увеличивать частоту сердечных сокращений при беге или произвольно опорожнять желчный пузырь во время еды. Это невероятное везение, потому что, если бы нам приходилось постоянно думать о подобных вещах, мы не могли бы поддерживать беседу, решать задачи и читать книги. Однако в случаях, когда сенсорные сигналы, исходящие от внутренностей, достигают определенной интенсивности, они (сигналы) начинают проникать в сознание. Мы при этом ощущаем дискомфорт или боль, но нам трудно точно определить, откуда именно эти сигналы исходят. Иногда боль бывает диффузной и неопределенной. В некоторых случаях все происходит так, словно в мозге перепутаны сигнальные провода, и боль ощущается в месте, весьма отдаленном от истинного ее источника. В медицине этот феномен называют «отраженной болью». Мозгу бывает очень трудно различать сигналы, поступающие в спинной мозг на одном уровне, и эта трудность напрямую обусловлена первоначальной сегментацией тела в эмбриональном периоде.

Каждый из сомитов (похожих на бусины бугорков, расположенных вдоль тела развивающегося эмбриона) содержит группы клеток, которым впоследствии суждено стать костями скелета, мышцами и кожей. Неважно, где именно окажутся впоследствии эти зачатки, важно, что они будут помнить о своем «родном» сомите благодаря спинномозговым нервам, которые будут их иннервировать. Например, четвертый спинномозговой нерв поясничного отдела (L4) будет иннервировать части позвоночника, участки определенных мышц нижней конечности, а также кожу поясницы и нижней конечности, то есть все структуры, которые произошли в эмбриональном периоде из четвертого поясничного сомита. Боль в дугоотростчатом (фасеточном) суставе, который иннервируется спинномозговыми нервами, исходящими из L4, может ощущаться не только в спине, где находится ее истинный источник, но и ниже, в пояснице, в ягодице и в задней части бедра, а иногда даже в голени или стопе, то есть в областях, которые тоже иннервируются четвертым поясничным спинномозговым нервом.

Инъекции местного анестетика в фасеточный сустав могут принести пользу, как обезболивающее мероприятие и как диагностический метод, позволяющий установить место возникновения боли. Если у вас появилась боль в пояснице, то лучшее, что вы можете сделать, – это заняться йогой.

Вероятно, если бы у нас был более устойчивый позвоночник, такой, например, как у шимпанзе или гориллы, то, наверное, мы были бы избавлены от боли в спине. Но гибкий поясничный отдел позвоночника – это один из тех признаков, которые делают нас людьми. Такой позвоночник позволяет нам разнообразные, присущие человеку движения.

Удлинение поясничного отдела позвоночника

У шимпанзе и горилл, как правило, 7 шейных позвонков, 13 грудных, 4 поясничных и 4 крестцовых. Итак, в сравнении с африканскими человекообразными обезьянами мы, люди, обладаем сравнительно длинным поясничным отделом позвоночника. Тем не менее по своей гибкости и длине поясничный отдел нашего позвоночника не идет ни в какое сравнение с поясничным отделом других обезьян Старого Света, например мартышек. У этих обезьян число поясничных позвонков равно семи.

Если мы углубимся в наше эволюционное прошлое, то найдем и там предков, у которых был длинный, подвижный поясничный отдел позвоночника, такой же как у мартышек. Например, у ископаемых останков эпиплиопитеков (Epipliopithecus vindobonensis), а возможно, и у их близких родственников плиопитеков, человекообразных обезьян, живших около 15 миллионов лет назад, был очень гибкий поясничный отдел позвоночника, состоявший из шести или семи позвонков, относительно короткий крестец и длинный хвост. Таким образом, возникает два вопроса, и первый: когда у нас укоротился позвоночник? И второй: почему он не стал таким же коротким, как у шимпанзе или гориллы?

Оказывается, укорочение поясничного отдела позвоночника было частью анатомических изменений, которые произошли, когда из низших узконосых обезьян развились человекообразные, причем этот процесс сопровождался практически полной утратой хвостовых позвонков. Утрата хвоста представляется весьма загадочным событием, потому что хвосты очень полезны для существ, обитающих на деревьях. Хвост помогает сохранять равновесие. Когда такая крупная, как, например, павиан, обезьяна идет на четвереньках по горизонтальному суку дерева, смещения хвоста из стороны в сторону помогают сохранить равновесие и не упасть. Предки человекообразных обезьян передвигались по ветвям таким же образом, опираясь на ладони рук и подошвы стоп. Однако самая древняя из этих ископаемых обезьян, проконсул, уже была бесхвостой. Несмотря на то что обезьяны компенсировали потерю хвоста повышением силы и гибкости конечностей, мощными локтями, а также кистями и стопами, которые обладали большей хватательной силой, чем кисти и стопы их предков, все равно остается не вполне понятным, почему человекообразные обезьяны утратили хвост. Я горжусь своим обезьяньим наследием, но иногда мне становится грустно оттого, что эволюция лишила нас анатомической структуры, которой до сих пор от души наслаждаются наши родичи-приматы – такие, как кошачий лемур, паукообразная обезьяна, павиан и другие.

У крупных животных – будь они хвостатыми или бесхвостыми – возникает одна серьезная проблема: хождение по ветвям деревьев на четвереньках становится для них слишком рискованным. Намного безопаснее повиснуть на ветке, уцепившись за нее конечностями, или встать на нижние конечности и двигаться по ветвям в вертикальном положении, держась передними за другие ветки. Это обстоятельство создает фундаментальную разницу между низшими узконосыми обезьянами, такими как мартышки, и человекообразными обезьянами: мартышка передвигается по деревьям на четвереньках, а ее туловище при этом ориентировано горизонтально; человекообразная обезьяна, например шимпанзе, карабкается и взбирается на деревья, висит и раскачивается на ветвях, и при этом ее туловище ориентировано вертикально. Однако в этом последнем случае гибкий позвоночник становится весьма уязвимым. Подвижный позвоночник будет при таком образе жизни предрасположен к травмам, в то время как более жесткий, без поясничного прогиба, позвоночник поможет поддерживать туловище при попытках перебраться с дерева на дерево и при попытке дотянуться с ветки одного дерева до ветки другого. Теперь ясно, почему у горилл и шимпанзе короткий и малоподвижный позвоночник. При этом позвоночник у них не только короче, но и устойчивее. Верхние отделы тазовых костей отрастают очень высоко и, охватывая поясничный отдел позвоночника, делают его практически неподвижным.

Несмотря на то что мы ближайшие родственники современных человекообразных обезьян, наш позвоночник и таз выглядят совершенно по-другому. У нас длинный поясничный отдел позвоночника, не окруженный тазовыми костями. Наши поясничные позвонки сильно отличаются от поясничных позвонков обезьян также и формой своих тел. Если посмотреть сбоку на поясничный позвонок человека, то становится видно, что он имеет клиновидную форму – спереди тело позвонка выше, чем сзади.

Это означает, что сама конструкция этих позвонков предполагает наличие изгиба, направленного выпуклостью вперед. Такой изгиб вперед называют лордозом, и в данном случае мы имеем дело с поясничным лордозом. Этого изгиба, которым обладают люди, нет у высших обезьян. Клиновидной формой обладали поясничные позвонки некоторых очень древних представителей родословного древа гоминид. Хорошо сохранившиеся остатки позвоночника и таза африканского австралопитека (известного также под поэтичным инвентарным номером STS 14), вида, жившего 2–3 миллиона лет назад, указывают на то, что его поясничные позвонки имели клиновидную форму. Это служит доказательством того, что у ранних гоминид тоже был длинный поясничный отдел позвоночника, состоявший из пяти или даже шести позвонков.

Поясничный отдел позвоночника человека состоит из пяти позвонков, а аналогичный отдел позвоночника шимпанзе – из четырех. Нижние поясничные позвонки шимпанзе зажаты между высокими подвздошными костями – частями тазовых костей

Наверное, вы думаете: ну и что такого особенного в этом самом поясничном лордозе? Однако направленный выпуклостью вперед изгиб поясничного отдела позвоночника означает, что его обладатель мог держать туловище при ходьбе вертикально, сохранять равновесие грудной клетки над тазом, а таз поддерживать в равновесии относительно пары нижних конечностей. Шимпанзе и гориллам, вероятно, трудно отклонять туловище назад, чтобы расположить основную часть массы тела над тазовой областью, и поэтому когда они встают на две ноги, то при этом сильно сгибают их в коленных и тазобедренных суставах. Да, эти обезьяны могут передвигаться на двух ногах, но не так эффективно, как мы. Попробуйте походить немного с согнутыми коленными и тазобедренными суставами, и вы очень скоро ощутите сильное утомление мышц бедра. Если же вы прямоходящее двуногое (как я, вы и все остальные люди и наши предки гоминиды), то направленный вперед поясничный изгиб является важнейшим признаком, позволяющим нам свободно, без напряжения, стоять и ходить на двух ногах. Наличие поясничного лордоза у австралопитека убедительно показывает, что эти наши предки уже регулярно ходили на двух ногах, поддерживая при ходьбе вертикальное положение тела. У этой медали есть и оборотная сторона: ученые утверждают, что, если короткий ригидный поясничный отдел позвоночника снижает риск его травмы и помогает передвигаться среди деревьев, то длинный, гибкий поясничный отдел позвоночника Australopithecus africanus позволяет предполагать, что эти гоминиды сменили древесный образ жизни на наземный.

Мы не рождаемся с поясничным лордозом. Весь позвоночник новорожденного ребенка изогнут большой дугой выпуклостью назад. Когда возраст ребенка приближается к одному году, начинает формироваться лордоз (направленный выпуклостью вперед изгиб) поясничного отдела позвоночника. Другой подобный лордоз формируется в шейном отделе позвоночного столба – для того, чтобы обеспечить уравновешенное положение головы над туловищем. В конечном счете человеческий позвоночник приобретает красивую форму двойной буквы S, с лордозами в шейном и поясничном отделах и с кифозами (изгибами, направленными выпуклостью назад) в грудном отделе позвоночника и в области крестца.

Изгибы позвоночника человека

Наш кузен с прямой спиной

История о поясничном отделе позвоночника приобретает весьма неожиданный поворот, если мы присмотримся к позвоночному столбу нашего ближайшего родственника – неандертальца.

Эти коренастые, приземистые люди жили в Европе и Азии в период от 300 000 до 30 000 лет назад. В нашем распоряжении очень много костных останков неандертальцев – было обнаружено более 275 скелетов разной степени сохранности – и, несмотря на то что так и не удалось пока обнаружить ни одного полного скелета, его удалось сконструировать на основании имеющихся костей, найденных в разных местах. Среди костных останков неандертальцев, обнаруженных в Шанидаре (Ирак), Кебаре (Израиль) и в Ла-Шапель-о-Сен (Франция), очень хорошо сохранились поясничные позвонки. В ходе недавно проведенного исследования, к материалу которого добавили и другие позвонки, принадлежавшие другим, более древним гоминидам, а также – для сравнения – позвонки современных людей, были измерены величины лордоза у представителей всех исследованных видов. Результаты оказались удивительными. Средний угол поясничного лордоза у современного человека равен 51°. У нечеловекообразных обезьян угол лордоза равен 22°. У африканского австралопитека угол был уже ближе к человеческому – 41°, у человека прямоходящего (Homo erectus) и вовсе 45°, а вот у неандертальцев он оказался совсем небольшим – всего 29°.

Это означает, что по сравнению с нами неандерталец обладал очень прямым поясничным отделом позвоночника. В противоположность тенденции к увеличению изгибов позвоночника в эволюции человека, у наших ближайших родственников позвоночник был более прямым, чем у их предков.

Лордоз поясничного отдела позвоночника помогает свободно поддерживать вертикальное положение тела, но это еще не все: добавление пружинящих изгибов помогает позвоночнику играть роль амортизатора. Вполне возможно, что лишенные поясничного лордоза неандертальцы ходили медленно, короткими шагами и слегка наклонившись вперед. Это кажется регрессом, но у прямого позвоночника все же есть свои преимущества, и одно из них – устойчивость.

Угол поясничного лордоза (ПЛ) (Been et al. 2012)

Прочный прямой позвоночник, возможно, уменьшал напряжение в межпозвоночных суставах, что позволяло неандертальцам выполнять более тяжелую работу и носить большие тяжести, чем их более хрупким сородичам, предкам современного человека. Кто знает, если бы мы произошли от неандертальцев (у некоторых из нас, включая и меня, в геноме есть небольшой процент неандертальской ДНК, но, очевидно, недостаточный для того, чтобы снабдить нас прямым позвоночником), то, возможно, не страдали бы так сильно от боли в спине.

Несмотря на то что скелеты неандертальцев во многих отношениях были похожи на наши, между ними были и важные различия, отражавшие, вероятно, разницу в образе жизни между нами и нашими предками. Помимо более прямого поясничного отдела позвоночника, неандертальцы отличались от нас большой бочкообразной грудной клеткой. Впрочем, у нас грудная клетка тоже имеет необычную форму – она отличается от грудных клеток остальных млекопитающих, включая и других человекообразных обезьян.

Ребра, легкие и сердце Ребра наших предков, а также сердце и легкие рыб

Ведомо ль тебе, как кровь, что споро к сердцу притекает,

Из одного желудочка в другой без затруднений проникает?

Джон Донн. Странствия души

Грудная клетка и диафрагма

Начиная изучать человеческий скелет, обнаруженный во время археологических раскопок, я первым делом раскладываю в надлежащем порядке его кости. Скелет лежит на спине с вытянутыми вдоль тела руками, ладонями кверху. После этого я определяю полноту комплекта костей и только потом начинаю описывать каждую кость, обращая внимание на признаки, позволяющие определить возраст и пол изучаемого индивида и выяснить, какими болезнями он страдал при жизни.

Ребра – очень сложный объект для изучения: часто они бывают сломаны и представляют собой мелкие фрагменты, однако, приложив некоторые усилия, эту головоломку все же удается сложить в нечто цельное. Человеческая грудная клетка напоминает формой бочонок, сплюснутый в направлении спереди назад. Форма каждого отдельного ребра определяется его положением в грудной клетке. Суставные поверхности на головке и шейке ребра позволяют понять, с каким ребром имеешь дело – с правым или левым. Сильно отличаются друг от друга верхнее и нижнее ребра. Первое (самое верхнее) ребро – это маленькая С-образная кость, уплощенная в верхне-нижнем направлении, в то время как все остальные ребра уплощены с боков.

Подобно многим другим костям нашего тела, ребра образуются из хрящевых «моделей», которые, в свою очередь, развиваются из эмбриональной соединительной ткани – мезенхимы. Клетки, образующие ребра, происходят из того же источника, что и грудные позвонки: из сомитов (ряда бугорков, расположенных вдоль продольной оси тела на спине эмбриона) грудной области плода. Точно так же, как существуют 12 грудных позвонков, есть и 12 пар ребер (их число одинаково у представителей обоих полов, вопреки мнению некоторых креационистов). Грудина образуется из мезенхимы, возникающей по краям эмбриона в тот период, когда он представляет собой зародышевый диск. Когда эмбрион сворачивается в трубку (это происходит на четвертой неделе беременности), эти края сходятся впереди, на срединной линии. Сначала в этом месте образуется хрящевая модель грудины, а затем она окостеневает, то есть превращается в кость.

Ребра верхних семи пар начинаются от семи верхних грудных позвонков и, охватывая полукругом органы грудной полости, прикрепляются, на передней поверхности тела, к грудине. На самом деле это не совсем так, потому что костная часть каждого ребра заканчивается, не доходя до грудины, и реберную дугу, соединяющуюся с грудиной, завершает реберный хрящ. Однако, поскольку все ребра первоначально целиком состоят из хряща, который затем превращается в кость, реберный хрящ является, по сути, всего лишь неокостеневшей передней частью ребра. Реберные хрящи придают грудной клетке известную подвижность и гибкость, и это свойство спасает нас в тесной толпе, например на рок-концертах. Кроме того, податливость грудной клетки делает возможной сердечно-легочную реанимацию: грудину можно ритмично отжимать вниз у лежащего человека на 5 см и отпускать, что выдавливает кровь из сердца и позволяет поддерживать кровообращение до тех пор, пока не подоспеют медики с дефибриллятором.

Ребра соединены друг с другом межреберными мышцами, каждая из которых, занимая целиком межреберный промежуток, получает иннервацию из ветвей одной соответствующей пары спинномозговых нервов. Сегментарная иннервация межреберных мышц является напоминанием об исходной сегментации нашего тела – так оно развивается в эмбриональном периоде, как личинки плодовых мушек – дрозофил.

Во многих руководствах по анатомии до сих пор пишут, что межреберные мышцы участвуют в расширении и уменьшении объема грудной клетки в процессе дыхания – расширение грудной клетки вызывает вдох, а спадение (уменьшение объема) – выдох. Действительно, сокращения и расслабления межреберных мышц могут приводить к изменению формы и объема грудной клетки, но не это является их главной задачей. Для выполнения дыхательной функции у нас есть куда более важная мышца – диафрагма. Эта куполообразная мышца прикрепляется по кругу к нижнему отверстию грудной клетки: сзади к позвоночнику, по бокам к нижним ребрам, а спереди к нижнему краю грудины.

У спокойно сидящего человека диафрагма движется вверх-вниз с амплитудой около 1,5 см примерно 12 раз в минуту, способствуя засасыванию воздуха в легкие на вдохе и выталкиванию его оттуда на выдохе. В расслабленном состоянии диафрагма высоким куполом вдается в полость грудной клетки, но если вы захотите сделать глубокий вдох, то диафрагма сократится и станет плоской, опустившись приблизительно на 10 см. Одновременно увеличивается объем легких, а это значит, что давление в них уменьшается, и в результате в легкие засасывается воздух через ноздри, носовую полость, глотку, гортань, трахею и бронхи. При этом роль межреберных мышц заключается не в увеличении объема грудной клетки за счет перемещения ребер, а в том, что мышцы препятствуют втягиванию тканей межреберных промежутков в грудную полость под действием отрицательного давления, которое возникает в груди на вдохе. Межреберные мышцы придают жесткость грудной клетке для того, чтобы объем грудной полости, достигнутый за счет уплощения диафрагмы, не уменьшался из-за западения межреберных промежутков.

Сокращение диафрагмы может увеличить объем грудной клетки (и находящихся в ней легких) на величину до 3 л, но только при условии нормальной работы межреберных мышц. При параличе межреберных мышц они всасываются в грудную полость при каждом вдохе, что приводит к уменьшению эффективности дыхания вдвое. Такой паралич может развиться в результате поражения спинного мозга на уровне его шейного отдела. Поражение на этом уровне повлияет на все спинномозговые нервы, расположенные ниже, включая и нервы, иннервирующие межреберные мышцы. Тем не менее диафрагма будет продолжать работать – только благодаря странной анатомической особенности, понять которую можно, только разобравшись в тонкостях эмбрионального развития. На каждой стороне шеи находится диафрагмальный нерв. Он идет вниз по поверхности шеи, затем проходит под ключицей и первым ребром и вступает в грудную полость. Далее диафрагмальные нервы проходят с обеих сторон рядом с сердцем и вступают в диафрагму, которая формирует дно грудной полости. Если мы углубимся в наше эмбриональное прошлое, в пятую неделю беременности, то увидим, что у эмбриона уже есть сердце (даже сокращающееся), но расположено оно не в груди, а в области шеи. Под сердцем, и тоже в области шеи, в направлении спереди назад, начинает расти клиновидный участок ткани. Эта поперечно ориентированная перегородка является зачатком диафрагмы, и иннервирующие ее ветви шейных спинномозговых нервов остаются верны диафрагме в ходе ее дальнейшего роста и развития. В течение следующего месяца беременности развивающаяся диафрагма спускается вниз по мере роста эмбриона в длину. В конечном счете диафрагма оказывается на дне грудной полости, но при этом сохраняет свою прежнюю иннервацию, исходящую из верхних отделов шейного отдела спинного мозга. Отсюда студенческое мнемоническое стихотворение: «С-three, four, five, keep the diaphragm alive»[12]. Действительно, диафрагмальные нервы образуются из третьего, четвертого и пятого спинномозговых нервов.

Форма грудной клетки у животных разных видов

Грудные клетки млекопитающих разных видов значительно варьируют по размерам и форме, но все они выполняют одну и ту же функцию относительно расположенных в их полости органов. Ребра защищают сердце и легкие и обеспечивают фиксацию диафрагмы и межреберных мышц, которые делают возможным дыхание. Однако форма грудной клетки обусловлена, как правило, не тем, что находится у нее внутри, а тем, что прикреплено к ней снаружи. К грудной клетке прикрепляются лопатки, образующие сочленения с передними конечностями у четвероногих животных и с верхними конечностями у нас. Животные, передвигающиеся на четырех конечностях, обычно обладают грудной клеткой, уплощенной с боков. Вспомните, как выглядят кошки и собаки: у них узкие и глубокие грудные клетки. Низшие обезьяны, которые тоже являются четвероногими, обладают такими же узкими грудными клетками. У всех этих животных лопатки расположены на боковых поверхностях грудной клетки. При ходьбе и беге лопатки совершают вращательные движения, перемещая передние конечности вперед и назад при каждом шаге. По-иному обстоят дела у человекообразных обезьян; нижняя часть грудной клетки у них шире, чем верхняя, а сама грудная клетка уплощена спереди назад. Люди в этом отношении тоже не исключение; наша грудная клетка тоже сплюснута спереди назад – можете проверить и сами в этом убедиться. Когда ветеринары назначают нашим питомцам рентгенологическое исследование грудной клетки, ее просвечивают сбоку, а стандартное рентгеновское исследование грудной клетки у человека предусматривает просвечивание в переднезаднем направлении. На самом деле просвечивают наоборот, сзади наперед, но это не меняет рентгенологическую картину.

Такая форма грудной клетки у человекообразных обезьян обусловлена особенностями их локомоции (перемещения в пространстве). Эти обезьяны – потомки низших, но не являются просто их увеличенными копиями, и движутся человекообразные совсем не так, как мартышки и макаки. Передвижение на четвереньках по древесным ветвям весьма затруднительно для крупных животных. Намного легче и безопаснее лазать и карабкаться на деревья с помощью передних конечностей, хватаясь ими за расположенные выше ветви. Так можно забираться вверх по дереву по сравнительно тонким ветвям, держась нижними конечностями ближе к стволу, а передними доставая плоды, висящие ближе к краю кроны, где их всегда больше. Недаром человекообразные обезьяны в большинстве своем плодоядные. Многие из них, включая гиббонов и орангутанов, передвигаются в кронах деревьев, повисая на ветвях и сучьях, переходя при этом в вертикальное положение.

Существуют, однако, широконосые обезьяны, грудные клетки которых напоминают формой грудные клетки человекообразных: это паукообразные обезьяны (Atelidae), обитающие в Центральной и Южной Америке. Форма грудной клетки этих обезьян являет собой пример конвергентной эволюции – эти обезьяны перемещаются по деревьям, как гиббоны, повисая и раскачиваясь на ветвях, оказываясь в это время в вертикальном положении. Их грудные клетки адаптировались к условиям и стали напоминать формой грудные клетки узконосых человекообразных обезьян. И конечно, среди человекообразных есть такие, которые почти перестали лазить по деревьям, но грудная клетка у них тем не менее уплощена в направлении спереди назад. Это мы с вами. Мы унаследовали форму грудной клетки от предков, которые большую часть времени лазали по деревьям, но эта форма превосходно подошла и для хождения по земле, когда грудная клетка находится в вертикальном положении. Правда, между нашими грудными клетками и грудными клетками человекообразных обезьян есть и различия.

Эти различия хорошо заметны, если, например, сравнить человеческую грудную клетку с грудной клеткой орангутана. У человека грудная клетка имеет бочкообразную форму, то есть нижние края подвернуты внутрь, а у орангутана грудная клетка имеет воронкообразную форму с расширяющимся нижним концом. Грудная клетка орангутана вверху узкая, лопатки находятся близко друг к другу и расположены высоко. Глядя на эту человекообразную обезьяну, трудно отделаться от впечатления, что он как будто бы все время пожимает плечами.

Напротив, грудная клетка человека сверху довольно широка, лопатки расположены низко и разведены далеко в стороны. Такое положение не очень способствует лазанию по деревьям, но дает возможность размахивать руками при ходьбе, что позволяет лучше сохранять равновесие. Когда вы в следующий раз пойдете на прогулку, попробуйте идти свободным, непринужденным и широким шагом и обратите внимание, какие движения при этом совершают верхние конечности, плечи и грудная клетка. Плечи совершают вращательные движения в противофазе движениям ног и раскачивающимся движениям рук, что противодействует вращению тела, вызванному движением ног. Если вы усилием воли остановите движения рук, то ходьба сразу станет некомфортной и к тому же более утомительной, то есть менее энергетически эффективной. При широкой в верхнем отделе грудной клетке плечи расположены идеально для того, чтобы человек мог свободно размахивать руками. При воронкообразной грудной клетке для того, чтобы размахивать руками при ходьбе, нам пришлось бы сильно отводить руки в стороны, так как их свободному движению мешала бы расширяющаяся внизу грудная клетка.

Воронкообразная грудная клетка орангутана и бочкообразная грудная клетка человека

Помимо того что бочкообразная грудная клетка позволяет человеку свободно размахивать свисающими вдоль тела руками, есть и еще одна причина такого развития. Грудная клетка прикреплена к тазовым костям тремя слоями мощных мышц, которые охватывают туловище с боков и переходят на переднюю поверхность живота, а также двумя мощными полосами мышечной ткани – прямыми мышцами живота – по передней поверхности туловища. Прямые мышцы живота идут сверху вниз рядом вдоль срединной линии тела. Эти мышцы образуют переднюю стенку живота, но при этом участвуют в движениях туловища. Расположенные на боках мышцы позволяют наклонять туловище вправо и влево, а также вращать его, а прямые мышцы живота позволяют наклонять туловище вперед. Именно эти мышцы мы задействуем, когда качаем пресс, переходя из положения лежа в положение сидя. Форма нижней части грудной клетки, образующей место прикрепления этих мышц, отражает форму таза, к которому прикрепляются нижние концы этих мышц, а форма таза у человека претерпела значительные изменения в ходе его эволюции.

У человекообразных обезьян широкий таз, приспособленный к воронкообразной форме грудной клетки, сильно расширяющейся книзу. У людей с их высоким и узким тазом, приспособленным к ходьбе на двух ногах, стала узкой и нижняя часть грудной клетки. Однако важно было сохранить большой объем грудной полости, потому что она содержит такие объемные и важные органы, как сердце и легкие. Поэтому, видимо, передвижение на двух ногах и сужение в связи с этим таза вызвали соответствующие изменения формы грудной клетки у человека: она стала уже внизу, но шире в середине и в верхней части, приобретя, таким образом, характерную бочкообразную форму – для того, чтобы сохранить достаточный объем легких.

Каковы бы ни были причины изменений формы грудной клетки, можно с уверенностью утверждать, что воронкообразная грудная клетка с высоко и тесно расположенными лопатками является следствием жизни на деревьях. И вместе с тем люди, которые обычно ходят по земле на двух ногах, обладают широкими плечами, низко расположенными и широко разведенными лопатками, прикрепленными к бочкообразной грудной клетке. Это означает, что одного только взгляда на форму грудной клетки представителя древних гоминид иногда достаточно для того, чтобы понять, как именно он двигался, и даже определить, когда наши предки окончательно стали ходить по земле на двух ногах, отказавшись от древесного образа жизни. Если допустить, что у последнего общего предка человека и шимпанзе была коническая грудная клетка, то можно считать, что появление бочкообразной грудной клетки стало решающей вехой на пути человеческой эволюции.

Ископаемые ребра

К несчастью, ребра – кости тонкие и легко ломаются. Поэтому находки хорошо сохранившихся ископаемых ребер скудны и редки, и очень трудно, следовательно, проследить развитие человеческой формы грудной клетки. Правда, в нашем распоряжении есть несколько образчиков ископаемых ребер, сообщающих нам важную информацию.

Самым ранним свидетельством реальной человеческой бочкообразной грудной клетки являются костные останки человека прямоходящего (Homo erectus), жившего около полутора миллионов лет назад. Скелет грудной клетки принадлежал молодому человеку мужского пола, которого археологи окрестили Турканским мальчиком. С этим мальчиком мы познакомимся поближе в следующей главе.

Находки ископаемых ребер видов, предшествовавших Homo erectus, очень скудны и редки. Во всяком случае, человек прямоходящий – это не самый ранний вид, удостоенный чести называться человеком. Есть два других вида рода Homo, жившие около 2,4 миллиона лет назад: человек умелый, Homo habilis, и человек рудольфский, Homo rudolfensis (правда, это довольно неоднозначная тема, так как не все ученые согласны, что эти два вида можно отнести к роду Homo). Эти два вида известны нам по сохранившимся черепам, нижним челюстям и зубам. Находки других частей скелета этих людей практически отсутствуют.

Было найдено очень немного остатков ребер, которые, предположительно, могли принадлежать предкам рода Homo. Один из таких видов был открыт сыном палеонтолога Ли Бергера, работавшего в Южной Африке в 2008 году. Пока отец работал в раскопе, девятилетний Мэтью, гуляя по окрестностям, наткнулся на камень, из которого торчало нечто, очень похожее на кость. Мальчик принес камень папе, который немедленно опознал в выступающей кости ключицу, а потом, перевернув камень, обнаружил еще и часть челюсти с хорошо сохранившимися зубами. Мэтью Бергер обнаружил ископаемые останки неизвестного до тех пор вида, который его отец Ли Бергер назвал Australopithecus sediba. Кости эти, как оказалось, находились в расщелине пещеры – естественной «ловушке», в которую падали древние гоминиды. На языке народа сото «седиба» означает «колодец» или «источник». После того случайного открытия близ поселка Малапа были обнаружены сотни костей нескольких индивидов, принадлежавших к тому же виду австралопитеков. Возраст находки оценивается примерно в два миллиона лет.

Australopithecus sediba обладал странной смесью признаков, некоторые из которых были очень архаичными, а другие, наоборот, более близкими к роду Homo. В останках из Малапы сохранилось множество ребер, по большей части из верхних и средних отделов грудной клетки. Верхняя часть грудной клетки этих гоминид имела коническую форму, то есть походила на грудные клетки человекообразных обезьян. Поэтому нет никаких сомнений, что Australopithecus sediba был гоминидом и ходил на двух ногах, но если его грудная клетка была, помимо того, воронкообразной, то он не мог эффективно пользоваться при ходьбе верхними конечностями, как это делаем мы, экономя энергию. Вероятно, этот представитель гоминид не мог быстро ходить или бегать на дальние расстояния.

Глядя на Турканского мальчика и на Australopithecus sediba, легко предположить, что у ранних гоминид была воронкообразная, а у поздних – бочкообразная грудная клетка, как у нас. Правда, есть еще одна находка, которая ставит под сомнение такое допущение. В 2005 году, в провинции Афар, в Северной Эфиопии, были найдены останки Кадануумуу – там же, где были в свое время обнаружены останки знаменитой Люси – Australopithecus afarensis. Возможно, Кадануумуу принадлежит к тому же виду, что и Люси, но он намного крупнее. Собственно, «Кадануумуу» на местном афарском диалекте и означает «большой человек». Люси была ростом около одного метра (для сравнения можно сказать, что это рост трехлетнего ребенка), а Кадануумуу имел рост 1,5–1,7 м.

В скелете Кадануумуу сохранились пять целых ребер. Этого вполне достаточно, чтобы предположить, что его грудная клетка была широкой в верхнем отделе, а значит, имела скорее бочкообразную, а не воронкообразную форму. Вместе с другими анатомическими признаками этот говорит о том, что Кадануумуу полностью отказался от жизни на деревьях и ходил по земле на двух ногах.

Это тем не менее представляется довольно странным. Если Кадануумуу и Australopithecus sediba являются прямыми предками человека, то это означает, что у ранних гоминид были вначале обезьяньи грудные клетки, затем «человеческие» грудные клетки (Кадануумуу), затем они снова стали похожими на обезьяньи (Australopithecus sediba), а с появлением человека прямоходящего (Homo erectus) грудные клетки снова стали человеческими. Все это выглядит так, будто Australopithecus sediba сделал эволюционный шаг назад, снова заимев приподнятые в вечном удивлении плечи и вернувшись к древесному образу жизни. Видимо, этот австралопитек висел на ветвях в те моменты, когда не ковылял по земле.

Но думать так о ходе эволюции по меньшей мере непродуктивно, и вот почему. Не всегда мы можем ожидать простых путей и прямолинейных направлений развития. Эволюция гоминид, так же как эволюция любых близкородственных между собой групп животных, не является «парадным маршем к прогрессу». Эволюция гоминид, продолжавшаяся 6–7 миллионов лет, представляет собой не один побег, растущий из какой-то ветви обширного древа жизни в виде аккуратной линейной последовательности видов, а небольшое, но вполне самостоятельное ветвистое дерево, и каждый вид на этом пучке побегов мог адаптироваться к своей среде обитания способами, которые мы только теперь начинаем понимать. Разнообразие форм грудной клетки среди гоминид может быть простым отражением различных способов движения, так как различные гоминиды проводили разное количество времени на деревьях или на земле, отдавая предпочтение либо лазанию, либо ходьбе на двух ногах.

Знаменитые ископаемые останки Australopithecus afarensis

Иногда бывает очень трудно понять, к какой из ветвей фамильного древа гоминид принадлежит тот или иной вид. Мы можем, конечно, предположить существование каких-то связей между видами, но не можем быть на сто процентов уверены в правильности наших предположений. Какие-то виды могли быть связующим звеном между древними гоминидами и нами, а какие-то дали свои, отдельные ветви. Другая возможность заключается в том, что мы слишком усердно пытаемся втиснуть какие-то виды в нашу родословную последовательную цепочку: возможно, в конечном счете Australopithecus sediba и не является нашим предком, а в действительности представляет собой лишь боковую ветвь древа гоминид.

Можно сказать, что мы в конечном счете пытаемся понять, почему получили грудную клетку не такой формы, как другие человекообразные обезьяны. Мы стараемся выяснить, когда бочкообразная грудная клетка заменила воронкообразную в линии наших прямых предков. Но – и это весьма интригующая возможность – вероятно, что такое допущение является изначально ложным. Мы исходили из предположения, что самые ранние гоминиды обладали воронкообразными грудными клетками, но у нас слишком мало данных для того, чтобы быть уверенными в правильности такого предположения. Что, если ранние гоминиды, так же как и мы, с самого начала обладали бочкообразными грудными клетками?

Воронкообразные грудные клетки характерны для человекообразных обезьян, но есть и исключения из этого правила. В то время как орангутаны, шимпанзе и гориллы обладают воронкообразными грудными клетками с расходящимися в стороны нижними ребрами, более далекие наши родственники гиббоны и сиаманги обладают бочкообразными грудными клетками – миниатюрными копиями наших, человеческих грудных клеток. У людей отсутствуют мышцы, помогающие обезьянам повисать на ветвях, но эти мышцы присутствуют у человекообразных обезьян. Либо люди утратили эти мышцы в ходе эволюции, развиваясь от древолазающих предков, либо у наших непосредственных предков этих мышц не было с самого начала. Более 30 лет назад, после изучения развития мускулатуры у человекообразных приматов, некоторые палеоантропологи предположили, что люди, вероятно, развились из маленькой человекообразной обезьяны, грудная клетка которой формой напоминала грудную клетку гиббона.

Это переворачивает с ног на голову все идеи об эволюции формы грудной клетки. Мы исходили из предположения о том, что последний общий предок людей и крупных человекообразных обезьян обладал воронкообразной грудной клеткой и что ныне живущие обезьяны сохранили эту форму, в то время как у людей эта форма изменилась и грудная клетка стала напоминать сплюснутый спереди назад бочонок. Но на деле может оказаться, что последний наш общий предок имел как раз бочкообразную грудную клетку, а у крупных человекообразных обезьян ее форма изменилась и стала воронкообразной, потому что эти обезьяны приспособились к лазанию по деревьям, поддерживая вертикальное положение туловища. Возможно, люди в этом отношении как раз проявили консерватизм, сохранив бочкообразную форму грудной клетки, такую же, как у наших древних предков. Мы всегда склонны думать о себе как о некоем особом виде, который сильнее других приматов изменился в сравнении с общим для всех человекообразных обезьян предком. Форма грудной клетки может стать примером того, что люди в некоторых отношениях изменились в ходе эволюции меньше, чем другие человекообразные.

Грудная клетка неандертальцев

Форма вашей грудной клетки не только тесно связана с осанкой и тем, как вы двигаетесь (будучи обезьяной с вертикальным положением тела, переставшей виснуть на ветвях деревьев и начавшей размахивать руками во время ходьбы на двух ногах), но также может многое рассказать и о вашем образе жизни. Или, по крайней мере, размер грудной клетки способен поведать нам кое-что важное, особенно если мы сравним себя с самыми ближайшими из ближайших наших родичей – с вымершими ныне неандертальцами.

Наиболее полно сохранившаяся грудная клетка неандертальца была обнаружена в пещере Кебара (К-2) – среди частей того же скелета, в составе которого была обнаружена подъязычная кость, с которой мы познакомились в главе «Речь и жабры». Невероятно, но образец грудной клетки из пещеры К-2 содержал фрагменты всех ребер, и поэтому, в отличие от фрагментов грудных клеток более ранних гоминид, в данном случае практически не осталось сомнений в отношении истинной формы грудной клетки неандертальцев.

Глядя на неандертальские кости, я всегда поражалась их мощи и крепости в сравнении с костями современного человека. Скелет даже самого крепкого представителя англосаксонской расы выглядит хрупким в сравнении со скелетом неандертальца. Каждая кость (за исключением, как это ни странно, весьма длинной и тонкой ключицы) выглядит как фантастически увеличенная копия соответствующей кости современного человека. Весь скелет в целом тоже производит впечатление невероятной прочности. В глаза бросается массивная грудная клетка. В сравнении с ребрами современных людей ребра из останков пещеры К-2 крупнее – как по абсолютной величине, так и по отношению к размерам остального тела. Длинные ребра означали, что объем грудной клетки неандертальца, вероятно, превышал объем грудной клетки современного человека. Правда, даже эти хорошо сохранившиеся неандертальские ребра подверглись деформации от долгого пребывания в земле, и поэтому довольно трудно судить о том, было ли увеличение объема легких следствием увеличения передне-заднего размера или бокового расширения грудной клетки. Чтобы получить ответ на этот вопрос, надо найти целые ребра неандертальцев.

Тем не менее, несмотря даже на деформацию ребер, можно с уверенностью сказать, что грудная клетка неандертальцев была не только больше нашей, но и имела другую форму. Самое верхнее и самое нижнее ребра неандертальца не отличаются по размеру от соответствующих ребер современного человека, но средние ребра у неандертальца гораздо крупнее. Если грудная клетка современного человека имеет бочкообразную форму, то можно сказать, что грудная клетка неандертальца по форме представляла собой какую-то супербочку. Вероятно, большой объем грудной клетки говорит о том, что у неандертальца были и большие легкие (правда, сказать это со всей определенностью невозможно, потому что мы не знаем, как выглядела диафрагма у неандертальцев, а от положения, формы и подвижности диафрагмы в конечном счете и зависит объем легких). Надо, правда, признать, что у современных людей большой объем грудной клетки означает и большой объем легких. Живущие в высокогорных Андах люди имеют грудные клетки большого объема, в которых находятся легкие тоже большого объема.

Неандертальцев часто описывают как людей, приспособленных к холоду, и высказывают предположение о том, что большая грудная клетка и большие легкие были приспособительными признаками. Есть, правда, серьезные основания полагать – даже при отсутствии достаточного количества прилично сохранившихся ребер, – что грудные клетки подавляющего большинства наиболее древних гоминид из Европы и Африки тоже были весьма массивными. Мы уже говорили о том, что форма грудной клетки соответствует форме таза. Недавно обнаруженный очень широкий таз Homo erectus (найденный в Эфиопии, в области Гона, – к этой находке мы вернемся позже) позволяет предположить, что широкая, мощная кость была характерна для древних представителей рода Homo. Это означает, что неандертальцы, вместо того чтобы приспосабливаться к холоду увеличением размеров грудной клетки и легких, просто воспользовались примитивным планом строения своего тела и не стали от него отказываться, попав в холодный климат, в то время как современные люди порвали с первоначальным планом строения тела и стали более хрупкими и стройными, чем наши сравнительно недавние предки. Большая грудная клетка неандертальцев и других древних видов рода Homo была, вероятно, им необходима для повышения уровня потребления кислорода, обеспечивающего потребности крупного тела на фоне высокой физической активности. В то время как нам для поддержания адекватного обмена веществ необходимо 2000–2500 килокалорий в день, неандертальцу, по некоторым оценкам, требовалось от 3500 до 5000 килокалорий в день. Высокое потребление калорий, которое позволяет производить больше тепла, означало, что неандертальцы были самой природой приспособлены к холодным условиям окружающей среды. Но такое предположение весьма далеко от утверждения, будто скелет неандертальцев сформировался в ответ на изменения внешней среды.

Сердце

Наша грудная клетка может и формой, и размерами отличаться от грудных клеток других человекообразных обезьян и наших предков гоминид, но то, что происходит внутри грудной клетки, очень похоже у всех обезьян, да, собственно говоря, и у всех млекопитающих. Загляните в грудную клетку любого млекопитающего, и вы увидите пару легких и сердце с четырьмя камерами: левым предсердием и левым желудочком и правым предсердием и правым желудочком. Правые камеры сердца перекачивают дезоксигенированную (бедную кислородом, но насыщенную углекислотой) кровь в легкие, где она насыщается кислородом, а затем возвращается в сердце, но уже в левые камеры, откуда выбрасывается в аорту и разносит кислород и питательные вещества по всему организму. Весь цикл можно продемонстрировать в виде восьмерки, петли которой проходят сначала через правые, а затем через левые отделы сердца. Однако оба отдела сердца – и правый и левый – сокращаются одновременно, поэтому правый желудочек выталкивает кровь в легкие одновременно с тем, как левый желудочек выталкивает кровь в аорту, а через нее во все артерии тела. Такое двойное кровообращение характерно для всех дышащих воздухом наземных животных, включая и нас с вами. У рыб сердце устроено по-другому – у них нет правых и левых отделов, а значит, нет и двух кругов кровообращения. И все же наше эмбриональное развитие показывает нашу связь с древнейшими предками – рыбами с их более просто устроенными сердцами.

Развитие сердца в эмбриональном периоде

Наше сердце начинает развиваться в эмбриональном периоде невероятно рано. Уже на стадии трехслойного зародышевого диска, когда человеческий зародыш напоминает сплющенный бутерброд с джемом и еще до того, как эмбрион сворачивается в три вставленных друг в друга цилиндра, образуется скопление клеток, из которого суждено развиться сердцу. Эти клетки образуют трубки, в форме двойной подковы окружающие края зародышевого диска. На четвертой неделе, когда эмбрион начинает сворачиваться в трубку, концы подковы срастаются в передней части зачатка тела, а две трубки сливаются в одну, образуя первичную сердечную трубку. Когда на боковых поверхностях шеи образуются жаберные дуги, внутри их формируется последовательность аортальных дуг, соединяющих сердце с двумя сосудами, проходящими вдоль спины зародыша: с двумя дорсальными (спинными) аортами.

Уже на четвертой неделе после зачатия трубчатое эмбриональное сердце начинает сокращаться, выталкивая новообразованные клетки крови в новообразованные кровеносные сосуды. Сердце и система кровообращения – это система массопереноса. Отдельные клетки и их небольшие скопления могут обмениваться газами, питательными веществами и отходами жизнедеятельности только за счет диффузии, но, когда организм становится достаточно большим, требуется транспортная система, которая разносила бы вещества по организму. Кислород и питательные вещества в такой системе могут доставляться к клеткам, расположенным на большом удалении от места газообмена или от мест всасывания питательных веществ, а отходы жизнедеятельности доставляются туда, где они могут быть удалены из организма. Сердце и кровеносные сосуды образуют систему кровообращения – то есть именно такую систему массопереноса.

Когда сердце эмбриона начинает сокращаться, его система кровообращения представлена одним кругом, как у рыбы. В этот период крошечное эмбриональное сердце человека сильно напоминает рыбье сердце. Именно это обстоятельство может послужить оправданием Геккелю за его интерпретацию рекапитуляции как «эмбриогенеза высших животных, повторяющего филогенез (то есть в своем эмбриогенезе высшие животные повторяют форму взрослых особей более примитивных животных)».

Сердце рыбы представляет собой мышечную трубку, в которую кровь входит в «хвостовом» отделе, а покидает ее через «головной» отдел. Отсюда кровь течет по жаберным артериям, где насыщается кислородом, а затем впадает в две спинные аорты, которые затем сливаются в один более крупный сосуд. Сердце и жаберные дуги пятинедельного человеческого эмбриона выглядят точно так же, как они выглядят у взрослой рыбы. Однако у человека кровь насыщается кислородом совершенно в другом месте: не в жабрах (потому что, хотя у человеческого эмбриона есть жаберные дуги, они никогда не становятся полноценными жабрами) и не в легких (потому что они только начинают развиваться, а кроме того, заполнены не воздухом, а амниотической жидкостью). Эмбрион (с восьмой недели беременности его принято называть плодом) получает кислород и все необходимые питательные вещества от матери – через плаценту. Одна вена несет оксигенированную (насыщенную кислородом) кровь из плаценты к плоду. Эта кровь поступает в сердце эмбриона и прокачивается через жаберные дуги по нескольким дуговым артериям, а оттуда поступает в спинную аорту, откуда растекается по артериям по всему телу. Две пупочные артерии уносят лишенную кислорода кровь от эмбриона обратно в плаценту.

Такая, состоящая из одного круга, система кровообращения годится для человека, пока он является эмбрионом и плодом, но она не будет работать после рождения, когда новорожденному приходится дышать атмосферным воздухом. Состоящая из одного круга система кровообращения достаточна для рыбы, которая захватывает кислород из воды и сама окружена водой. Сердце рыбы способно сокращаться с силой, достаточной для того, чтобы в ходе одного сокращения вытолкнуть кровь в жабры и, насытив ее кислородом, потом заставить течь по сосудам всего остального организма. Человек – существо, дышащее воздухом, и находится в окружении атмосферы, давление в которой намного ниже, чем давление в воде, и, более того, давление в легких падает ниже атмосферного в момент расширения грудной клетки и легких на вдохе. Если бы у людей была система кровообращения, состоящая только из одного круга, то вытолкнуть кровь в легкие надо было под таким давлением, чтобы, покинув легкие, поток крови сохранил энергию, достаточную для поступления во все остальные сосуды тела. Для этого сердцу пришлось бы развить очень высокое давление, под действием которого кровь прорвала бы тонкие стенки капилляров и излилась бы в воздухоносные полости легких.

В этом и смысл системы кровообращения, состоящей из двух кругов. Одна сторона сердца качает кровь в легкие под сравнительно низким давлением. В легких кровь насыщается кислородом, а затем возвращается в сердце, но уже с другой стороны. На этот раз кровь выталкивается из сердца под более высоким давлением, достаточным для того, чтобы снабдить кислородом голову, кончики пальцев рук и ног, то есть проникнуть во все разветвления артерий, во все капилляры тела. При патологическом состоянии, когда левая половина сердца неспособна эффективно выталкивать кровь в аорту, давление в легких сильно повышается. Двойная система кровообращения в этой ситуации не может функционировать нормально, не может проталкивать кровь через легкие так, чтобы жидкая часть крови не поступала в воздухоносные альвеолы легких. При отсутствии лечения повышение давления в легочных венах приводит к постепенному заполнению легких жидкостью. Альвеолы, где должен происходить обмен газов, наполняются «водой», и пациент буквально захлебывается собственной кровью.

Будучи эмбрионом или плодом, плавая в «пруду» амниотической жидкости и получая кислород от матери через плаценту, человек не нуждается в циркуляции крови в легких под низким давлением. У плода кровообращение состоит из одного круга, как у рыбы. Для начала скажем, что у эмбриона сердце и внешне похоже на сердце рыбы. Однако к моменту рождения у человеческого сердца появляются правые и левые предсердия и желудочки, но до появления на свет сердце вынуждено работать в режиме только одного круга кровообращения. Так происходит до тех пор, пока ребенок не родится и не сделает первый вдох. Таким образом, эмбриональное развитие сердца усложняется, так как требует присутствия особого клапана, который позволял бы крови попадать непосредственно из правого отдела сердца в левое, но который закрывается при рождении, надежно изолируя обе половины сердца друг от друга, а значит, и легочный круг кровообращения – от большого круга.

Развитие сердца в эмбриональном периоде

Но на четвертой неделе эмбрионального развития сердце представляет собой сокращающуюся мышечную трубку, проталкивающую кровь в дорсальные аорты через аортальные жаберные дуги. У этого сердца есть последовательно соединенные камеры – примитивное предсердие и примитивный желудочек. Постепенно эта трубка начинает приобретать S-образную форму, становясь окончательно похожей на рыбье сердце.

Однако изгибание продолжается, в результате чего примитивное предсердие оказывается позади желудочка. После этого начинается разделение сердца на правую и левую половины – в камерах возникают перегородки, напоминающие раздвижные двери. Желудочек окончательно делится на две изолированные камеры, так же как и выносящий тракт, из которого образуются аорта и общий ствол легочной артерии. Не так просто обстоит дело с эмбриональным предсердием. Разделяющая перегородка начинает расти сверху, но еще до того, как она достигнет дна предсердия, в ней, в верхнем отделе возникает так называемое овальное отверстие, соединяющее правое и левое предсердия. Слева от первой начинает расти еще одна перегородка. У этой перегородки отверстие образуется в нижнем отделе. Эта хитроумная конструкция позволяет крови эмбриона свободно течь из одной половины сердца в другую. Насыщенная кислородом кровь пупочной вены поступает в сердце через нижнюю полую вену, то есть в правое предсердие, а оттуда, через овальное отверстие, попадает в левое предсердие.

Такое плодное кровообращение превосходно годится для плода, но все уже готово к изменениям, которые станут необходимыми, как только новорожденный сделает свой первый вдох. В этот момент легкие расширяются и в первый раз засасывают в себя воздух. Кровь устремляется в область пониженного давления, то есть в сосуды легких, а из них кровь по легочным венам поступает в левое предсердие. Повышение давления в левом предсердии прижимает вторую перегородку к первой, что приводит к запиранию клапана, расположенного между предсердиями, которые отныне оказываются функционально разделенными. В течение нескольких месяцев обе перегородки срастаются, но следы прежних отверстий можно обнаружить и в сердце взрослого человека. Если заглянуть в такое сердце, то на месте бывшего овального отверстия в правом предсердии можно рассмотреть углубление – овальную ямку – след овального отверстия.

Кровообращение плода

Эмбриональное развитие – очень сложный процесс, и остается только удивляться, что он не очень часто нарушается. Само образование клапана внутри сердца означает, что в этом «тонком» месте может возникнуть патология. Если перегородки не перекрываются, то полноценный клапан не сможет образоваться, и отверстие сохранится и у взрослого. Если оно небольшое, то у человека не будет заметных неприятностей, такие отверстия со временем могут самостоятельно зарасти. Однако если отверстие большое, то кровь из левого предсердия будет поступать в правое и повышать давление в правой половине сердца – то есть делать то, чего организм стремился всеми силами избежать, создавая два изолированных друг от друга круга кровообращения. Высокое давление крови в легочных артериях – это серьезное нарушение гемодинамики, которое приводит к многочисленным патологическим изменениям в сердце и кровеносных сосудах, которые вынуждены приспосабливаться к ненормально высокому давлению. К счастью, в наше время есть возможность рано диагностировать незаращение овального отверстия (с помощью особого вида УЗИ – эхокардиографии) и ликвидировать его хирургическим путем, иногда даже методами эндоскопической хирургии.

Образование легких

Сердце начинает сокращаться уже на четвертой неделе эмбрионального развития и играет важную роль в жизни плода все время, пока он находится в чреве матери. Легкие формируются гораздо дольше, и в этом есть определенный смысл, потому что плоду они понадобятся приблизительно на сороковой неделе после зачатия, а точнее, после рождения, когда ребенку впервые придется дышать, самостоятельно добывая кислород из атмосферного воздуха.

Когда крошечный зародышевый диск длиной всего несколько миллиметров сворачивается в трубку, превращаясь в три вставленных друг в друга цилиндра, начинается формирование кишечника. Первичной кишечной трубкой становится внутренний из трех цилиндров. Именно из этой трубки на пятой неделе внутриутробного развития начинают образовываться легкие. Поначалу они представляют собой крошечный бугорок – легочную почку, которая растет вперед из кишечной трубки. Почка растет и ветвится. Правая почка разветвляется на три части, а левая – на две. Это находит отражение и в строении легких взрослого человека – правое легкое состоит из трех долей, а левое – из двух. Из шестой дуговой артерии в почки начинают прорастать кровеносные сосуды – это предшественники сосудов легочной системы кровообращения.

Легочные почки выпячиваются из переднего отдела кишки эмбриона

В течение следующих недель почки продолжают расти и ветвиться, делясь приблизительно двадцать раз, в результате чего образуются тысячи мельчайших ветвей на периферии этого дыхательного дерева. На концах этих веточек появляются пузырьки, зачатки альвеол, где после рождения будет происходить обмен газов в процессе дыхания. Группа таких пузырьков образует на конце каждой веточки подобие маленькой ягодки ежевики.

Легкие развиваются так медленно, что эта медлительность может стать причиной дыхательной недостаточности в случае рождения недоношенного ребенка. У такого ребенка альвеолы могут оказаться незрелыми, не готовыми к осуществлению газообмена. Клетки, выстилающие стенки крошечных зачаточных альвеол, поначалу имеют округлую форму, но потом уплощаются, становясь все тоньше и тоньше, и в это же время происходит разрастание капилляров в окружающей соединительной ткани. К двадцать четвертой неделе беременности в альвеолах плода уже достаточно плоских клеток, оплетенных капиллярами, чтобы плод имел все шансы на выживание.

Еще одна проблема незрелых легких заключается в недостатке сурфактанта – маслянистого вещества, секретируемого особыми клетками альвеол и выстилающего альвеолы изнутри. Эта жидкость снижает поверхностное натяжение слоя жидкости в альвеолах и препятствует их спаданию. Альвеолы в отсутствие сурфактанта подвержены риску схлопывания из-за механизма, лежащего в основе работы легких, – они расширяются, создавая отрицательное давление по отношению к атмосферному давлению, благодаря чему воздух и засасывается в них, но одновременно это отрицательное давление втягивает тонкие стенки альвеол в их полость. Количество сурфактанта в легких увеличивается в течение последних нескольких недель нормальной беременности (которая продолжается сорок недель, если считать от последней менструации, или тридцать восемь недель, если считать от дня оплодотворения); к этому времени альвеолы достигают определенной степени зрелости, но продолжают развиваться в течение еще приблизительно полутора лет после рождения.

Может показаться странным, что легочные зачатки отпочковываются от пищеварительного тракта, но задумайтесь на минуту об анатомии взрослого человека. Начальный отдел дыхательного тракта – гортань – тесно связан с глоткой. Глотка – это мышечная трубка, которая соединяет задние отделы носовой и ротовой полости с пищеводом. Другими словами, дыхательный тракт, даже у взрослого человека, по-прежнему прикреплен к пищеварительному тракту.

Каждое животное, живущее на суше, а это практически любое четвероногое животное (амфибия, рептилия, птица или млекопитающее), вынуждено добывать кислород из воздуха. Некоторые амфибии, включая их самую крупную группу – саламандр, – поглощают кислород через поверхность кожи, но большинство остальных наземных животных, включая и нас с вами, усвоили другой способ поглощения кислорода – с помощью легких. Смена среды обитания с водной (с использованием жабр для дыхания) на воздушную (с использованием легких) представляется грандиозным шагом вперед, но если взглянуть более пристально на анатомию рыб, то этот прорыв начинает казаться менее впечатляющим. Дело в том, что образование воздушных мешков в виде двустороннего выпячивания примитивной кишечной трубки в эмбриональном периоде характерно не только для дышащих воздухом четвероногих животных.

Гортань – это трубка, прикрепленная к глотке

У большинства костных рыб – от бычка до осетра – есть плавательный пузырь. Это воздушный мешок, и развивается он у эмбриона рыбы в виде выпячивания кишечной трубки. Стенки этого воздушного мешка, как и альвеолы млекопитающих, содержат множество мелких кровеносных сосудов, позволяющих газам диффундировать либо в просвет плавательного пузыря, либо обратно, в кровь сосудов. У многих рыб исходная связь плавательного пузыря и кишечной трубки утрачивается, но у некоторых видов (карп, форель, сельдь, угорь и пр.) остается открытый проток, соединяющий плавательный пузырь с кишкой. Это означает, что рыба может удалить избыток газа из плавательного пузыря через рот или, наоборот, добавить воздух в пузырь, заглатывая его ртом над поверхностью воды. Другими словами, такого рода плавательный пузырь может работать как легкое, частично участвуя в газообмене. Таким образом, мы неожиданно выяснили, что переход от дышащей жабрами в воде рыбы к дышащему воздухом четвероногому животному не был таким уж внезапным.

На Земле и сейчас живет несколько видов, на примере которых еще отчетливее можно видеть связь между дыхательным аппаратом рыб и дыхательным аппаратом четвероногих. У некоторых рыб плавательные пузыри так хорошо приспособлены к газообмену, что их вполне можно назвать легкими. У этих легких, так же как и у наших, есть даже маленькие воздушные альвеолы. Этих рыб – как вы уже, вероятно, догадались – называют двоякодышащими. (Есть, правда, и другие рыбы, родственники двоякодышащих, обладающие легкими и способные дышать атмосферным воздухом; это наши еще более дальние родственники, полиптерусы (биширы) – древнейший род из семейства многопёровых, у которых тоже есть легкие, но они имеют гладкую внутреннюю поверхность, лишенную альвеол, в отличие от двоякодышащих рыб.)

Неудивительно поэтому, что из всех костных рыб двоякодышащие рыбы являются ближайшими родственниками четвероногих животных. В настоящее время на Земле обитают три вида двоякодышащих рыб – в Африке, Бразилии и Австралии. У всех двоякодышащих, как и у остальных рыб, есть жабры, однако если австралийская двоякодышащая рыба может дышать исключительно жабрами, то ее бразильские и африканские родичи задохнутся, если их все время держать под водой. Способность дышать воздухом и зависимость от такого типа дыхания они унаследовали от предков, общих для них и земноводных. Подобно амфибиям, двоякодышащие рыбы обладают легкими, которые соединены с глоткой и снабжаются кровью из шестой дуговой аортальной дуги. Все это звучит очень знакомо, потому что, по сути, то же самое имеет место и в человеческом организме. В отличие от других рыб – и подобно амфибиям – у двоякодышащих рыб предсердия и желудочки частично разделены. Насыщенная кислородом кровь отделена от лишенной кислорода крови, которая возвращается по венам в сердце от всех участков тела. Тракт, выносящий кровь из сердца, снабжен спиральным клапаном, разделяющим два потока крови. Бедная кислородом венозная кровь направляется в нижнюю пару аортальных дуг, по которым она поступает в жабры и легкие, а обогащенная кислородом кровь поступает в вышележащие дуги, откуда распределяется по всему телу.

Двоякодышащие рыбы – в качестве живого примера – наглядно показывают нам, как возникли легкие наземных животных. Легкие двоякодышащих рыб – это фантастический пример предрасположенности эволюции к использованию в ином качестве уже имеющихся структур и зачатков, а также и генов, которые начинают принимать участие в новых функциях. Иногда существующие структуры и гены удваиваются перед тем, как взять на себя новые роли. В нашей ДНК гены усваивают новые роли благодаря дупликации, но то же самое может происходить и с куда более крупными анатомическими структурами. Например, у ранних млекопитающих произошло удвоение сустава нижней челюсти, что позволило некоторым костям мигрировать в ухо и превратиться в слуховые косточки. Другой способ, каким определенные структуры могут брать на себя новые роли, заключается в том, что они – совершенно случайно – начинают исполнять новую функцию, когда старая себя изживает и становится лишней. Воздушный пузырь, выросший из кишки, который уже существовал у наших дышавших жабрами в воде предков, оказался необходимым для дыхания атмосферным воздухом, когда наши четвероногие предки выползли на сушу. Эволюция любит использовать непредвиденные возможности, которые оказываются в ее распоряжении.

Кишки и желточный мешок Связь между яйцекладущими предками и плодоядными обезьянами

Мы признаем, что похожи на человекообразных обезьян, но редко осознаем, что мы и есть человекообразные обезьяны.

Ричард Докинз

Рост и изгибы кишечной трубки

До того как появляются такие интересные отростки, как плавательные пузыри или легкие, эмбриональная кишка – говорим ли мы о рыбах, птицах или людях – представляет собой всего лишь энтодермальную трубку: внутренний из трех цилиндров свернутого в трубку зародышевого диска. Трубка эта заканчивается слепо с обеих сторон, потому что в это время у эмбриона нет ни рта, ни заднего прохода. В середине кишечная трубка сообщается с желточным мешком, расположенным снаружи от тела эмбриона.

Существование желточного мешка у человеческого эмбриона – это еще одно эхо эволюции, напоминание о том, что мы произошли от яйцекладущих предков. У их эмбрионов, развивающихся внутри яйца, то есть эмбрионов, которые развиваются вне материнского тела, желточный мешок очень велик и является важнейшим источником питательных веществ. Желток куриного яйца такой большой в сравнении с размером куриного эмбриона, потому что должен снабжать зародыш питанием до тех пор, пока цыпленок не вылупится из яйца и не начнет сам добывать себе пищу. У плацентарных млекопитающих (включая и нас с вами), у которых эмбрионы долго развиваются внутри тела матери, питательными веществами и кислородом плод снабжает плацента, и она же удаляет отходы жизнедеятельности эмбриона. В данной ситуации желточный мешок просто не нужен, но тем не менее он возникает и развивается. Желточный мешок человеческого эмбриона на ранней стадии его развития очень мал в сравнении с желтком эмбриона птицы, он постепенно дегенерирует и совершенно исчезает к моменту рождения ребенка.

Желточный мешок развивается из полости бластоцисты – полого шарика из клеток, который развивается в течение первой недели после зачатия и имплантируется в стенку матки. Когда эмбрион пребывает на стадии плоского трехслойного зародышевого диска, желточный мешок располагается ближе к нижнему, энтодермальному слою диска. Действительно, клетки энтодермы распространяются по внутренней поверхности желточного мешка и выстилают его. После этого зародышевый диск свертывается в трехслойную трубку из трех вставленных друг в друга цилиндров, а энтодерма образует внутренний цилиндр – кишечную трубку. Сообщение с желточным мешком на этой стадии сохраняется и со временем превращается в узкий проток – шейку желточного мешка.

В кишечной трубке различают три части – переднюю кишку, расположенную ближе к головному концу; среднюю кишку, расположенную в том месте, где с ней сообщается желточный мешок, и заднюю кишку, расположенную в хвостовой части эмбриона. Передняя кишка служит местом образования ротовой полости, глотки (включая почку, из которой впоследствии развиваются гортань, трахея и легкие), а также пищевода и желудка.

Средний отдел кишечной трубки увеличивается в длину весьма значительно, ибо из него образуются петли тонкого кишечника и половина толстого, а из заднего отдела кишечной трубки образуются остальные отделы – до прямой кишки и анального канала. Часть заднего отдела выпячивается, образуя зачаток мочевого пузыря.

На верхнем рисунке показан срез по продольной оси эмбриона на ранней стадии свертывания. На нижнем рисунке слева показан такой же срез на более поздней стадии, а на рисунке справа внизу показан поперечный разрез эмбриона на той же стадии развития

Желудок начинает формироваться на пятой неделе эмбрионального развития в виде расширения в переднем отделе кишечной трубки. Утолщение со временем приобретает форму банана, одна сторона которого растет быстрее другой, что придает желудку характерную искривленную форму. Дальнейший рост превращает желудок в объемистый мешок, похожий по виду на желудок взрослого человека, где некоторое время хранится пища, откуда она малыми порциями поступает в кишечник для последующего переваривания и всасывания. Такие дополнительные пищеварительные органы, как печень, желчный пузырь и поджелудочная железа, тоже отпочковываются от переднего отдела кишечной трубки. Эти органы до конца жизни сохраняют исходную связь с кишечной трубкой: связующие структуры превращаются в протоки, по которым секрет (желчь из печени и панкреатический сок из поджелудочной железы) поступает в просвет тонкого кишечника.

Позади участка, где происходит выпячивание зачатков печени и поджелудочной железы, кишечник удлиняется. Это происходит так быстро, что тело эмбриона не успевает за ним, и кишечник разрастается настолько, что выходит за пределы тела зародыша в пупочный канатик. Другими словами, возникает кишечная грыжа. Если врач на приеме спросит, не было ли у вас грыжи, то вы, скорее всего, ответите, что нет, хотя на самом деле грыжа в эмбриональном периоде была у всех нас. Представьте, у каждого из нас была грыжа – кишки выпячиваются через переднюю стенку живота, начиная с пятой недели внутриутробного развития. К счастью, у подавляющего большинства людей петли кишечника возвращаются в брюшную полость, по мере роста эмбриона, до восьмой недели после зачатия, то есть к моменту, когда эмбрион начинают называть плодом. Петля кишок, в процессе выпячивания из брюшной полости и возвращения обратно, претерпевает поворот, в ходе которого нижнее плечо петли оказывается впереди верхнего. Этот поворот создает строение, характерное для кишечника взрослого человека: поперечная ободочная кишка, горизонтально расположенная часть толстого кишечника, находится впереди начального участка тонкого кишечника – двенадцатиперстной кишки.

Развивающаяся кишка в начале шестой недели внутриутробного развития – виден рост желудка, а от среднего отдела кишечной трубки отпочковываются печень и поджелудочная железа

Фантастическое путешествие

Теперь я знаю, что у меня есть незначительная аномалия в строении кишечника. В 2007 году я решила в порядке эксперимента пройти капсульное эндоскопическое исследование, которое в народе называют глотанием «камеры-таблетки». Для этого я отправилась в госпиталь «Селли-Оук» в Бирмингеме, где гастроэнтеролог Рой Коккел изъявил готовность помочь мне визуализировать мои кишки с помощью крошечной видеокамеры, вмонтированной в желтую капсулу.

Когда доктор Рой и его коллеги впервые начали применять камеру-таблетку, они оказались в состоянии визуализировать те отделы пищеварительного тракта, которые прежде не поддавались осмотру. Традиционная эндоскопия, в ходе которой в рот вводят гибкую трубку и проводят ее в пищевод, позволяет осмотреть желудок и начальную часть кишечника – двенадцатиперстную кишку (лат. duodenum), а вся процедура носит наименование эзофагогастродуоденоскопия (сокращенно ЭГДС), что в переводе с греческого означает: осмотр пищевода, желудка и двенадцатиперстной кишки. Эндоскоп можно ввести и с противоположного конца пищеварительной трубки – через задний проход – и осмотреть толстый кишечник до слепой кишки включительно. Это исследование называется колоноскопия (осмотр толстой кишки). Однако с помощью этих приборов не удается рассмотреть внутренность тонкого кишечника – многих метров пищеварительной трубки, расположенной между конечным отделом двенадцатиперстной кишки и конечным отделом подвздошной кишки. Использование КТ или МРТ позволило врачам увидеть петли тонкой кишки. Применение контрастных веществ позволяет также увидеть просвет и расширенные пространства внутри тонкого кишечника, но не позволяет рассмотреть тонкости строения слизистой оболочки кишечника и ее вид. Так было до изобретения волшебной видеопилюли.

Когда Рой Коккел начал применять эту миниатюрную видеокамеру, газета Birmingham Post сообщила о прогрессивном методе исследования и сравнила его с путешествием подводной лодки из фильма «Фантастическое путешествие», вышедшего на экраны в 1966 году. В этом фильме группа врачей взошла на борт подводной лодки, которую затем уменьшили до микроскопических размеров, и она пустилась в путешествие по кровеносным сосудам больного, по которым врачи добрались до тромба в сосуде головного мозга и ликвидировали этот сгусток. Капсульное исследование, конечно, не столь эффектно, но зато более контролируемо (вы можете себе представить, что будет, если в процессе исследования подводная лодка вдруг вырастет до своих нормальных размеров?) и позволяет рассмотреть состояние слизистой оболочки тонкого кишечника на всем его протяжении, что очень полезно, например, для больных, страдающих кишечным кровотечением, так как исследование позволит с большой точностью установить место кровотечения.

Когда я приехала к доктору Рою Коккелу, он для начала прикрепил к моему животу маленькие датчики и присоединил их к регистратору данных миниатюрной камеры, который должен был отслеживать и регистрировать изображения, собранные видеокамерой. Потом доктор Коккел показал мне саму камеру. Она оказалась немного больше, чем я себе воображала, но она все же была ненамного больше обычной капсулы антибиотика или витамина. Коккел держал камеру между большим и указательным пальцами, и я видела, как периодически загорается вспышка, что было объяснимо, так как съемку предстояло производить в кромешной тьме. Вспышка срабатывала два раза в одну секунду. За время исследования камере предстояло сделать около 50 тысяч снимков. Снимки мы могли наблюдать в последовательности, в режиме реального времени на экране обычного ноутбука. Сначала мы увидели снимок моего открытого рта, в момент, когда я глотала капсулу и запивала ее водой. Через несколько минут капсула уже прошла желудок и попала в двенадцатиперстную кишку – начальный отдел тонкого кишечника. В течение предшествовавших суток я не принимала внутрь ничего, кроме чистой воды, и теперь с большим удовольствием убедилась, что слизистая моего кишечника абсолютно чиста. Цвет слизистой оказался светло-розовым, а сама она немного рыхлой – из слизистой торчали многочисленные пальцевые выросты, придававшие ей бархатистый вид.

Никакой патологии обнаружено не было, если не считать небольшого бугорка, который, впрочем, не внушал никаких опасений. Много интереснее было то, что, как оказалось, у меня довольно необычная конфигурация кишечника. Путь капсулы был отмечен поворотами и изгибами, которые регистрировались датчиками, и, посмотрев на график движения капсулы, я заметила нечто не вполне обычное. Моя двенадцатиперстная кишка оказалась не похожей на эту кишку у большинства людей. Вероятно, ваша двенадцатиперстная кишка изгибается в виде красивой буквы С, затем поднимается позади желудка вверх, а затем делает изгиб кпереди, переходя в тощую кишку – следующий отдел тонкого кишечника. Моя двенадцатиперстная кишка идет своим путем. Она, как показала капсула, продолжает движение к югу, а петли тощей кишки начинаются в нижней части живота, причем справа, в то время как в подавляющем большинстве случаев начало тощей кишки расположено в верхней части живота, на его срединной линии.

Капсуле потребовалось три часа, чтобы пройти весь мой тонкий кишечник с помощью регулярных перистальтических сокращений его стенки, которые в норме проталкивают пищу. Картина стала туманной, когда капсула прошла в толстую кишку – я голодала недостаточно долго для того, чтобы очистить от содержимого этот участок пищеварительного тракта.

В течение двадцати четырех часов, как мне и говорили, капсула покинула мое тело, а так как я преисполнилась восхищением перед этим маленьким прибором, совершившим поистине фантастическое путешествие по моему кишечнику, я извлекла его (естественно, надев на руки латексные перчатки), отмыла и продезинфицировала. Капсула долго лежала на подоконнике в моей спальне как сувенир, до тех пор пока мой муж не решил, что это все-таки слишком – даже для него. (Капсулу я все же сохранила, просто положив ее в коробку; я сильно привязалась к ней и не могу просто взять ее и выбросить.)

В человеческом кишечнике нет ничего уникального

В принципе, человеческий кишечник мало отличается от кишечника других млекопитающих, особенно всеядных, которые едят все подряд – от мяса до растительной пищи. Я помню, как впервые вскрыла живот собаки на кафедре анатомии Бристольского университета, где иногда читала лекции студентам-ветеринарам и медикам. Я была поражена тем, насколько кишки собаки похожи на кишки человека, которые были лучше мне знакомы. Кишечник собаки немного короче человеческого, но в остальном ничем от него не отличается. Самым длинным кишечником отличаются вегетарианцы класса млекопитающих – у них он, кроме того, отличается и сложным устройством. Таким животным нужно большое пространство в полости пищеварительного тракта – большие бродильные чаны, – где можно переварить невообразимую смесь пережеванных листьев и бактерий, чтобы извлечь максимум питательных веществ из такой скудной диеты. У некоторых травоядных этот бродильный чан расположен в переднем отделе пищеварительного тракта, например в многокамерном желудке коровы. У других животных основное переваривание происходит в кишечнике. Например, у лошадей это громадная слепая кишка – гигантский, похожий на толстую сигару мешок, находящийся у основания толстого кишечника в нижней части живота и простирающийся вверх, до грудины. У нас, людей, нет ни многокамерного желудка, ни массивной слепой кишки; на самом деле структура, которую велеречиво называют слепой кишкой, – это всего лишь короткое начало толстого кишечника, ничем не напоминающее длинную кишку других травоядных животных. Эквивалентной, или гомологичной, структурой у людей является аппендикс, который у нас представляет собой узкую трубку, содержащую скопления иммунных клеток, но аппендикс слишком мал для того, чтобы играть заметную роль именно в пищеварении, то есть в ферментации растительной пищи. Наши кишки – это кишки всеядного животного, которые мы унаследовали от наших обезьяньих предков, чья диета содержала нечто более питательное, нежели траву и листья, а именно плоды.

Однако, несмотря на то что человеческие кишки могут напоминать кишки любой плодоядной обезьяны, ученые уже давно высказали мысль о том, что между нами и обезьянами есть большая, причем значимая разница, которая сыграла выдающуюся роль в эволюции человека. Эта разница заключается не в каких-то особенностях строения кишечника, но скорее касается его относительного размера. Представляется, что кишечник человека мал в сравнении с размерами его тела. В 1990-х это наблюдение связали с тем, что у человека очень велики относительные размеры головного мозга, и в результате родилась «гипотеза дорогой ткани».

Нет никакого сомнения в том, что у человека необычайно велик размер головного мозга и что наш большой мозг явился залогом успешности нашего биологического вида. Все наши выдающиеся способности, включающие способности ладить и сотрудничать друг с другом, создавать высокую культуру, должно быть, напрямую зависят от огромного органа, расположенного в наших головах. Тем не менее это очень требовательный и капризный орган. Мозг использует громадное количество энергии, до 20 % ее суточного потребления, притом что его вес составляет всего 2 % от веса человеческого тела. Представляется, что нашим предкам пришлось искать способ расплачиваться за эту «дорогую ткань», расположенную в черепе, – либо увеличением потребления энергии, либо за счет энергосбережения.

Если бы наши предки или мы с вами сегодня платили за мозг увеличением потребления энергии, то наш организм отличался бы более высокими показателями энергетического обмена, чем у других животных, и это можно было бы легко выяснить с помощью обычного обследования. В среднем у человека, весящего 65 кг, мозг весит 1,3 кг, а это на целый килограмм больше, чем можно было бы ожидать у животного с таким же весом и размером. В среднем энергетический обмен человеческого тела характеризуется потреблением одного ватта на один килограмм веса тела. При этом ткань мозга более требовательна, и один ее килограмм потребляет 11 ватт. Это значит, что лишний килограмм мозговой ткани потребовал бы дополнительных 10 ватт. Это, несомненно, сказалось бы на основном обмене, но ничто не говорит о том, что наша метаболическая активность выше, чем у животных одного с нами размера.

В середине 1990-х антропологи Лесли Айелло и Кристофер Дин исследовали эту проблему и полагали, что смогли ее решить. Они предположили, что рост мозга у гоминид, потребляющего много энергии, мог компенсироваться за счет уменьшения массы другой «дорогой ткани». Они изучили данные исследований об относительных размерах различных органов человеческого тела и решили, что нашли ответ. В то время как сердце, печень и почки имели размер и вес, которые можно было ожидать у примата весом 65 кг, вес кишечника оказался существенно меньше. Айелло и Дин предположили, что между размерами мозга и кишечника произошла «коэволюция», в процессе которой мозг увеличился, кишечник уменьшился, а основной обмен организма при этом остался на прежнем уровне. Авторы пошли дальше, утверждая, что уменьшение массы человеческого кишечника было связано с изменениями пищевого рациона, когда ранние гоминиды начали есть мясо. В конце концов, одно из морфологических отличий хищных от травоядных заключается именно в относительно меньшей длине кишечника. Длинный пищеварительный тракт не нужен животному, которое употребляет легко перевариваемую, калорийную и высококачественную пищу. Более поздние гоминиды смогли сберечь еще больше энергии, затрачиваемой на переваривание пищи, когда начали готовить пищу на огне. Сэкономленная на длине кишечника энергия, согласно представлениям авторов, пошла на выращивание большого головного мозга.

Айелло и Дин не были первыми, кто заметил связь между диетой и размером головного мозга, но прежние авторы были сосредоточены на важности большого мозга для поиска корма, но не занимались вопросом энергопотребления мозга и других органов. Животные, поедающие низкокачественный корм из листьев, по необходимости имеют очень длинный кишечник; у всеядных кишечник короче, у плотоядных – еще короче. Так как отыскать и съесть листья гораздо легче, чем выследить и поймать более подвижную добычу, то плотоядным пришлось обзавестись более массивным мозгом. Таким образом, если у животного короткий кишечник, то, скорее всего, у него большой головной мозг; верно и обратное утверждение. Однако Айелло и Дин считали, что и это еще не все: высокоэнергетическая диета и, следовательно, короткий кишечник – непременное условие формирования большого головного мозга.

В свое время эта теория подверглась резкой критике. Некоторые оппоненты указывали, что гипотеза не объясняла, почему увеличился мозг гоминид, но лишь показала, как это могло произойти при сжигании всей высвободившейся энергии. Справедливое возражение, но Айелло и Дин никогда и не утверждали, что нашли Святой Грааль палеоантропологии – причину сильного увеличения головного мозга у человека. Уменьшение размеров кишечника было, возможно, лишь conditio sine qua non, то есть непременным условием, без которого самого увеличения мозга просто не могло произойти.

Гипотеза стала еще более убедительной, когда ученые обнаружили, что правило, согласно которому малый кишечник сочетается с крупным мозгом и наоборот, оказалось действующим в отношении многих видов приматов. То же самое верно и в отношении некоторых видов рыб. Проблема состоит в том, что корреляция ничего не говорит о причинной связи. Нет никаких доказательств того, что для развития крупного головного мозга необходим короткий кишечник. Еще раз подчеркнем: вполне возможно, что большой головной мозг позволяет животному решать более сложные задачи и добывать более калорийную и высококачественную пищу, которую можно переваривать с помощью короткого кишечника, но это вовсе не означает, что животное нуждается в коротком кишечнике для того, чтобы высвободить энергию на развитие большого мозга и поддержание его функций. На самом деле строение организмов летучих мышей подрывает значимость данной гипотезы, потому что у разных видов этих животных большой мозг сочетается с длинным кишечником, а малый мозг – с коротким кишечником. Причем это имеет самое непосредственное отношение к поиску пищи. Летучие мыши с их длинным кишечником являются плодоядными животными, но у них большой мозг, потому что у них сильно развиты те отделы, которые отвечают за зрение и обоняние, что помогает находить нужные лакомые плоды. Соотношение между мозгом и кишечником весьма неоднозначно и сильно отличается у разных животных, поэтому некоторые исследователи считают, что эти параметры вообще не зависят друг от друга.

У теории «дорогой ткани» есть и другие сомнительные моменты, проявившиеся уже во время первой публикации. Было высказано предположение о том, что экономия энергии, необходимая для дополнительного роста головного мозга, могла осуществляться и за счет других тканей и органов тела, а также за счет увеличения времени сна или снижения общей физической активности. Кроме того, с точки зрения эволюции было бы логично полагать, что большой мозг появился до того, как уменьшился размер кишечника: увеличенный мозг стимулировал развитие умений и навыков (например, охоту и термическую обработку пищи), что, в свою очередь, позволило нашим предкам придерживаться более качественной диеты, в результате чего и произошло уменьшение длины кишечника. Действительно, есть полученные в экспериментах на животных данные о том, что размер кишечника может изменяться в течение жизни в ответ на изменения в пищевом рационе.

Есть также сомнения в отношении малой длины кишечника у человека. Относительные размеры органов человеческого тела вычисляли на очень малой, статистически недостоверной выборке, а известно, что анатомические параметры человеческого тела подвержены значительным вариациям. Кроме того, были проблемы с методами сравнения людей с другими приматами, на основании которых можно было бы делать выводы о предсказанной длине кишечника для человека. Большинство приматов можно грубо поделить на две большие группы – на приматов, питающихся листьями, и на приматов, питающихся фруктами. Человекообразные обезьяны в большинстве своем относятся к плодоядным животным, а следовательно, обладают более коротким кишечником, чем листоядные обезьяны, по крайней мере, если учитывать площадь поверхности слизистой оболочки кишечника. Таким образом, если объединить в одну группу всех приматов для того, чтобы предсказать, какими будут размеры кишечника у примата X, а примат X окажется плодоядным (или, например, всеядным), то мы получим завышенную оценку. Если построить график зависимости площади слизистой оболочки кишечника от размеров тела, то люди на этом графике окажутся в той же зоне, что плодоядные/всеядные животные, то есть именно там, где по прогнозу и должна находиться человекообразная обезьяна.

К какому же выводу мы приходим? Определенно, есть сомнения относительно того, что наш кишечник на самом деле короче, чем можно ожидать от плодоядной или всеядной человекообразной обезьяны нашего роста и размера. Но если гипотеза Айелло и Дина неверна, то каким образом мы тогда расплачиваемся за наш большой мозг, обходясь без повышения основного обмена?

В недавнем исследовании, опубликованном в 2011 году, были рассмотрены многочисленные новые данные, полученные в результате изучения 191 особи, относящихся к 100 разным видам млекопитающих. В этом исследовании не было найдено никаких подтверждений гипотезы «дорогой ткани»: не было выявлено никакой связи между размерами мозга и размерами других «дорогих» органов. Однако ученые обнаружили, что происходит нечто интересное с другим, менее затратным типом ткани: было обнаружено, что размер мозга проявляет отрицательную корреляцию с количеством жира в теле; то есть, другими словами, у жирных животных мозг маленький, и, наоборот, у худых животных мозг крупнее. Авторы предположили, что такая корреляция возникает, потому что животные либо становятся более сообразительными, либо создают запасы энергии, чтобы избежать гибели от голода. Кроме того, было высказано предположение, что баланс между весом мозга и долей жира в весе тела определяется энергетическим балансом. Конечно, сама жировая ткань требует мало энергии для поддержания своей жизнедеятельности, но зато она дорого обходится животному, потому что создает лишний вес, который приходится носить и тратить на это драгоценную энергию. И наконец, авторы обзора считают, что смогли разрешить загадку сочетания большого мозга и сравнительно невысокой интенсивности обмена в организме человека. Люди, казалось бы, опровергают характерную для млекопитающих тенденцию, так как обладают большим мозгом и изрядным количеством жира – в сравнении с другими человекообразными обезьянами, и выглядит это так, будто избыточный (но зато дешевый с энергетической точки зрения жир) может маскировать эффект больших энергетических трат на поддержание работы крупного и «дорогого» головного мозга. Если пересчитать энергозатраты на тощую массу человеческого тела (без жира), то окажется, что уровень основного обмена веществ у человека выше, чем у других обезьян. Если же добавить жир, то средний показатель основного обмена снижается. Таким образом, решается проблема несоответствия крупного мозга и заурядных показателей основного обмена – пусть даже за счет жира. Нам действительно нужна дополнительная энергия на поддержание работы большого головного мозга, но теперь для объяснения не надо привлекать теории сокращения расходов на другие энергоемкие ткани. Экономить энергию, кроме того, можно за счет уменьшения работы тела, например при движении или размножении.

Как уже было сказано, наши предки могли увеличить потребление энергии за счет улучшения качества пищи, которая перестала требовать тщательного разжевывания и дробления, а также за счет термической обработки пищи, которая, благодаря этому, стала легче усваиваться. Кроме того, наши предки гоминиды, вероятно, переключились на более качественную еду, то есть на мясо, хотя нельзя сбрасывать со счетов и значительную долю крахмалистых клубней в их рационе. Переход на более качественную еду, на более гибкую диету и разделение добытой еды между сородичами означали, что гоминиды получили в свое распоряжение высокоэнергетическую диету, на которую могли рассчитывать в повседневной жизни. Вероятно, это было решающим фактором, обусловившим не только непропорциональный рост головного мозга, но и увеличение размеров тела в целом.

Если мы внимательно присмотримся к собственному кишечнику, то убедимся, что в нем, в принципе, нет ничего особенного. Лично я не думаю, что человеческий кишечник сильно отличается от кишечника наших ближайших сородичей – человекообразных обезьян. Это типичный кишечник плодоядного животного, но это означает, что он вполне подходит и для животного всеядного. Другими словами, наш желудочно-кишечный тракт не является высокоспециализированным, а это очень значительное для нас преимущество, потому что позволяет придерживаться весьма гибкой и разнообразной диеты. Мы можем выжить, питаясь самыми разными пищевыми продуктами – одни из нас прекрасно себя чувствуют на чисто мясной пище, а другие являются строгими вегетарианцами. Оглядываясь на наше далекое прошлое, мы можем сказать, что диетическая гибкость, какой отличались наши предки, означала, что они могли выжить, употребляя в пищу все съедобное, что их в данный момент окружало. В принципе, мы не очень привередливые едоки (о чем мне часто приходится напоминать моей трехлетней дочери).

Есть некоторые данные о том, что наша пищеварительная система все же изменилась, но не в смысле анатомического строения, а в смысле физиологии, то есть набора ферментов, которые мы используем для расщепления пищи. В сравнении с шимпанзе, у нас больше копий гена, кодирующего фермент амилазу, расщепляющую крахмал, что позволяет нам эффективнее переваривать такие крахмалистые продукты, как клубни. За последние 10 тысяч лет во многих человеческих популяциях в Европе, Индии, Африке и на Ближнем Востоке произошли определенные генетические изменения: один ген, который обычно «отключался» в детстве, остался «включенным». Этот ген кодирует синтез фермента лактазы, который способствует расщеплению молочного сахара – лактозы. Это очень важный фермент, поскольку он позволяет нам в младенчестве усваивать материнское молоко. У большинства млекопитающих, как и у многих людей, способность продуцировать лактазу пропадает после отлучения от груди, так как он становится просто ненужным. Однако в племенах скотоводов, где с доисторических времен привычка пить молоко сохраняется и у взрослых, ген лактазы продолжает функционировать. Это изменение наверняка произошло после приручения и одомашнивания животных в эпоху неолита, причем в разных местах и в разное время. В тех популяциях, где распространились эти генетические изменения, проявилось мощное действие естественного отбора, стимулировавшего выработку лактазы. Вероятно, эти изменения происходили в периоды засухи или голода, когда способность пить и переваривать свежее молоко означала выбор между жизнью и смертью. Кстати, эти сравнительно недавние изменения физиологии нашего пищеварительного тракта означают несостоятельность идеи о пользе новомодной так называемой «палеодиеты», которая воспроизводит рацион наших предков – охотников и собирателей. Во-первых, их рацион различался в разных местах даже в эпоху палеолита, а во-вторых, во многих популяциях произошли значительные генетические изменения с тех пор, как мы оставили образ жизни палеолитических охотников. Короче, мы сейчас вовсе не те древние собиратели и охотники, чьи окаменелые останки находят палеонтологи.

И все же если не принимать во внимание амилазу и лактазу, то наш пищеварительный тракт является стандартным для человекообразных обезьян. Мне кажется, что все дело в том, что в прошлом в научных исследованиях мы слишком сильно стремились доказать самим себе нашу уникальность. Никто не отрицает, что человек и в самом деле уникален (как уникальны представители любого биологического вида, так что не стоит так уж сильно зазнаваться и обольщаться по этому поводу), но в большинстве наших органов и их систем, в принципе, нет ничего особенно примечательного. Те признаки, которые мы раньше считали сугубо человеческими, оказались характерными для многих других животных, в особенности для наших ближайших родственников. Примером этого является кишечник человека, и нам, возможно, надо просто смириться с тем фактом, что мы обладаем вполне заурядными обезьяньими кишками.

Половые железы, гениталии и беременность Анатомия органов размножения и беспомощность человеческих детенышей

Если же ты… даже просто прикоснешься к нему мизинцем, то наслаждение заставит своих гонцов лететь во всех направлениях быстрее ветра, даже против твоего желания.

Реальдо Коломбо, самопровозглашенный первооткрыватель клитора (1559)

Округлости, бугорки и трубки

Если мы пройдемся по пищеварительному тракту до его конца, следуя по всем петлям тонкого кишечника и прямоугольнику толстого кишечника, обрамляющего полость живота, то в конечном счете мы окажемся в области таза, где пищеварительный тракт оканчивается прямой кишкой, переходящей в анальный канал. В тазу находится, кроме того, мочевой пузырь, расположенный в его переднем отделе, непосредственно за лонным сращением – сочленением двух лобковых костей. Там же находятся и другие органы, а именно органы размножения.

Репродуктивная система человека позволяет осуществлять внутреннее оплодотворение – другими словами, сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку внутри тела. Возможно, в этом утверждении вы не увидели ничего особенного, но, между прочим, внутреннее оплодотворение присуще далеко не всем позвоночным животным. У большинства рыб и амфибий оплодотворение происходит вне тела – это пример наружного оплодотворения. Самка рыбы откладывает яйца в воду, а самцы орошают эти яйца (икру) своей спермой. После этого дело сделано! Однако этот процесс возможен только в жидкой среде. Выход из воды на сушу создал нашим предкам массу самых разных проблем: пришлось изобрести легкие для того, чтобы дышать кислородом в воздухе, а не в воде; им нужны были более крепкие конечности вместо плавников, чтобы передвигаться по суше, им пришлось научиться воспринимать колебания воздуха, а не воды, для чего были изобретены уши. Однако самое главное – нашим предкам надо было решить проблему оплодотворения. Если бы самки продолжали откладывать яйцеклетки (икру) с тонкими оболочками во внешнюю среду, а самцы поливали бы их спермой, то половые клетки высыхали бы и погибали до того, как могло произойти самое главное – оплодотворение.

Одним из возможных решений было возвращение в воду для размножения, и самые первые наземные животные, видимо, так и поступали, как, впрочем, до сих пор делают современные амфибии. Лягушки и жабы с удовольствием проводят время на суше, обживая деревья, укромные местечки под камнями и в расщелинах стен, но, когда инстинкт повелевает им приступить к размножению, они возвращаются в свою – некогда родную – водную стихию. Эти животные находят водоем, подходящий для того, чтобы отложить там яйца и оплодотворить их в воде. Оплодотворение у лягушек и жаб происходит снаружи, так же как и у большинства рыб. Однако у некоторых амфибий развились механизмы внутреннего оплодотворения, что звучит гораздо более интригующе, нежели есть на самом деле. У большинства тритонов и саламандр самка не откладывает яйца до оплодотворения, они находятся внутри ее тела, и сперматозоиды оплодотворяют их именно там, но у этих амфибий оплодотворение происходит без прямого контакта самцов и самок. Самец «откладывает» клейкую массу спермы, защищенную слоем слизи, причем делает это в непосредственной близости от самки. Если самцу повезет, то самка саламандры подползает к этому комку и усаживается на этот желеобразный сперматофор. Все это кажется нам весьма странным и неприятным, но, видимо, доставляет удовольствие саламандрам – по крайней мере, они делают это уже много тысяч лет (выживание в конечном счете превыше всего).

Судя по тому, как ведут себя их ныне живущие потомки, древние рептилии экспериментировали и с другими способами оплодотворения: яйца созревают внутри организма самок, но в этом случае самцы вводят сперму непосредственно в женский организм, а не оставляют клейкий ком снаружи в надежде, что самка им воспользуется сама. Теперь самцам предстояло изобрести способы доставки спермы по назначению, подходящие для жизни на суше. Надо сказать, что первые изобретения такого рода были достаточно примитивными. У рептилий нижний конец эмбриональной кишечной трубки превращается в структуру, известную под названием «клоака». Это подходящее название: дело в том, что в клоаку открываются мочевой пузырь и толстый кишечник, так что там перед удалением из организма собираются моча и кал. Собственно, в Древнем Риме клоакой называли городскую канализацию. У самцов рептилий в клоаку открываются также и семенные протоки, а у самок – толстый кишечник, мочевой пузырь и два яйцевода. Передача спермы осуществляется у большинства рептилий весьма простым и незатейливым способом – самец и самка просто прижимаются друг к другу задними частями тел. Для того чтобы помочь делу, два гемипениса, находящиеся в половых карманах в клоаке самца, в момент соития выворачиваются наружу, проталкивая семя в нужном направлении.

Птицы и млекопитающие – и те и другие являются потомками рептилий – тоже прибегают к внутреннему оплодотворению, для чего осуществляют непосредственный интимный контакт с представителем противоположного пола. У большинства птиц половой член отсутствует, и, как большинство рептилий, самцы и самки птиц просто прижимаются друг к другу задними частями тел для того, чтобы сперма из клоаки самца переместилась в клоаку самки. Однако у некоторых птиц (и, между прочим, у отдельных рептилий, например крокодилов и черепах) появляется способный к эрекции половой член, который можно ввести в клоаку самки и таким образом отложить там сперму. У самцов уток есть половой член со спирально закрученным выводным протоком, по которому сперма поступает в тело самки. Но половой член этих птиц и рептилий сильно отличается от полового члена большинства млекопитающих. У самцов рептилий и птиц половой член вырастает из дна клоаки. Когда губчатая ткань полового члена наполняется кровью, он приходит в состояние эрекции и способности к выполнению своей функции. У млекопитающих половой член находится снаружи тела, а клоака превращается, во-первых, в отдельное углубление в передней части тазовой области зародыша, называемое мочеполовым синусом, из которого впоследствии образуется мочевой пузырь, и, во-вторых, в верхний отдел мочеиспускательного канала и в заднее углубление, из которого формируются прямая кишка и анальный канал. У самцов млекопитающих животных половой член образуется из разнообразных выпуклостей и бугорков, расположенных впереди и по сторонам от отверстия мочеполового синуса эмбриона. Несмотря на то что конечный результат представляется совершенно другим, те же выпуклости и бугорки присутствуют и у эмбрионов женских организмов.

Клоачная перепонка – это область, где конечный отдел кишки открывается наружу. В следующую неделю, когда клоака делится пополам уроректальной перегородкой, наружная клоачная оболочка тоже делится надвое – на мочеполовую перепонку и анальную перепонку. В то же время происходит перфорация мочеполовой перепонки и мешотчатый синус, находящийся над ней, открывается в амниотическую полость. Пока развитие идет одинаково у эмбрионов обоего пола, и так продолжается до девятой недели внутриутробного развития. Из этого общего для обоих полов набора зачатков можно сформировать гениталии обоих полов.

С этого момента дальнейшее развитие гениталий зависит от присутствия Y-хромосомы, под влиянием которой зачатки гонад превращаются в яички, которые начинают секретировать тестостерон. Без этого маскулинизирующего гормона из набора зачатков сформируются женские гениталии: половой бугорок превратится в клитор, из складок мочеиспускательного канала формируются малые половые губы, а из выпуклостей – большие половые губы, которые срастаются впереди клитора, образуя венерин холм.

Из общего для обоих полов набора зачатков позднее формируются мужские и женские наружные гениталии

У плода мужского пола под влиянием тестостерона половой бугорок преобразуется в тело и головку полового члена. Наружные генитальные складки увеличиваются в размерах и превращаются в мошонку, а внутренние, уретральные складки срастаются сзади наперед и охватывают в корне полового члена просвет мочеиспускательного канала. Как это часто бывает в ходе эмбрионального развития, в его процессе могут происходить разнообразные нарушения, и самой частой проблемой оказывается неполное сращение уретральных складок, что приводит к состоянию, называемому гипоспадией. Эта аномалия возникает у нескольких младенцев мужского пола из тысячи. Мочевыводящее отверстие при гипоспадии может смещаться на нижнюю поверхность тела полового члена вплоть до мошонки, в промежности. Хирургическое лечение, как правило, оказывается весьма успешным – мочеиспускательный канал удается вывести наружу в головке полового члена.

Несмотря на то что наружные женские половые органы разительно отличаются от мужских, между ними существует большое сходство, источник которого можно проследить в ранних неделях развития. Клитор – это не просто небольшой выступ, расположенный под лонной костью. Он соединен с двумя образованиями из эректильной ткани, лежащими вдоль лонной ветви седалищной кости, которая, вместе с такой же костью на противоположной стороне, ограничивает область промежности. Эти образования называют ножками клитора. С обеих сторон входа во влагалище расположены еще два образования из эректильной ткани – луковицы преддверия (преддверие – это пространство, расположенное между малыми половыми губами). Тело, ножки и луковицы клитора состоят из губчатой ткани, которые наполняются кровью и приходят в состояние эрекции при половом возбуждении. Клитор намного больше, чем можно предположить по его внешнему виду (и уж точно он намного больше, чем его изображения во многих анатомических атласах). Головка и тело клитора имеют в длину от 2 до 4 см – и это в покое, а во время сексуальной стимуляции он увеличивается еще больше. Луковицы преддверия имеют в длину около 3 см, а ножки клитора простираются вдоль лонных ветвей седалищных костей на 9–11 см.

Клитор, как он выглядит на МРТ женского таза (рисунок с фотографии О’Коннелла и др., 2005)

Губчатая ткань, из которой состоят клитор, луковицы и ножки клитора, полностью аналогична ткани, из которой состоит половой член. В половом члене луковицы сращены между собой (это происходит в ходе эмбрионального слияния уретральных складок), а ножки намного длиннее ножек клитора.

Внутренние половые органы тоже развиваются из совершенно одинаковых зачатков как у мужчин, так и у женщин. Разница конечных результатов развития, конечно, поражает, но на шестой неделе внутриутробного развития гонады (половые железы) и протоки, из которых впоследствии разовьются половые тракты, у мужчин и женщин практически неразличимы.

Зачатки половых желез появляются на задней стенке брюшной полости эмбриона кнаружи от другого симметричного выпячивания, называемого мезонефросом (или вольфовым телом). Кроме того, там же расположены два протока, или канала, – вольфов проток и мюллеров проток, названные в честь их первооткрывателей – немецких эмбриологов.

Каспар Фридрих Вольф изучал медицину и эмбриологию в Берлине, где в 1759 году написал диссертацию под названием «Теория зарождения», которая стала знаменательной вехой в истории эмбриологии. В диссертации Вольф развил теорию Аристотеля об эпигенезе, основываясь на наблюдениях развития растений и цыплят. Вольф писал: «Из теории эпигенеза мы выводим, что части тела не предсуществуют, но образуются в нем постепенно». Это было смелое заявление, так как в то время в науке господствовала теория преформации: то есть идея о том, что эмбриональное развитие представляет собой количественный рост крошечных, но уже существующих в зародыше с самого начала частей. Несмотря на то что Вольфу не удалось убедить тогдашние научные авторитеты в справедливости эпигенеза, он тем не менее продолжил свои эмбриологические исследования и описал многие аспекты развития, включая образование кишечной трубки.

В своей первой диссертации 1759 года Вольф подробно описал формирование почек в ходе эмбрионального развития куриного зародыша. Помимо этого, он описал некоторые структуры на задней стенке брюшной полости плода, включая мезонефрос и проток, названный позднее его именем. «Нефрос» в переводе с греческого означает «почка», а мезонефрос выглядит как развивающаяся почка с многочисленными трубками внутри. Этот зачаток действительно функционирует как почка в эмбрионе курицы – впрочем, как и в эмбрионе человека, – фильтруя кровь и образуя мочу, которая оттекает по первичнопочечному (вольфову) каналу. Однако, пока туловищная почка (другое название мезонефроса) отфильтровывает мочу, в эмбрионе параллельно формируется новая почка (метанефрос), расположенная в тазовой области развивающегося эмбриона. Со временем эта новая почка берет на себя функцию образования мочи и становится окончательной (дефинитивной) почкой. Эти почки поднимаются из полости таза и у взрослого человека располагаются на задней стенке живота, под диафрагмой. Да, почки расположены в области поясницы очень высоко, касаясь своими верхними полюсами двенадцатого ребра с каждой стороны.

На первый взгляд, мужские и женские гениталии разительно отличаются друг от друга, но если мы заглянем под кожу, то эта разница станет менее очевидной. На этих рисунках показана мужская (вверху) и женская (внизу) промежность – расположенная между ног область, ограниченная спереди лонными костями, а сзади копчиком

Итак, что образуется из мезонефроса? У женщин фактически ничего. Мезонефрос у них регрессирует и атрофируется с обеих сторон, превращаясь в два островка рудиментарной ткани, расположенные рядом с яичниками. У взрослых мужчин мезонефрос уже не фильтрует мочу, но расположенные в нем канальцы берут на себя совершенно иную функцию – они превращаются в семенные протоки яичек, а сам первичнопочечный (вольфов) проток становится семявыносящим протоком, по которому сперма изливается из яичек в мужской мочеиспускательный канал.

У кур и людей, а также у прочих родственных животных, расположенных в таксономии между этими двумя видами, мезонефрос функционирует как почка, только в эмбриональном периоде, а затем становится частью мужской половой системы. У наших более отдаленных родственников – рыб и амфибий – мезонефрос продолжает фильтровать мочу из крови и у взрослых особей. Здесь мы снова наблюдаем феномен удвоения, который освобождает какую-то структуру для выполнения иной функции. «Изобретение» нового органа – метанефроса – у рептилий позволило мезонефросу прекратить продуцировать мочу и заняться совершенно другим делом. На самом деле транспорт спермы не является новой ролью для трубочек, расположенных в мезонефросе и открывающихся в вольфов проток. Даже у рыб, у которых большая часть трубок мезонефроса являются элементами почек, некоторые из них выносят сперму из мужских половых желез в вольфов (первичнопочечный) проток – через почку.

Развитие эмбриональных почек

Это действительно имеет смысл, если мы примем во внимание расположение мужских половых желез и почек в организме рыбы. Они располагаются рядом друг с другом на задней стенке живота (так же, как в человеческом эмбрионе). Здесь мы снова наблюдаем эхо ранних стадий эволюции, отраженное в особенностях эмбрионального развития человека, и это эхо невозможно игнорировать. В данном случае эхо проявляется как в функции, так и в структуре, так как у плода в чреве матери функцию почки некоторое время выполняет мезонефрос.

Одинаковые для обоих полов зачатки внутренних половых органов (слева) и элементы развития человеческого эмбриона мужского пола (справа), у которого первичнопочечный (вольфов) проток сохраняется, превратившись в семявыносящий проток

У эмбрионов женского пола исчезает вольфов проток, а органы размножения формируются из другого набора трубок – из мюллеровых протоков.

Иоганнес Петер Мюллер родился в 1801 году, образование получил в иезуитской семинарии, так как готовился к поприщу священника, но был очарован биологией и продолжил учебу на медицинском факультете. Со временем Мюллер стал профессором анатомии, физиологии и патологии в берлинской Академии кайзера Вильгельма, то есть в том же университете, где за сто лет до Мюллера работал Каспар Фридрих Вольф. Научные интересы Мюллера были очень широки и охватывали анатомию, физиологию, патологическую анатомию и эмбриологию. Так же как Вольф, Мюллер изучал куриные эмбрионы, и, несмотря на то что парамезонефрический проток (потом его назовут мюллеровым) был известен и до него, никто не понимал, зачем он нужен. Мюллер первым увидел, что этот проток по-разному ведет себя у мужских и женских эмбрионов. У мужских куриных эмбрионов оставался вольфов проток, из которого формировался семявыносящий проток, а мюллеров проток регрессировал и исчезал; у женских эмбрионов практически исчезал вольфов проток, а мюллеровы протоки превращались в яйцеводы.

Между открытиями этих протоков и пониманием того, какие механизмы определяют разницу в их судьбе в ходе эмбрионального развития, прошло много времени. Фрагменты этой головоломки сложились в цельную картину только после открытий генетиков ХХ века: открытия половых хромосом, выяснения структуры ДНК и способности идентифицировать и расшифровывать отдельные гены.

В Y-хромосоме имеется ген, который для краткости именуют SRY (sex-determining region of the Y chromosome, то есть участок Y-хромосомы, определяющий пол). Этот ген работает согласованно с другими генами (ибо в генных взаимодействиях по ходу эмбрионального развития вообще нет ничего простого) и вызывает соответствующую дифференцировку клеток яичек. Внутри каждого яичка определенные клетки начинают продуцировать вещество, называемое антимюллеровым гормоном (АМГ). Этот гормон и подписывает смертный приговор мюллеровым протокам в мужских эмбрионах. Другие клетки яичка начинают секретировать тестостерон, который приводит к вирилизации вольфовых протоков и их превращению в семявыносящие протоки. Тестостерон стимулирует маскулинизацию организма и развитие наружных гениталий.

Был также обнаружен ген, определяющий развитие яичников. Белок, который транслируется с этого гена, подавляет активность «мужских» генов и приводит к феминизации гениталий, правда, пока не совсем ясен механизм этого действия. Далее, в ходе этого процесса, гормоны, продуцируемые яичниками, стимулируют образование других женских репродуктивных органов и способствуют феминизации наружных гениталий.

Куриные эмбрионы сыграли важную роль в обнаружении общих принципов происхождения органов размножения, но дальнейшее развитие женского полового тракта у кур весьма своеобразно. У большинства других позвоночных, от акулы до человека, сохраняются оба мюллерова протока, из которых образуются два независимых друг от друга яйцевода, которые открываются в клоаку. У птиц и крокодилов у эмбриона вначале образуются два мюллерова протока, но только один из них затем превращается в яйцевод, а второй атрофируется и дегенерирует.

Половые пути курицы должны обеспечить место для встречи сперматозоидов с яйцом, а также снабдить дополнительными оболочками оплодотворенное (и даже неоплодотворенное) яйцо. Пока куриное яйцо (которое, на первый взгляд, можно принять за обычный желток куриного яйца) движется по яйцеводу, оно одевается в белок, а затем покрывается еще и жесткой скорлупой.

У плацентарных млекопитающих женские половые пути выполняют куда более сложную работу. Оплодотворенное яйцо не откладывается в окружающую среду, а остается в теле самки до того момента, когда детеныш будет готов родиться на свет. В половом тракте должно найтись место, где эмбрион мог бы развиться в полноценный плод. У млекопитающих мюллеровы протоки остаются разделенными на свои главные части, из которых формируются два яйцевода (или фаллопиевы трубы, названные в честь впервые описавшего их итальянского анатома XVI века).

Эти яйцеводы сливаются с образованием одного влагалища, а между влагалищем и яйцеводами образуется матка. У самок сумчатых животных, например у кенгуру и опоссумов, парными являются и влагалища (а у самцов раздвоенный половой член), а также и матки. У каждой самки есть две не связанные друг с другом матки. У большинства плацентарных млекопитающих матка является «двурогой» (обычно самки с двурогими матками производят на свет не меньше двух детенышей сразу), но у некоторых групп животных мюллеровы протоки сливаются полностью и образуют одну матку, лишенную рогов. К таким животным относятся летучие мыши и приматы, в том числе человек, – все эти животные, как правило, рождают одного детеныша.

Матка плацентарного млекопитающего – это, без преувеличения, поразительный, невероятный орган. У людей этот орган размером с плод авокадо остается таким до имплантации эмбриона в его стенку, после чего матка начинает безудержно расти. Перед родами матка увеличивается настолько, что упирается дном в грудину. Матка не просто растягивается до таких размеров, она именно растет, наращивая мышцы, которые понадобятся, когда надо будет в положенный срок вытолкнуть плод из матки по родовым путям. Внутри матки, несмотря на то что наши предки по женской линии давно уже оставили привычку метать неоплодотворенные яйца в воду, плод развивается в примитивном прудике амниотической жидкости. «Изобретение» амниотического мешка стало одним из решающих шагов, позволивших наземным животным полностью отказаться от необходимости возвращаться в воду для размножения. Однако эмбрионы птиц, рептилий и млекопитающих до сих пор нуждаются в водной среде для роста и развития. У животных, откладывающих яйца (яйцекладущих), водная среда создается и поддерживается внутри яйца; у плацентарных млекопитающих жидкая среда создается в чреве матери. Амниотическая жидкость, в которой плавает плод, важна для его роста и развития во многих отношениях. Прежде всего, жидкость служит амортизатором, предохраняющим плод от травм. Эмбрион «дышит» амниотической жидкостью, засасывая ее в легкие, глотает ее, а после этого жидкость всасывается в кровь. Почки плода фильтруют кровь, образуя мочу (моча плода, в отличие от мочи детей и взрослых, не содержит токсинов, так как все вредные вещества удаляются из организма плода через плаценту), и выделяющаяся моча пополняет запас амниотической жидкости. Если почки плода плохо фильтруют кровь, то объем амниотической жидкости уменьшается, начинают гипертрофироваться легкие, а ограниченные в движениях конечности вырастают мелкими и искривленными.

У человеческого эмбриона самые ранние зачатки женской половой системы не отличаются от таких же зачатков мужской половой системы (верхний рисунок), но в данном случае сохраняется парамезонефрический (мюллеров) проток, который превращается в яйцеводы, матку и верхний отдел влагалища (нижний рисунок)

Единственный яичник и яйцевод курицы

Невероятное путешествие яичка (и яичника)

В эмбриональном периоде гонады находились на задней стенке полости живота, в его верхнем отделе, но нетрудно понять, что у взрослого человека, к какому бы полу он ни принадлежал, половые железы находятся совершенно в другом месте. Почки поднимаются из таза и занимают свое место на задней поверхности забрюшинного пространства, а гонады (половые железы) совершают путешествие в противоположном направлении и в конце концов оказываются в тазу. Яичники женщины на этом останавливаются, а яички продолжают свой путь дальше. Под влиянием различных мужских гормонов, включая АМГ, связка, поддерживающая яичко сверху, рассасывается, но зато ниже яичка образуется другая связка, благодаря которой и происходит дальнейшее нисхождение мужской половой железы. Эта связка называется проводником яичка (по-латыни она называется gubernaculum testis – не напоминает ли вам этот термин слово «губернатор»?). Яички начинают свое движение вниз на втором месяце внутриутробного развития; к моменту рождения яички большинства новорожденных мальчиков уже находятся в мошонке. У некоторых мальчиков яички к моменту рождения еще не доходят до мошонки, но в течение, самое большее, нескольких месяцев они все же благополучно там оказываются. Правда, в редких случаях окончательного нисхождения яичек в мошонку так и не происходит.

Но почему вообще яички спускаются в мошонку? В сравнении с женщинами, которые благоразумно носят гонады внутри тела, мужчины становятся очень уязвимыми, выставляя свои гонады (семенники) наружу. Это действительно не очень умное решение. Вышеупомянутые органы начинают свою жизнь в безопасном убежище внутри тела, так, спрашивается, зачем тащить их в мошонку, где они подвергаются высокому риску травмы? Езда на велосипеде, бег с препятствиями и преодоление сельских заборов – все эти невинные развлечения представляют существенный риск для мужской половины рода человеческого.

Ответ, возможно, заключается в том, что образование спермы происходит более эффективно при температуре на несколько градусов ниже температуры тела. Согласно одной из гипотез, повышенная температура приводит к повреждению ДНК и снижению качества спермы. Мошонка, сумка, в которой болтаются яички, присуща только млекопитающим, и, вероятно, она появилась одновременно со способностью поддерживать температуру тела на уровне 36–38 °C. (Написав это, я вспомнила, что у птиц температура тела выше, чем у млекопитающих, но, несмотря на это, мужские половые железы у птиц находятся внутри, не причиняя их носителям никаких неудобств.) Есть и млекопитающие, у самцов которых яички тоже находятся внутри тела, – это слоны и киты, но их система кровообращения позволяет охлаждать их. Кроме того, яички находятся внутри тела у некоторых насекомоядных, но у них температура тела ниже, чем у остальных млекопитающих. Однако у большинства представителей этого класса мошонка служит удобным холодильником для мужских гонад.

Если яички не опускаются в мошонку, то возникает состояние, которое называют крипторхизмом (буквальный перевод с греческого: спрятанные яички), что может привести к серьезным последствиям. В этом случае нарушается продукция спермы и возникает бесплодие, кроме того, при крипторхизме повышен риск заболевания раком яичка. Однако, даже если яички благополучно опустились в мошонку, некоторые факторы могут вызывать повышение ее температуры. К таким факторам относят ношение тесных трусов, увлечение горячими ваннами и парной баней и даже сидячий образ жизни. Все эти факторы тоже могут привести к снижению фертильности спермы. Было даже высказано предположение о том, что утепление яичек в результате пеленания в младенчестве может привести впоследствии к долговременному повышению температуры мошонки на пару градусов, что нарушает способность стволовых половых клеток к дифференцировке и производству спермы. Однако пока не получено убедительных данных в пользу того, что пеленание мальчиков действительно может привести к бесплодию.

У самцов многих млекопитающих яички спрятаны внутри тела почти всегда и опускаются в мошонку только в брачный период, но у приматов яички находятся в мошонке круглый год. Говорят, что борцы сумо являются исключением из этого правила, так как перед схватками они с помощью специального массажа загоняют яички внутрь тела, в паховую область. Должна признать, что я слышала об этом не от борцов сумо, и вполне возможно, что это всего лишь досужая байка. Это утверждение встречается в одном из романов о Джеймсе Бонде, а Яна Флеминга едва ли можно считать надежным источником в том, что касается биологической науки.

У приматов наблюдают большую вариабельность в отношении размеров яичек у разных видов, даже между людьми и нашими ближайшими сородичами – человекообразными обезьянами. Пара мужских яичек весит около 40 г, а яички гориллы меньше, и весят всего 30 г. Среди человекообразных обезьян самая большая мошонка у шимпанзе, пара яичек самцов шимпанзе весит в среднем 135 г. Такая разница становится еще более впечатляющей, если принять во внимание вес этих приматов: самец шимпанзе весит около 40 кг, мужчина около 70 кг, а самец гориллы в весе может достичь 170 кг. Итак, шимпанзе самая маленькая из всех человекообразных, но у самцов этого вида самые большие яички. Напротив, устрашающих размеров доминантный самец гориллы обладает весьма скромными по величине яичками. Размер гонад прямо пропорционален количеству продуцируемой спермы – у шимпанзе, обезьян, склонных к промискуитету, в ходе которого многие самцы спариваются со многими самками, конкуренция среди самцов очень высока. Самцы конкурируют за обладание самками, но это соперничество не заканчивается после совокупления: после него в половых путях самки шимпанзе может находиться сперма нескольких самцов.

Там начинается соперничество сперматозоидов, а это уже игра больших чисел: самец шимпанзе, произведший наибольшее количество спермы, имеет больше шансов стать отцом. У полигинных горилл соперничество развертывается задолго до совокупления. Доминантный самец силой отстаивает свое право на гарем. Самцу гориллы не надо продуцировать много спермы; относительно веса тела горилла производит в двадцать раз меньше спермы, чем шимпанзе. Яички человека занимают среднее положение: они больше, чем у гориллы, но составляют лишь одну десятую по весу от яичек самцов шимпанзе (с учетом разницы в массе тела). Это указывает на то, что конкуренция сперматозоидов у человека относительно мала, она не так высока, как у полигамных шимпанзе, но выше, чем у горилл с их доминантными самцами и гаремами. Размер человеческих яичек говорит о преимущественной моногамии нашего вида с небольшой примесью промискуитета.

Половые члены, клиторы и оргазм

Не меньшим разнообразием отличаются и половые члены млекопитающих животных. Изобретя такой замечательный орган, млекопитающие обладают членами самых разнообразных форм и размеров, и даже с различными дополнительными аксессуарами. У некоторых видов половой член раздвоен на конце (для проникновения в двойное влагалище), у некоторых видов член тонкий и длинный, у некоторых короткий и толстый, у некоторых видов член снабжен колючками, и есть еще виды, у самцов которых внутри полового члена находится особая кость (os penis, или baculum). Вариации строения половых членов поразительны, даже внутри отряда приматов.

Клиторы млекопитающих тоже отличаются немалым разнообразием. У самок гиен и кротов клиторы длинные и напоминают половой член. Однако у приматов тоже бывают удлиненные клиторы, например, у некоторых лемуров, паукообразных обезьян, у бонобо (карликовых шимпанзе). У самок многих приматов есть даже кость клитора (os clitoridis), эквивалентная кости полового члена, (os penis), которую обнаруживают у самцов многих млекопитающих, в том числе и большинства приматов, за исключением некоторых мартышковых, долгопятов и человека.

У многих млекопитающих половые члены спрятаны в заросших шерстью кожных футлярах и выступают оттуда по мере надобности; напротив, у всех самцов приматов (включая, конечно, и человека) член свободно свисает наружу. Кость полового члена (бакулюм) присутствует у большинства самцов приматов, ее нет лишь у долгопятов, некоторых мартышковых и некоторых родов паукообразных обезьян, а также человека (возможно, стоит уточнить, что у подавляющего большинства людей, так как в литературе описано 45 случаев присутствия кости полового члена у человека). У человека, а также у упомянутых обезьян, достижение и поддержание эрекции обусловлено исключительно давлением крови в половом члене (именно таков принцип действия виагры). Когда половой член расслаблен, сокращена гладкая мускулатура губчатой ткани, а также гладкая мускулатура сосудов, снабжающих губчатую ткань кровью. Холод может привести к еще более сильному сокращению этих мышц и к дополнительному уменьшению размеров полового члена. При сексуальной стимуляции активизируется парасимпатическая нервная система малого таза, сигналы которой заставляют расслабиться гладкую мускулатуру сосудов и губчатой ткани. Сосуды расширяются, и в расслабленную губчатую ткань начинает активно поступать кровь. По мере повышения давления в члене происходит пережатие тонкостенных вен полового члена, что блокирует отток крови из него. Теперь крови некуда деться, но она продолжает поступать по открытым артериям, и член набухает. Когда давление крови в половом члене достигает 100 мм рт. ст. (то есть почти того давления, с каким сердце выбрасывает кровь в аорту), возникает эрекция. После этого происходит сокращение седалищно-пещеристых мышц, охватывающих ножки полового члена, что еще больше усиливает эрекцию, делая член твердым.

Поскольку эрекция зависит от артериального давления крови в члене, нарушение проходимости артерий может послужить причиной эректильной дисфункции. Если артерии, снабжающие кровью половой член, не способны нормально расширяться, то количества крови, поступающей в губчатую ткань, может не хватить для полноценной эрекции. Нервы, иннервирующие эти артерии, запускают каскад биохимических реакций, в ходе которых образуется вещество цГМФ (циклический гуанозинмонофосфат – для тех, кому это интересно), которое заставляет расслабляться гладкую мускулатуру. В половом члене цГМФ разрушается особым ферментом, активность этого фермента как раз и подавляет виагра, чем достигается почти магическое повышение давления в половом члене, но нигде больше. Ну, или почти нигде больше. Подобный фермент есть и в сетчатке глаза, поэтому прием виагры может временно нарушить цветовое зрение, а иногда также вредно повлиять на головной мозг и сердце; поэтому, как и любое другое лекарство, виагру надо принимать с осторожностью.

Если учесть, что клитор развивается из тех же тканей эмбриона и получает такую же иннервацию, что и половой член, то мы не увидим ничего удивительного в том, что в эрекции клитора действуют те же неврологические и биохимические механизмы, что и в эрекции полового члена. Однако потребовалось много времени, чтобы наука это признала. Открытие того факта, что те же механизмы, включая цГМФ и ферменты, участвующие в эрекции полового члена, управляют и эрекцией клитора, было сделано десять лет назад. Казалось бы, что это с очевидностью вытекает из общности эмбриологического развития и иннервации половой системы у мужчин и женщин, но устоявшаяся мудрость диктовала иное: сексуальность женщины считали более рассудочной и загадочной, нежели механистическую сексуальность мужчины. Вот, например, цитата из одной статьи (не забудьте, что это было написано всего десять лет тому назад): «Половая функция у женщин довольно плохо изучена, но полагают, что она отличается от таковой у мужчин; половые нарушения у женщин чаще возникают от нарушения либидо, нежели от нарушения эректильной функции».

Выяснение механизмов эрекции клитора не означает, что все случаи половой дисфункции у женщин можно объяснить нарушениями эрекции, но оно позволяет предположить, что некоторые случаи дисфункции объясняются именно этим, и лечить их надо препаратами, усиливающими расширение артерий, как и эректильную дисфункцию у мужчин. При этом при половом возбуждении у женщин набухает не только тело клитора, но и губчатая ткань, залегающая в малых половых губах.

Естественно, половая функция далеко не исчерпывается эрекцией полового члена и клитора. Половому акту присуще многое другое, помимо простого наполнения полового члена и клитора кровью. У мужчин сперма должна покинуть яички, а затем смешаться в мочеиспускательном канале с жидкостью, секретируемой добавочными железами – такими, как предстательная железа и семенные пузырьки. Этот процесс называется эмиссией, и так же, как изменение кровотока в половом члене, приводящее к его эрекции, он управляется висцеральной вегетативной (автономной) нервной системой. То же касается и завершающей фазы – эякуляции, – когда наполненная сперматозоидами семенная жидкость прокачивается по мочеиспускательному каналу и ритмичными волнами извергается из отверстия, расположенного на головке полового члена. У женщин набухает и становится жесткой эректильная ткань клитора; кровью переполняется также стенка влагалища, в которой находится множество кровеносных сосудов. Из капилляров просачивается жидкость, увлажняющая и смазывающая стенки влагалища. К этой смазке добавляется секрет различных желез, находящихся в шейке матки. Во время оргазма у женщины ритмично сокращаются мышцы тазового дна и влагалища.

Таким образом, у представителей обоих полов оргазм связан с волнами мышечного сокращения. Представляется, что оргазм происходит в ответ не только на нервные импульсы, но и на циркулирующие в крови вещества. Одно из таких веществ – окситоцин, «гормон любви».

Окситоцин – удивительный гормон. В сравнении со многими сигнальными веществами нашего организма он очень мал; это короткая цепочка, состоящая из девяти аминокислотных остатков. Это действительно короткое сообщение – скорее твит, а не длинный меморандум – но до чего же он мощный! Механизм действия окситоцина пока не вполне ясен, но он влияет на все аспекты функции размножения. Окситоцин укрепляет любовную связь пары (очевидно, что это происходит и у людей, а не только, скажем, у луговых собачек), стимулирует и укрепляет взаимную привязанность родителей и детей, направляет материнское поведение. Окситоцин стимулирует сокращения матки во время родов, в фазе изгнания плода, а также поступление молока из млечных ходов. Было бы затруднительно и, наверное, глупо связывать определенную эмоцию или состояние души с каким-то одним веществом в головном мозге, но мы все же считаем, что именно окситоцин отвечает за чувства любви, счастья и доверия.

Окситоцин, помимо этого, связан с физическими и психическими ощущениями, сопутствующими оргазму. Когда половое возбуждение достигает своего пика, в головном мозге, в задней доле гипофиза, происходит выброс окситоцина. Этот выброс, видимо, способствует мышечным сокращениям тазового дна. Кроме того, окситоцин высвобождается и в гипоталамусе, структуре, расположенной в основании головного мозга, и, вероятно, именно здесь находится источник гормона, вызывающего ощущение счастья и блаженства, связанное с оргазмом.

Половое возбуждение и оргазм горячо обсуждаются в научной литературе, особенно в том, что касается женского секса – более загадочного и – что не вызывает никаких сомнений – гораздо менее изученного. Проблема оргазма у женщины до сих пор считается в политике и биологии весьма злободневной.

Два столетия споров о том, возникает ли у женщин оргазм от стимуляции клитора или влагалища, так пока и не дали окончательного ответа. В XIX веке некоторые биологи-мужчины считали, что клитор и женский оргазм вообще бесполезны, потому что ни первое, ни второе не играют никакой роли в зачатии. Фрейд считал клиторальный оргазм признаком незрелости; женщины, считал он, созревают, когда у них начинает преобладать вагинальный оргазм. В 1960-х годах ведущие сексологи того времени Уильям Мастерс и Вирджиния Джонсон пришли к выводу, что есть только один вид женского оргазма – он начинается с клитора, а потом переходит на влагалище. Вместе с тем еще в 1950-х годах один немецкий анатом описал богато иннервированную область в передней стенке влагалища – точку «G» – и предположил, что она-то и есть потенциальный триггер влагалищного оргазма. Проведенные недавно анатомические исследования не смогли выявить что-то особенное в этой области, а литература о точке «G» скорее касается незначительных исследований и рассказов о не подтвержденных статистически случаях. Однако вероятно все-таки, что вагинальная стимуляция работает, потому что она одновременно ведет к стимуляции клитора; ритмичные смещения мягких тканей, прикрепленных к клитору, а также к набухшим ножкам и луковицам, естественно, воздействуют и на него. Итак, вместо разделения клиторального и влагалищного оргазма, ученые пришли к выводу, что и то и другое есть звенья одного и того же механизма. Передний отдел влагалища (с внедренным в его стенку мочеиспускательным каналом), клитор и его ножки работают как единое целое, как единая совокупность эректильной ткани, а стимуляция распространяется от одной области к другой. Неудивительно, что и другие животные тоже испытывают оргазм, так как сексуальная стимуляция очень и очень важна для выживания и сохранения любого вида, и, хотя на эту тему было проведено мало исследований, можно все же утверждать, что человек – в плане оргазма – отнюдь не уникален.

Расписание занятий сексом

В том, что касается практического применения описанных выше анатомических структур, то в некоторых отношениях мы, люди, более сдержанны, чем другие приматы, а в каких-то отношениях, пожалуй, более распущенны. Такие мокроносые приматы, как лемуры, обычно совокупляются в определенные сезоны размножения, а некоторые низшие узконосые обезьяны и все человекообразные (включая нас) занимаются сексом круглый год. У этих обезьян репродуктивные циклы длятся около месяца, включая овуляцию и менструацию. У многих мартышковых и шимпанзе овуляция проявляется набуханием и покраснением промежности; изменяется и поведение самок. У людей проявления овуляции более скромные. Промежность не набухает, а если бы и набухала, то это было бы незаметно, так как промежность у людей скрыта между ног, а мы, в отличие от наших ближайших сородичей, не передвигаемся на четвереньках. Но некоторые внешние проявления все же имеют место; в некоторых исследованиях показано, что женщины в период овуляции одеваются более вызывающе, а в еще одном небольшом исследовании было выяснено, что стриптизерши, исполняющие танцы на коленях посетителей, зарабатывают больше в середине менструального цикла (на это можно, однако, посмотреть и с другой точки зрения: наверное, меньше всего эти танцовщицы зарабатывают во время менструации).

В сравнении со многими другими млекопитающими, в частности с собаками, которые совокупляются только в «собачьей позе», люди могут заниматься сексом в самых разнообразных позах. Эта способность прослеживается до наших обезьяноподобных предков. Обезьяны с развитыми руками, способные висеть и раскачиваться на ветках, обладают большой подвижностью суставов и могут экспериментировать с сексом в разных положениях; правда, у человекообразных самец обычно берет самку сзади. Орангутаны, гориллы и в особенности бонобо иногда совокупляются в миссионерской позе, лицом друг к другу. Вероятно, переднее расположение клитора и вульвы у бонобо является приспособлением к такой позиции, что, возможно, относится и к людям.

Вероятно, представителям некоторых религий не понравится эта идея, но сексом занимаются не только ради размножения – и это касается как людей, так и животных. Гомосексуальное поведение встречается в животном мире, особенно у общественных и стадных животных. У бонобо секс представляется чем-то вроде дружеского приветствия. Не надо долго наблюдать за бонобо, чтобы дождаться интересного зрелища – они все время занимаются сексом. Эти обезьяны используют его для того, чтобы сбросить напряжение и избегать конфликтов. Сексуальная активность бонобо не обязательно сочетается с соитием; очень часто животные просто трутся гениталиями (как в гетеросексуальных, так и в гомосексуальных парах). Бонобо также умеют целоваться с применением языка и занимаются оральным сексом.

Изощренные анатомические структуры, которые возникли для того, чтобы сперматозоиды могли оплодотворять яйцеклетки наземных животных, оказались полезными и для многого другого, включая укрепление социальных связей, а также чистое удовольствие. Однако, при том что органы размножения обладают всеми этими чудесными дополнительными возможностями, мы все-таки рассматриваем эту систему прежде всего с точки зрения размножения. Несмотря на то что мужчины играют значимую роль в моральной и физической поддержке своих жен во время беременности и помогают ухаживать за маленькими детьми, у них нет для этого никаких особых анатомических структур. А вот у женщин, как мы уже говорили, система размножения служит местом пребывания развивающегося плода, хотя, конечно, дело не исчерпывается только этим. У плода должен быть путь выхода из уютной матки; он нужен, потому что неизбежно настает такой момент, когда плод должен покинуть материнское чрево.

Тесный выход

Издавна считалось, что срок рождения человека ограничен анатомическим строением, необходимым для большого мозга и эффективного передвижения на двух ногах, но недавние исследования показали, что мы, как всегда, слишком поспешно пришли к выводу о том, что человек в корне отличается от всех остальных животных.

Таз – это та область человеческого тела, в которой разница между мужчинами и женщинами проявляется наиболее отчетливо, особенно в строении костного скелета таза. Женский таз намного шире мужского. Помимо того что женский таз, как и мужской, сочленяет нижние конечности и позвоночник и является местом прикрепления мышц бедра и тазового дна и наружных гениталий, он исполняет и свою особую роль – участвует в формировании родового канала.

Рождение моего первого ребенка подтвердило то, что я уже знала: головка новорожденного и выход из малого таза имеют практически одинаковый диаметр. Рождение второго ребенка только подтвердило это впечатление. До того как родить первого ребенка, я ходила на курсы подготовки к родам, где нас, будущих матерей, наставляла опытная акушерка. Она показывала нам щипцы для салата и сантехнические вантузы, чтобы продемонстрировать, как в акушерстве накладывают щипцы или извлекают младенцев с помощью присоски. Думаю, что многие женщины уходили с занятий, убежденные, что роды может принять любой сантехник с помощью вантуза или повар с помощью ложки. Та же акушерка показывала нам поворот головки рождающегося плода в родовых путях на 270°. Просовывая головку куклы через пластиковую модель женского таза, она сказала: «Диаметр выхода из материнского таза равен 10 см, и у головки новорожденного диаметр тоже около 10 см. Они идеально подогнаны друг к другу. Разве Природа не прекрасна?» Тут мой муж – в тот момент я страшно гордилась им – подал голос: «Думаю, что она была бы еще прекраснее, если бы у ребенка диаметр головки был сантиметров восемь». Я была абсолютно с ним согласна. Однако акушерка не стала это комментировать и перешла к следующей теме.

Задолго до того, как мне пришлось самой отправиться в родильный зал, я уже знала, как трудны роды у людей. Родовой канал женщины, как совершенно справедливо говорила акушерка, едва ли шире, чем головка плода. Под действием похожих на прогестерон гормонов, которые в совокупности метко названы релаксином, суставы материнского организма несколько разрыхляются во время беременности. Лонное сращение, хрящевой сустав, сочленяющий две тазовые кости спереди, размягчается во время родов и получает возможность немного растянуться. Тонкие костные пластинки, формирующие свод черепа новорожденного, слегка перекрываются, чтобы уменьшить размер головки и помочь ребенку выйти на свет. Из-за этого, кстати, некоторые дети рождаются с деформированными черепами, но обычно такие деформации проходят самостоятельно через пару дней после рождения.

Помимо трудностей деторождения у человека, у детей есть еще одна особенность, требующая объяснения, и эта особенность – невероятная беспомощность новорожденного ребенка. У большинства приматов детеныши рождаются достаточно развитыми, способными самостоятельно о себе позаботиться. В сравнении с ними наши дети совершенно не приспособлены к жизни, вероятно, из-за того, что их мозгу еще только предстоит развиться и созреть. Детеныш шимпанзе рождается с мозгом, вес которого составляет 40 % от веса мозга взрослого животного. У ребенка вес мозга, соответственно, составляет всего 30 % от величины взрослого. Наши дети не могут самостоятельно передвигаться, они даже не могут цепляться за собственных матерей, их надо носить на руках и постоянно за ними присматривать, и пройдет не меньше года, прежде чем они научатся стоять и кое-как передвигаться на двух ногах. Беспомощность детей имеет важное значение для человеческого общества – вероятно, в этом кроется причина возникновения у людей парной семьи, а в большинстве человеческих культур воспитанием детей занимаются не только родители, но и бабушки с дедушками. Несмотря на то что такая беспомощность может, на первый взгляд, показаться недостатком, на самом деле эта особенность, возможно, создала предпосылки к появлению определенных качеств, без которых невозможно само существование человека. Беспомощность ребенка гарантирует его тесный контакт с родителями (и другими людьми, заботящимися о нем). Мозг человеческого дитяти растет и развивается вне утробы матери, в окружении других людей, и интенсивно впитывает законы и понятия общества и культуры. Как утверждает специалист по эволюционной психологии Майкл Томаселло, человеческие дети рождаются в надежде на культуру, как рыбы рождаются в надежде на воду. Действительно, некоторые ученые полагают, что относительная незрелость мозга новорожденного человека явилась результатом эволюционного отбора. Наше выживание зависит от знаний, поведения и навыков, которым мы учимся у других людей. Такими мы стали в процессе эволюции: способность к социальному обучению обеспечила преимущества нашим предкам и является фундаментом нашей видовой успешности. Кроме того, наш мозг открыт для обучения на относительно ранней стадии развития; некоторые даже утверждают, что потребность в обучении с самого раннего возраста и обусловила преждевременное рождение наших детей. Правда, скорее всего, причины здесь все же чисто физические.

Акушерская дилемма – так называется весьма правдоподобная гипотеза, объясняющая, почему таким трудным является деторождение и почему дети рождаются так рано и такими беспомощными. Гипотеза эта предполагает, что женский таз оказался в каком-то смысле жертвой эволюционного перетягивания каната – противоречия между потребностью в прямохождении на двух ногах и потребностью в рождении ребенка с большим головным мозгом. Идея заключается в том, что ширина таза определяется функциональными ограничениями, связанными с ходьбой на двух ногах; если женский таз стал бы еще шире, то женщина не смогла бы эффективно ходить. Но в то же самое время основной признак нашего биологического вида – большой головной мозг, а это значит, что у новорожденного по необходимости должна быть большая голова. Таким образом, необходимое ограничение ширины таза оказало сильное влияние на деторождение: человеческого ребенка надо родить до того, как его голова станет слишком большой для родовых путей. Гипотеза акушерской дилеммы предполагает, что форма женского таза уникальным образом определена этими противоположными требованиями, и в результате получился компромисс. Ширина женского таза такова, что ребенок должен родиться «рано», пока его голова еще может пройти по родовым путям. Один из выводов гипотезы гласит, что женский таз далек от совершенства в плане хождения на двух ногах – и, что, наоборот, мужской таз намного лучше приспособлен к этому. В конце концов, мы и так знаем, что мужчины могут ходить и бегать быстрее, чем женщины, так как у мужчин более узкий таз, благодаря чему они более эффективно используют энергию при движении.

Однако в 2012 году в «Трудах Национальной академии наук» (Proceedings of the National Academy of Sciences) была опубликована статья, в которой были оспорены, казалось бы, безупречные выводы гипотезы акушерской дилеммы и предложено иное объяснение раннему сроку рождения человека. Публикация подобных статей всегда вызывает волнение – ты начинаешь читать ее, понимая, что к концу чтения твое мировоззрение немного изменится. Именно это больше всего нравится мне в науке; каждый день появляется какая-то информация, бросающая вызов устоявшимся парадигмам, переворачивающая старые идеи и меняющая твой взгляд на мир.

Я специально отправилась в Нью-Йорк, чтобы встретиться с ведущим автором статьи Холли Дансуорт, и после этой встречи поняла, почему она считает, что люди не так уж необычны, как мы думали раньше. Холли рассказала, что все началось с сомнения в справедливости допущений, лежавших в основе гипотезы акушерской дилеммы. Холли оценила длительность беременности у других приматов и выяснила, что длительность беременности у человека отнюдь не является такой уж укороченной. Беременность у человека длится 38 недель, что превышает сроки беременности у всех крупных высших обезьян (у шимпанзе беременность длится 32 недели, а у гориллы – 36 недель). Приматы разных размеров вынашивают беременность в разные сроки, и, если соотнести размер тела со сроком нормальной беременности, то выяснится, что у человека беременность продолжается дольше, чем у других высших приматов. Действительно, беременность у женщины длится на один месяц дольше, чем можно было бы ожидать при таком размере тела. Это позволяет предполагать, что длительность беременности увеличилась в ходе эволюции человека. Другими словами, человеческие дети – в сравнении с детенышами других приматов – рождаются на самом деле скорее поздно, а не рано. Несмотря на относительно долгое вынашивание, мозг наших новорожденных детей отличается незрелостью, и ему предстоит еще долгое развитие и рост – просто потому, что у взрослых людей мозг очень велик. Возможно, вы сейчас зададитесь вопросом, почему природа не дала мозгу шанса еще немного подрасти, прежде чем ребенок родится. Вероятно, именно здесь вступает в игру гипотеза акушерской дилеммы, ибо, по всей видимости, беременность не может продолжаться дольше, так как в этом случае у женщины бы безнадежно нарушилась способность к нормальной ходьбе.

Однако насколько все же женский таз менее эффективен, чем мужской? Холли представила меня двум своим коллегам, которые интересовались этим вопросом: Герману Понцеру и Анне Уорренер. Мы встретились в лаборатории, расположенной в углу одного из зданий Хантеровского колледжа, из панорамного окна которой открывался вид на Нью-Йорк. Как раз в это время Герман и Анна наблюдали за двумя студентами, которые в масках бежали по бегущей дорожке. Маски были надеты для того, чтобы измерять потребление кислорода во время бега. Результаты, полученные в тот день в лаборатории, вполне соответствовали другим, полученным раньше при изучении энергетической эффективности ходьбы и бега: выяснилось, что женщины – несмотря на их широкий таз – расходовали энергию так же экономно, как мужчины.

Трудность деторождения у человека: необходимость соответствия диаметра крупного черепа диаметру родовых путей и выхода из таза

Это показалось мне удивительным, так как я ожидала, что мышцы, обнимающие широкий таз, вынуждены работать активнее и в менее выгодных условиях. Когда вы идете или бежите, отводящая мышца на наружной поверхности ягодицы, расположенная выше голени ноги, находящейся в данный момент на земле, напрягается, чтобы удержать таз от избыточного наклона в противоположную сторону. Это на самом деле важно – сохранять горизонтальное расположение таза относительно поверхности земли, так как означает, что вы сможете легко совершить мах другой ногой и переместить ее вперед, чтобы сделать следующий шаг. Без отводящих мышц, работающих на стороне стоящей на земле ноги, другая нога не смогла бы совершить мах, а беспомощно волочилась бы по земле. Слабость этих важных мышц, которая может возникнуть при полиомиелите, приводит к странностям походки, когда таз опускается в сторону и вниз при попытке поднять ногу и переместить ее вперед. Такую походку называют походкой Тренделенбурга, по имени впервые описавшего ее немецкого хирурга.

Однако исследования эффективности ходьбы и бега у мужчин и женщин показали, что не все так просто. Даже несмотря на то, что отводящим мышцам приходится трудиться тяжелее у женщин с их широким тазом, чем у мужчин, есть и другие факторы, участие которых делает ходьбу и бег женщин менее энергозатратными. Небольшие отклонения в положении ноги во время ходьбы могут компенсировать затраты энергии. Это еще одна причина сомневаться, что именно требования локомоции – эффективного бега и ходьбы – ограничили размер женского таза. Это тем более сомнительно в свете очень большого разнообразия размеров таза у женщин, что мы наблюдаем в наши дни. Таких колебаний в размере не было бы, если бы действовал только естественный отбор.

Открытие того, что эффективность женщин в ходьбе и беге не уступает таковой у мужчин, снимает одно из ограничений на строение таза: похоже, что в узких бедрах нет никакого эволюционного преимущества. Кроме того, ископаемые останки показывают, что таз претерпел большие изменения в ходе эволюции человека. В сравнении с более древними предками, обладавшими меньшим мозгом, таз ранних представителей нашего рода Homo стал шире по абсолютной величине. Таким образом, таз наших предков становился шире по мере увеличения размеров головного мозга. Отлично, но почему женский таз тогда не стал еще шире, чтобы облегчить деторождение и позволить ребенку дольше оставаться в чреве матери?

Перед тем как ехать в Нью-Йорк, на встречу с Холли и ее коллегами, я в течение двух недель собирала и замораживала небольшие порции собственной мочи после питья меченной некоторыми изотопами воды. Я отправила эти пробы в Штаты до того, как сама отправилась туда. Герман проанализировал мои результаты, учитывая уровень различных изотопов кислорода и водорода в моей моче для того, чтобы вычислить показатели энергетического обмена, и, когда я приехала, он показал мне эти данные, изображенные в виде графика. Мой обмен оказался вдвое более интенсивным, чем можно было бы ожидать в отсутствие беременности, но я в тот момент была на пятом месяце, и мне приходилось снабжать энергией моего растущего ребенка. Герман сказал мне, что, когда интенсивность обмена станет в 2,1 раза больше нормы, у меня начнутся роды, потому что мой организм больше не сможет покрывать потребности плода в энергии.

Это предсказание зиждилось на надежных данных. Точный механизм определения срока родов у людей (как, впрочем, и у других млекопитающих) остается неясным. В самом деле, этот вопрос называют «самым значительным из нерешенных вопросов биологии размножения». Но несмотря на то что мы не знаем деталей этого механизма – а именно не знаем, какие биохимические сигналы и каким образом в нем участвуют, – представляется, что момент родов, вероятно, определяется энергетическим балансом. Рождение происходит тогда, когда потребности плода в энергии начинают превосходить возможность матери ее обеспечить. Интенсивность основного обмена матери изменяется, как это было и у меня: приблизительно на половине срока беременности увеличивается вдвое по сравнению с нормой, а к девятому месяцу энергетические потребности плода поднимают его еще выше, до уровня 2,1 по сравнению с нормальными показателями основного обмена. Переход этого энергетического Рубикона совпадает с окончанием беременности и началом родов.

Складывается впечатление, что именно этот «энергетический кризис», а не размер таза ограничивает срок вынашивания беременности. Правда, и с этой гипотезой есть проблемы; дело в том, что и после рождения ребенок продолжает расти и требовать энергии, а у млекопитающих, включая и нас, эта энергия поступает к ребенку в виде материнского молока. При этом растущий ребенок требует больше энергии, чем плод, заключенный в чреве матери, потому что у рожденного ребенка энергетические потребности постоянно растут. Однако несмотря на то что матери приходится доставлять больше энергии ребенку после его рождения, темпы роста основного обмена матери замедляются. Возможно, что крутое увеличение потребностей в энергии плода, находящегося в материнской утробе, приводит к «энергетическому кризису» – организм матери не может в таком же темпе увеличивать поставки энергии, а после рождения, хотя рост потребностей ребенка продолжается, его темп снижается, и материнский организм успевает к нему приспособиться.

Гипотеза «энергетического кризиса» привлекательна тем, что предлагает объяснение сроков наступления родов, не связанное с уникальностью человека. Такой же механизм действует и у других плацентарных млекопитающих, у которых продолжительность беременности и размер новорожденного детеныша зависят от размеров тела матери.

Эта новая гипотеза «энергетического кризиса» позволяет объяснить продолжительность беременности у человека лучше, чем гипотеза акушерской дилеммы. Новое объяснение означает, что дети рождаются в тот момент, когда энергетические потребности плода начинают расти с недопустимо высокой скоростью. Археологические данные убедительно показывают, что таз гоминид постоянно расширялся, чтобы адаптироваться к большому размеру мозга и головки новорожденного, но расширялся только до определенного предела. Даже если бы таз расширился еще больше, то плод не смог бы и дальше оставаться в чреве матери, потому что продолжительность беременности определяется не анатомическими, а физиологическими причинами, а именно дефицитом энергии. Но гипотеза «энергетического кризиса» все же не может объяснить трудность процесса деторождения у человека.

Для начала надо задуматься еще об одной вещи: намного ли труднее роды у человека в сравнении с другими биологическими видами? Ответ на этот вопрос будет утвердительным, если мы сравним роды у человека и у большинства млекопитающих, но картина изменится, если мы обратим внимание на приматов, – у некоторых из них роды протекают тоже достаточно трудно. И хотя ученым редко удается наблюдать роды у приматов, из того, что мы знаем, можно заключить, что у шимпанзе, горилл и орангутанов с их широким тазом роды протекают сравнительно легко. Хуже приходится мартышкам. У четвероногих узкая и глубокая грудная клетка и такую же форму имеет таз, а это значит, что у этих обезьян узкий таз затрудняет течение родов. В частности, у игрунок и беличьих обезьян диаметр выхода из таза лишь ненамного превышает диаметр головки новорожденного детеныша.

Таким образом, мы видим, что не у всех млекопитающих роды протекают легко, и человек – не единственный вид, самки которого испытывают затруднения при родах. На самом деле существует целый спектр трудностей. Тем не менее было бы неразумно отрицать, что роды у человека находятся на конце этого спектра, так как у женщин роды продолжаются дольше и являются наиболее болезненными, чем у самок всех остальных приматов. Несмотря на тесное соответствие диаметра головки и диаметра родовых путей, обезьяны справляются с родами легче, чем люди, потому, вероятно, что у их детенышей узкие плечи. Плоду человека с его широкими, как голова, плечами, приходится перед рождением совершать в родовых путях серию поворотов в общей сложности на 270°, в результате чего дети обычно рождаются на свет лицом вниз, в то время как новорожденные детеныши обезьян, как правило, рождаются лицом вверх. Обезьяна может помочь себе в родах, потянув рождающегося детеныша за головку. Потянуть на себя, а значит, вверх головку рождающегося ребенка – это значит сильно разогнуть позвоночник в шейном отделе, что очень опасно. В отличие от других приматов, самки которых предпочитают рожать в одиночестве, женщины стремятся получить помощь. Видимо, институт акушерок-повитух является весьма древним.

Помимо того что роды являются болезненными, они еще и рискованны. Несоответствие размера таза размеру головки может привести к осложнениям при родах (дистокии), в результате которых ребенок не может появиться на свет естественным путем. В таких случаях в опасности оказывается жизнь и матери, и плода. Несмотря на развитую систему родовспоможения во многих странах мира, подобные осложнения до сих пор остаются серьезной проблемой в акушерстве.

Это осложнение встречается в 3–6 % всех родов, однако проведенное недавно в Западной Африке исследование обнаружило его в 20 % всех родов. В свете того, что дистокия представляет такую опасность для матери и плода, кажется странным, что в ходе эволюции таз женщины не стал еще шире.

При том что гипотеза акушерской дилеммы оказалась несостоятельной в плане объяснения срока наступления родов и беспомощности человеческих младенцев, она все же может оказаться полезной для объяснения трудностей деторождения у человека. Показано, что эффективность локомоции у женщин не уступает таковой у мужчин, но, вероятно, если бы женский таз стал еще шире, то эта эффективность могла бы снизиться. Тем не менее такое объяснение не кажется вполне правдоподобным. Давайте сравним возможные последствия: с одной стороны, расширение таза требует дополнительной энергии на ходьбу и бег; с другой стороны, узкий таз, сберегая энергию во время движения, может создать угрозу жизни матери и плода, а это слишком высокая плата за эффективную локомоцию. Таким образом, последствия слишком узкого таза для деторождения намного перевешивают недостатки, связанные с ходьбой и бегом. Естественный отбор едва ли благоприятствовал бы уменьшению ширины таза за счет снижения выживаемости.

Но как можем мы объяснить такое широкое распространение дистокии в некоторых обществах? Даже частота 5–6 случаев на сто родов уже выглядит слишком высокой. Возможно, однако, что у естественного отбора просто не хватило времени, и этот процесс пока не завершился: вероятно, что трудности деторождения – это недавний феномен, и нашим предкам не приходилось сталкиваться с ним с такой частотой, как нам сегодня. Эту точку зрения подкрепляют археологические данные и современные клинические наблюдения.

Известно – несмотря на скудость достоверных данных, – что в сохранившихся до наших дней сообществах охотников и собирателей дистокия встречается крайне редко. Не чаще она встречалась и у древних людей, о чем можно судить по археологическим данным, так как при раскопках в различных местах среди женских скелетов было обнаружено очень мало скелетов с плодами внутри полости таза. В современных аграрных обществах, в особенности там, где плохое питание девочек приводит к отставанию в росте и развитию узкого таза, картина совершенно иная. Причем в этих же обществах, как правило, отсутствует и система организованного родовспоможения.

Дистокия реже встречается у женщин в развитых странах. Проблемы там, как правило, возникают в тех случаях, когда матери питаются продуктами с высоким содержанием углеводов и простых сахаров. Из-за этого увеличивается вес детей при рождении, и, таким образом, проблема связана не с тем, что у женщин слишком узкий таз, а с тем, что они рожают слишком крупных детей.

В бедных странах, где плохое питание приводит к большой частоте дистокии и где ограничена доступность современной акушерской помощи, естественный отбор действует до сих пор, благоприятствуя женщинам с широким, несмотря на недостаток питания, тазом и плодом меньшего веса. В богатых развитых странах, где акушеры-гинекологи готовы немедленно заняться любой женщиной, испытывающей трудности в родах, естественный отбор удается обойти. Матери и их дети имеют шанс выжить даже в тех случаях, когда роды сильно затруднены или вообще невозможны естественным путем из-за несоответствия диаметра родовых путей и размеров плода. Скальпель врача и умелые руки акушерок оказались острее косы естественного отбора.

Возможно, мы, современные люди, можем возложить ответственность за трудные роды на наших предков. Родовспоможение позволило ослабить давление отбора в отношении крупноголовых детей или женщин с узким тазом. Таким образом, мы сегодня испытываем трудности при родах, потому что приобрели способность к сотрудничеству. Нам нужна помощь при родах, потому что наши предки действительно оказывали друг другу помощь в этом процессе. Акушерство называют иногда древнейшей профессией, и с момента ее появления она гарантированно будет востребована всегда.

Мы посвятили много времени и внимания разбору функций таза и расположенных в его области органов, проследив их эволюцию начиная с таких отдаленных предков, как рыбы и амфибии; мы разобрались в том, как наземные животные преодолели трудности зачатия, связанные с выходом на сушу, и, кроме того, поняли, что не размеры таза ограничивают время пребывания плода в утробе матери, то есть продолжи тельность беременности. Вы также, возможно, чуть больше узнали о клиторе и половом члене. Однако таз – не только вместилище органов размножения и родовой канал – он участвует еще и в сочленении ног с туловищем.

О природе конечностей Плавники, конечности и предки

Когда-то давно мы были просто капельками, плавающими в море, затем стали рыбами, затем ящерами, крысами и обезьянами, а между ними побывали сотнями разных существ. Когда-то давно эта рука была плавником, а затем на ней появились когти!

Терри Пратчетт. Шляпа, полная неба[13]

Зачатки конечностей и пластинки роста

Для того чтобы узнать, откуда у нас взялись конечности, нам придется вернуться к ранним стадиям эмбрионального развития. На четвертой неделе после зачатия зародыш свертывается в трубку, превращаясь из плоского трехслойного зародышевого диска в три вставленных друг в друга цилиндра. По обе стороны от головы появляются дисковидные утолщения, из которых сформируются хрусталики глаз и заполненные жидкостью лабиринты внутреннего уха. По сторонам шеи образуются ряды жаберных или глоточных дуг. С каждой стороны тела, на его задней (дорсальной) стороне отчетливо видны сомиты, а кроме того, с каждой стороны появляются два парных выпячивания, которым суждено стать верхними и нижними конечностями – руками и ногами. Сначала эти бугорки состоят из скоплений рыхлой эмбриональной соединительной ткани, образующейся из среднего, мезодермального, слоя зародышевого диска (из «начинки» этого «сэндвича»). Снаружи этот бугорок одет слоем эктодермы. К шестой неделе зачатки удлиняются, образуя уплощенные пластинки кистей и стоп. В течение седьмой недели клетки пластинок кистей и стоп начинают отмирать.

Это нормальный ход развития; формирование человеческого тела включает не только рост и пролиферацию, но и смерть некоторых клеток. Гибель клеток очень важна, потому что уменьшает количество генетической информации, необходимой для построения тела. Действительно, гибель клеток – это фундаментальный процесс эмбрионального развития любого животного со сложным строением тела. Во многих случаях бывает проще создать избыток ткани, а потом убрать лишнее, нежели сразу тщательно кроить сложную структуру. Наглядный пример – развитие нервной системы: в мозге новорожденного младенца содержится 90 миллиардов нервных клеток (нейронов), а потом происходит уничтожение почти половины этого количества. В результате процесса удаления лишнего остаются только те нейроны и синапсы, которые доказали свою полезность. Таково физическое проявление обучения – намного легче создать в самом начале избыточное число нейронов, а затем уменьшить их количество после того, как они образуют устойчивые связи, нежели тщательно программировать с самого начала все эти соединения и связи. Моя трехлетняя дочь уже хорошо усвоила этот принцип. Когда она создает картины с помощью клея и блесток, то сначала наносит на бумагу рисунок клеем. Затем, вместо того чтобы аккуратно наносить блестки по нарисованным линиям, она рассыпает их по всей поверхности листа, а затем просто смахивает излишки. Так же в процессе развития глаза отмирание клеток хрусталика позволяет его зачатку отделиться от покрывающего его слоя эктодермы. Программированная клеточная смерть – самоубийство клеток – обеспечивает прорезание просветов в сплошных клеточных тяжах, превращая их в трубки – именно так образуются у эмбрионов кровеносные сосуды. Камеры сердца формируются благодаря сочетанию запрограммированной смерти одних клеток и размножения других. В кончиках развивающихся конечностей людей, мышей и птиц клеточная смерть помогает пальцам отделиться друг от друга. Если клетки перестают отмирать, то ребенок может родиться со сросшимися пальцами.

В ходе изменения конечности от зачатка до вполне узнаваемой миниатюрной руки или ноги интересны не только эти внешние преобразования, но и процессы, происходящие внутри растущей конечности. В упомянутом мезодермальном ядре эмбриональные клетки образуют скопление и дифференцируются в хрящевые клетки. К шестой неделе в зачатках конечностей уже содержатся хрящевые модели их будущих костей. В игру снова вступает клеточная смерть, на этот раз для того, чтобы сформировать суставы между хрящевыми моделями. Из клеток, окружающих новообразованные суставные полости, образуется хрящевая выстилка суставных поверхностей сочленяющихся костей, а также оболочки сумок с вязкой синовиальной жидкостью, смазывающей суставные поверхности.

В течение восьмой недели в середине «моделей» из хрящей начинает образовываться истинная костная ткань, и это окостенение продолжается до тех пор, пока хрящевая ткань (к моменту рождения) остается только на концах костей. После рождения очаги окостенения появляются и в этих концах, но эти очаги не сливаются с зонами окостенения в стержнях костей в течение следующих многих лет. Секрет быстрого роста костей в детстве заключается в том, что в костях остается немного хрящевой ткани. Эти хрящевые участки имеют форму дисков, заключенных между телом и концом каждой длинной кости организма. Этот диск называют «пластинкой роста» или «зоной роста». Окончательное исчезновение этих хрящевых зон происходит с их окостенением при достижении костью «взрослой» длины, а случается это в конце подросткового периода. После окостенения зон роста кость теряет способность расти в длину. В некоторых костях такое закрытие зон роста происходит очень поздно – зоны роста в ключицах закрываются у взрослых людей иногда только к тридцати годам.

Развитие руки и кисти человеческого эмбриона

Зоны роста разных костей закрываются (согласно заложенной генетической программе) в разном возрасте (правда, в биологии все изменчиво), а это значит, что по динамике закрытия зон роста можно следить за правильностью развития ребенка. Это также очень полезно для определения возраста наступления смерти у подростков, чьи скелеты обнаруживают при археологических раскопках. Вот один пример из поселения викингов на острове Англси в Северном Уэльсе.

Место обнаруженной стоянки находится близ одной фермы на северо-восточном побережье Англси, откуда открывается превосходный вид на Сноудонию, расположенную на северо-западной оконечности Уэльса. Эта стоянка была обнаружена каким-то человеком с помощью металлоискателя – сначала он нашел древнюю монету, после чего на место прибыли археологи из Национального музея Уэльса во главе с доктором Марком Редкнэпом. Это поселение оказалось первым свидетельством заселения викингами Уэльса, на перевалочных пунктах торговых путей между Скандинавией и Северо-Западной Англией, Западной Шотландией и Ирландией. Раскопки производились каждое лето в течение более десяти лет. Мне посчастливилось участвовать в этой работе в качестве палеонтолога и специалиста по человеческим скелетам. Было открыто несколько захоронений, включая пять скелетов, обнаруженных в глубокой канаве на краю поселения. Пожалуй, слово «захоронение» не очень соответствует тому, что мы там увидели: похоже, эти трупы швырнули в канаву без всяких ритуалов и почестей. У одного скелета (принадлежавшего взрослому мужчине) руки были заведены назад и располагались близко друг другу – вероятно, его бросили в яму со связанными за спиной руками. Кем бы ни были эти люди, они, скорее всего, умерли насильственной смертью. Два скелета принадлежали подросткам.

Я помогала откапывать скелеты, но моя работа продолжалась еще долго после того, как траншеи были снова засыпаны землей. В Национальном музее Уэльса в Кардиффе скелеты были тщательно очищены, а кости размещены в должном порядке. Потом настала моя очередь: мне надо было выяснить все о людях, которым принадлежали эти останки.

У скелета под названием «скелет из второго захоронения» концы длинных трубчатых костей оказались незаращенными. Поверхности тупых концов тел костей и поверхность эпифизов были покрыты волнообразными зазубринами – типичная поверхность участков кости, сочлененных с хрящевой зоной роста. Хрящ – это мягкая ткань и не сохраняется в захоронениях, остаются лишь твердые кости, точнее, их неорганический остов. Я внимательно осмотрела область сращения в месте зон роста. Сращение отсутствовало в нижней части плечевой кости – обычно оно происходит в возрасте около 17 лет; в основаниях фаланг пальцев кистей зоны роста тоже оказались незаращенными – они зарастают к шестнадцати годам. Заращенными оказались зоны роста бедренных костей, а они начинают зарастать в возрасте одиннадцати лет. Эти данные указывали на то, что скелет принадлежал мальчику в возрасте от одиннадцати до шестнадцати лет. У этого скелета хорошо сохранились также зубы, и осмотр зубов позволил мне еще точнее определить возраст этого человека в момент смерти. Вторые коренные зубы у него уже прорезались, а третьи (зубы мудрости) – нет; коронки этих зубов полностью сформировались, а корни были еще недоразвиты. Это означало, что скелет принадлежал ребенку в возрасте от двенадцати до тринадцати лет.

Я – ученый, и должна быть беспристрастной, но при этом я все же человек, и не могла не испытывать горькую печаль, глядя на эти останки, тем более что мальчик, скорее всего, погиб насильственной смертью. Конец жизни этого ребенка и других людей, сброшенных в канаву, окутан покровом тайны, но археологи усиленно работают, чтобы пролить свет на это нераскрытое преступление, пытаясь понять, что же случилось в этом уголке Уэльса много-много лун тому назад. Стали ли эти люди жертвами набега викингов или это, наоборот, были викинги, убитые валлийцами? Имеем ли мы дело с жертвами междоусобицы? Химический анализ зубной эмали, возможно, поможет решить вопрос о происхождении этих людей. Есть предположение, что это были викинги, но точные обстоятельства их смерти трудно определить по этим давним костным останкам. На этом мне приходится закончить рассказ об этой истории. Моя работа была завершена, я измерила кости, оценила их состояние, написала протокол исследования и сфотографировала кости, а потом сложила их в специальный контейнер и перешла к следующему скелету.

Миотомные танцы

Это здорово, что у нас в эмбриональном периоде развиваются кости конечностей, но от них было бы мало пользы, если бы не было прикрепленных к ним мышц, с помощью которых осуществляются движения конечностей. Собственно, в этом и заключается смысл существования костей – они представляют собой систему рычагов, оперируя которыми работают наши мышцы.

Мышцы мигрируют к конечностям из тканевых сегментов, находящихся по бокам от позвоночного столба, в то время, когда человек еще представляет собой крошечный эмбрион. Вначале это отдельные сегменты мышечной ткани, но потом эти мышечные блоки начинают сливаться или, наоборот, расщепляться, образуя дефинитивные мышцы конечностей, причем эти мышцы содержат ткань, происходящую из двух или трех (а иногда и больше) исходных сегментов, или, иначе, сомитов. На передней поверхности плеча находится двуглавая мышца плеча (для краткости ее часто называют просто бицепсом). Она состоит из мышечных волокон, происходящих из пятого и шестого шейных сомитов. Иннервация мышц напоминает об их эмбриональном происхождении; мышечно-кожный нерв, иннервирующий бицепс, содержит двигательные нервные волокна, вступающие в него в составе пятого и шестого шейных спинномозговых нервов. Если спуститься ниже, на кисть, то там мы найдем мышцы, иннервируемые восьмым шейным (С8) и первым грудным (Т1) спинномозговыми нервами. Сгибание пальцев руки осуществляется под влиянием импульсов, исходящих из восьмого шейного спинномозгового нерва; если же вы растопыриваете пальцы, то этим движением управляет первый грудной спинномозговой нерв. Термином «миотом» обозначают одновременно часть сомита, которая станет той или иной скелетной мышцей, и группу мышц, которые у взрослого человека имеют одинаковое происхождение из одного и того же эмбрионального миотома и, следовательно, иннервируются одним и тем же спинномозговым нервом.

Студенты-медики изучают строение миотомов конечностей, но не для того, чтобы знать, откуда берут начало мышцы в эмбриональном периоде, а для того, чтобы знать, функции каких мышц нарушаются при поражениях определенных спинномозговых нервов. Один из мнемонических приемов, помогающих запомнить связи между отдельными спинномозговыми нервами и соответствующими им мышцами, а также их деятельностью, – это заучивание так называемых миотомных танцев. Их хореография не особенно сложна, но зато наглядно демонстрирует связи между спинномозговыми нервами и соответствующими им движениями верхней конечности (плеча, предплечья и кисти) и нижней конечности (этим названием мы, анатомы, упрямо пользуемся вместо слова «нога»). На YouTube можно найти множество примеров миотомных танцев (по запросу «myotome dances»).

Такое строение мышц и иннервирующих их нервов во взрослом организме, происхождение которого можно проследить в эмбриональном периоде, отнюдь не является уникальной особенностью человека. Это строение мы разделяем не только со всеми млекопитающими животными, но и со всеми четвероногими. У нас, как у членов этой группы наземных животных, конечности соединены с позвоночником строго определенным образом: верхние конечности (эквиваленты передних конечностей животных) сочленяются с телом на уровне перехода шейного отдела позвоночника в его грудной отдел. Нижние конечности (эквиваленты задних конечностей четвероногих) сочленяются с телом на уровне перехода поясничного отдела позвоночника в крестец. Такое строение присуще всем четвероногим, независимо от того, к какому классу они принадлежат: амфибии, рептилии, птицы или млекопитающие. Такая «конструкция» четвероногих строго определена. На свете не существует ни одного четвероногого животного, у которого конечности росли бы от середины грудной клетки или от конца хвоста. Это может быть функциональным ограничением: животные с конечностями, расположенными в неподходящих местах, не способны эффективно двигаться и должны быть устранены естественным отбором. Но возможно, это ограничение носит более фундаментальный характер и глубоко внедрено в наш геном. Как показали исследования Дени Дюбуля и его группы, Hox-гены, которые управляют сегментацией вдоль продольной оси тела, определяют также и членение конечностей. Возможно, что если гены этой группы попадут не туда и конечности окажутся не в том месте, то это настолько нарушит весь план строения организма, что он попросту потеряет жизнеспособность.

Как мы уже видели на примере многих анатомических структур, ни они сами, ни даже их фрагменты никогда не появляются из ничего. Эволюция любит экономить, повторно используя уже существующие, но по какой-то причине оказавшиеся ненужными структуры, видоизменяя и переделывая их под новые функции. Конечности четвероногих не стали вдруг, ни с того ни с сего, расти из тел животных, выползших на сушу из воды. Эти животные, предки четвероногих, уже обладали необходимыми для этого зачатками конечностей в виде плавников.

Плавники и конечности

Наличие связи между плавниками и конечностями никоим образом не является откровением. Английский биолог и специалист по сравнительной анатомии Ричард Оуэн писал об этой связи в своей вышедшей в 1849 году книге «О природе конечностей», где сравнивал конечности млекопитающих и птиц с плавниками рыб.

Ричард Оуэн – выдающийся биолог XIX века, сделавший важный вклад в эту отрасль науки, но, как сейчас представляется, сам он был весьма противоречивой фигурой, и даже мог пробудить к себе неприязнь. Так, Чарльз Дарвин, викторианский джентльмен с безукоризненными манерами, писал о своей неприязни к Ричарду Оуэну. Р. Оуэн должен был стать врачом. Он учился медицине сначала в Эдинбурге, а потом в Лондоне, но, получив диплом, разочаровался в клинической медицине и погрузился в анатомические исследования, став впоследствии профессором и хранителем музея Королевского хирургического колледжа. В 1856 году Оуэн стал заведовать естественно-историческим отделением Британского музея. Под руководством Оуэна состоялся переезд этого отдела в новое здание в Южном Кенсингтоне, известном теперь как Музей естественной истории.

Научные интересы Ричарда Оуэна были чрезвычайно обширны. Он писал научные статьи о беспозвоночных, включая губок, подковообразных крабов и моллюсков, но также изучал и самых разнообразных позвоночных. Он первым понял, что у некоторых древних рептилий появились признаки млекопитающих; именно Оуэн ввел в обиход термин «динозавр», что в переводе с греческого означает «ужасная ящерица». То, какими Оуэн представлял себе динозавров, можно и сейчас увидеть в парке Хрустального Дворца, где несколько созданных самим Оуэном реконструкций динозавров (по случаю Всемирной выставки) до сих пор прогуливаются по лужайке и плавают в озере.

На всем протяжении своей карьеры Ричард Оуэн непрерывно демонстрировал умение наживать себе врагов. Он присваивал себе труды других ученых, за что был изгнан из зоологического отдела Королевского общества и что навсегда подорвало его репутацию. По-видимому, его сильно расстроило то обстоятельство, что человек, которого он считал незначительной фигурой в науке, написал авторитетную книгу по эволюции, и поэтому он опубликовал анонимную рецензию на «Происхождение видов» Дарвина в «Эдинбургском вестнике» (Edinburgh Review) в 1860 году. Эта статья оставляет очень неприятное впечатление. Оуэн утверждает, что Дарвин – отнюдь не первый ученый, затронувший тему «превращения видов», и что многие «молодые биологи впали в соблазн, приняв за истину рассуждения о… естественном отборе».

Вероятно, я слишком сильно переживаю за Дарвина, но не могу отделаться от ощущения, что в следующем пассаже содержится нечто большее, чем скрытая насмешка: «Ни один натуралист не уделял столь пристального внимания строению морских уточек, как мистер Дарвин». Далее Оуэн пишет о том, что он считает истинным вкладом книги Дарвина в естественную историю: наблюдения по анатомии морских уточек, поведению муравьев и пчел, гипотезу о том, что болотные птицы переносят семена растений вместе с грязью, прилипшей к их лапам, и анализ биологических признаков домашних голубей. «Эти наблюдения, – пишет Оуэн в своем обзоре, – являются самыми важными оригинальными наблюдениями… они, по нашему мнению, разбросаны по страницам труда, как редкие драгоценные камни, но их так мало, и они попадаются так редко». Да, вот именно так!

В этом обзоре Оуэн не отрицает эволюцию как таковую, но он подвергает сомнению ее механизм, предложенный Дарвином, – естественный отбор. Сам Оуэн считал, что возникновение биологических видов – это предопределенный процесс, направляемый «постоянно действующей созидательной силой». Эта идея прямо противоречит теории Дарвина об эволюции путем естественного отбора, в котором нет ничего запланированного, а все изменения происходят благодаря взаимодействию организмов с окружающей средой. Особенно раздражала Оуэна идея о возможности значительных изменений животных организмов: он не мог принять, что животное одного вида может превратиться в животное другого вида.

Однако одиннадцатью годами раньше, когда он писал «О природе конечностей», Оуэн был более восприимчив к идее значительных изменений организмов с течением времени. В конце книги он писал: «Природа шествовала неторопливым державным шагом, ведомая архетипическим светом… исходившим из первого воплощения идеи позвоночного животного под рыбьими одеждами, до того рубежа, когда эта идея облеклась в блистательное одеяние человеческих форм». Оуэн не мог допустить саму мысль о том, что люди могли произойти от обезьян – он зашел так далеко, что предложил выделить людей в особый подкласс млекопитающих, – но совершенно спокойно принимал идею о том, что более далекими предками человека вполне могли быть рыбы. Из сочинений Оуэна совершенно очевидно явствует, что он верил в scala naturae, апогеем которой ему представлялся человек. Для Оуэна схожесть конечностей различных животных представляла собой лишь вариации на одну тему, или вариации архетипа, который каким-то образом был встроен в некий предопределенный план. Несмотря на то что Оуэн не был креационистом, он верил, что эволюция управляется пусть не божеством – но силой, каковую он называл Природой.

Хотя в наши дни выводы Оуэна звучат нелепо, его наблюдения были выполнены весьма тщательно, и благодаря им он смог разглядеть глубинное сходство между конечностями наземных животных и плавниками рыб. Оуэн признавал также, что не он первый обратил внимание на это сходство. Он писал следующее:

«Конечности», каковыми призвано ограничиться настоящее рассуждение, присущи всем животным, относящимся к ряду позвоночных; это части, называемые «руками» и «ногами» у человека; «передними» и «задними» ногами у зверей; «крыльями» и «ногами» у летучих мышей и птиц; «грудными» и «брюшными плавниками» у рыб. Эта гомология была открыта и принята уже давно…

Далее Оуэн описывает глубинное сходство между такими, внешне различными конечностями, как веслообразный «плавник» дюгоня, передняя лапа крота, крыло летучей мыши, ноги лошади и конечности человека. Оуэн указывает, что внешний вид и функции этих разнообразных конечностей могут разительно отличаться, но при этом говорит: «Нам не стоит удивляться этому: по-другому быть просто не может, ибо любое орудие должно соответствовать своему предназначению». Затем, однако, Оуэн перечисляет различные инструменты и приспособления, изобретенные человеком для перемещений по воде и воздуху, по земле и под землей: «лодки и воздушные шары, паровую машину Стефенсона, горнопроходческие машины Брюнеля», и указывает, что между конструкциями этих приспособлений не было ничего общего. Если бы назначение конечностей животных было единственной движущей силой их создания, утверждал Оуэн, то они были бы гораздо более разнообразными и не имели бы между собой присущего им глубинного сходства.

Оуэн привлекает внимание читателей и к схожести конечностей у одного организма: «Каждый может видеть, что бедро по строению соответствует плечу… голень предплечью, голеностопный сустав лучезапястному, пятипалая стопа похожа на пятипалую кисть…» Кости голени и кости предплечья также на удивление похожи.

Сравнивая между собой разные виды, Оуэн указывает, что одни и те же элементы присутствуют в руке человека и в передней конечности лошади, если не считать того, что у лошади количество пальцев редуцировалось с пяти до одного. Есть сходство между рукой человека и крылом летучей мыши. Теперь мы знаем, что гомология конечностей различных животных отражает глубинную гомологию генетических кодов – в форме консервативных генов Hox. Оуэн разглядел эту глубинную схожесть даже с рыбьими плавниками, увидев гомологию в строении человеческих пальцев и лучей плавников. В последнем утверждении Оуэн, правда, ошибся, кисть и стопа, которыми оканчиваются конечности четвероногих животных, – это новое приобретение, потребовавшее экспрессии новых Hox-генов, а не вариация на тему уже существовавших плавников наших рыбьих предков. Может показаться невероятным одновременное возникновение пальцев на передних и задних конечностях, но есть данные, говорящие о том, что посредством Hox-генов работает один и тот же «переключатель», отвечающий за развитие пальцев рук и ног.

Когда же произошла эта удивительная трансформация? Для ответа на этот вопрос нам придется совершить дальнее путешествие к гренландским скалам и бросить взгляд на ископаемые остатки древних животных, отважно шагнувших на неизведанную до тех пор сушу.

Гренландская сага

В 1987 году палеонтолог Дженни Клэк исследовала окаменелости в Гренландии. Она знала, что именно хотела найти, – ей были нужны окаменелости, относящиеся к периоду 365 миллионов лет назад. В 1930-х шведские палеонтологи нашли в восточной части Гренландии интригующие фрагменты черепа. Новый вид был назван Acanthostega (греч. «шипастая крыша»). В 1971 году геолог, работавший в Восточной Гренландии, вернулся оттуда с несколькими ископаемыми фрагментами, которые, как выяснилось, тоже принадлежали акантостеге. Дженни Клэк отправилась в Гренландию в составе совместной датско-британской экспедиции, надеясь больше узнать об этом животном. И ученым это удалось. На этот раз были найдены не только черепа, но и несколько почти целых скелетов этого животного.

Это существо очень важно для науки, потому что представляет разительный пример переходной формы от рыбы к первому наземному позвоночному. Акантостега имеет две трети из сорока одного признака, определяющего четвероногое животное, но в остальном очень похожа на рыбу.

С виду это было довольно странное и причудливое создание. На мой взгляд, акантостега похожа на гигантского тритона. В длину это животное достигало одного метра, голова имела уплощенную форму. Необычно выглядело и соединение головы с шеей. Голова, видимо, держалась на продолжении хорды. Такое соединение сейчас можно наблюдать лишь у некоторых рыб и у эмбрионов позвоночных животных. У всех нынешних четвероногих, включая и нас с вами, череп непосредственно сочленяется с позвоночником. Костные структуры, окружающие глотку, убедительно свидетельствуют о том, что у акантостеги имелись жабры. Так же как у рыб, и в отличие от большинства наземных позвоночных тела и дуги позвонков акантостеги были одинаковыми по всей длине позвоночного столба. Однако, несмотря на наличие стольких рыбьих признаков, у акантостеги были и настоящие конечности с пальцами. Причем пальцев было много.

У нынешних четвероногих животных пальцев на конечностях пять или меньше. Поэтому разумно предполагать, что все мы произошли от пятипалого предка.

(Это интересно само по себе, потому что, рассматривая животное с пятью пальцами, мы называем этот признак примитивным, исходным, а если число пальцев меньше пяти, то считаем этот признак производным, вторичным. Давайте разберемся, что это означает. Вероятно, вы думаете, что принадлежите к весьма развитому биологическому виду, но так ли это? В том, что касается пальцев рук и ног, в этом отношении мы на самом деле весьма примитивны. Лошадь, у которой по одному пальцу на каждой конечности (характерно, что это средний палец, digitus impudicus [бесстыдный палец], – получается, что лошадь постоянно его нам показывает), обладает уже не примитивным, а производным признаком. В этом отношении мы с вами являемся безнадежно примитивными созданиями. Надеюсь, я никого не оскорбила, но я также от души уповаю на то, что это отступление убедит вас, что слова «примитивный» и «производный», являясь полезными терминами для реконструкции древа жизни, не несут никакой оценочной нагрузки. Производный признак сам по себе ничем не лучше примитивного.)

Палеонтологи были сильно удивлены, когда обнаружили у акантостеги по восемь пальцев на каждой передней конечности. Дело в том, что в одном скелете превосходно сохранилась передняя конечность. Задняя конечность сохранилась хуже, но похоже, что и на стопе у этого раннего четвероногого тоже было не меньше восьми пальцев.

Передняя конечность оказалась примечательной и в ином отношении, так как выяснилось, что у этого животного отсутствовали запястья, а это означало, что его конечности не могли выдерживать нагрузки. Ученых постигло разочарование: собственно, зачем нужны в таком случае конечности, если они не дают возможности, выйдя из воды, передвигаться по суше? Акантостега заставила ученых задуматься и прийти к выводу о том, что самые ранние конечности не были предназначены для ходьбы, они позволяли лишь ползать и грести в воде. Это еще одно напоминание нам о том, что эволюция весьма изобретательно использует для выполнения новых функций имеющиеся в ее распоряжении части тела.

После открытия акантостеги были обнаружены остатки и многих других ранних четвероногих и близких им видов, что дало нам возможность построить весьма ветвистое древо известных переходных видов, являющихся связующим звеном между водными и наземными организмами.

У нескольких видов ранних четвероногих имелось более чем пять пальцев на каждой конечности, однако позже, когда конечности стали выполнять опорную функцию при передвижении по суше, такого разнообразия уже не наблюдалось и число пальцев на ногах редуцировалось до пяти. Но до окончательного выхода на сушу самым ранним четвероногим, таким как акантостега, пришлось жить в весьма изменчивых условиях – от пресноводных озер до соленых лагун и лиманов. Сопоставляя то, что нам известно об анатомии этих животных, с реконструкцией условий их жизни, мы можем представить себе, как жили акантостеги. Представьте себе это древнее, похожее на тритона создание с уплощенной головой и восемью пальцами на каждой ноге. Оно обитает в теплых, мелких тропических болотах и пользуется конечностями для того, чтобы грести ими в воде, пробираясь сквозь густую водную растительность, как продирается тритон через заросли рдеста. Акантостега подкрадывается к более мелким животным, плавающим на поверхности, бросается на них из глубины, хватает их зубастой пастью и глотает. Акантостега прекрасно адаптирована к жизни в болотах, но ее недоразвитые конечности не смогут носить ее по земле, если животному вдруг вздумалось бы выйти на сушу. После смерти трупы некоторых из этих животных погружались в ил, формирующий дно тропических болот. Спустя приблизительно 365 миллионов лет эта грязь окаменела, превратившись в твердые осадочные породы Восточной Гренландии, и палеонтологам пришлось дробить скалы, чтобы извлечь сохранившиеся скелеты акантостег из их каменных могил.

Несмотря на очень дальнее родство между нами и акантостегами, тем более что это водное, в отличие от нас, животное, в его организме заметно еще одно важное изменение, помимо трансформации плавников в конечности. Превращение плавников в ноги потребовало изменения способа, каким эти плавники прикреплялись к скелету. Став передними конечностями, грудные плавники отделились от задней части черепа, где они крепятся к скелету у рыб. Наоборот, превратившись в задние конечности, тазовые плавники прочно прикрепились к позвоночнику. Раньше считалось, что у рыб – предков четвероногих животных – грудные плавники были мощнее тазовых, а изменение произошло во время появления амфибий, у которых задние конечности стали сильнее передних в результате их образа жизни. Однако обнаружение тазовых костей у ископаемой рыбы тиктаалик (Tiktaalik roseae) заставило усомниться в правильности гипотезы «переднего привода» или, по крайней мере, датировать это изменение периодом, имевшим место намного раньше появления четвероногих. Тазовый пояс тиктаалика имеет почти такие же размеры, что и плечевой пояс, а это значит, что тазовые плавники стали более мощными до того, как образовались конечности.

Большинство четвероногих в наше время пользуются «задним приводом». У людей конечности прикрепляются к скелету по той же схеме, что и у остальных четвероногих животных. Верхние конечности человека, гомологичные передним конечностям четвероногих животных, свободно прикрепляются к грудной клетке посредством плечевого пояса (состоящего из ключицы и лопатки). Напротив, нижние конечности, эквивалентные задним конечностям четвероногих животных, очень прочно прикрепляются к позвоночнику посредством тазового пояса.

Просто представьте себе, как соединены со скелетом верхние и нижние конечности, и сравните эти способы прикрепления. Лопатка свободно перемещается по поверхности заднего отдела грудной клетки, будучи прикрепленной к ней лишь мышцами и соединяясь с грудиной посредством тонкой ключицы. Приложите руку к противоположной лопатке. Вы при этом легко ощутите лопаточную ость. Теперь подвигайте свободной рукой – поднимите ее вверх, опустите вниз, отведите назад и вытяните вперед – и вы почувствуете, как лопатка движется относительно грудной клетки. Напротив, таз накрепко присоединен к нижнему отделу позвоночника – крестцу. Невозможно двигать тазом из стороны в сторону так, чтобы позвоночник оставался неподвижным. Простейший опыт – движения тазом из стороны в сторону с рукой, положенной на поясницу, – подтвердит это. Крестцово-подвздошные сочленения между верхними частями таза, называемыми подвздошными костями, и боковыми поверхностями крестца весьма обширны и укреплены мощными связками. Эти суставы должны быть мощными и крупными, потому что при стоянии и ходьбе на них ложится большая нагрузка, и еще большая при прыжках и беге. Эти суставы – место сочленения нижних конечностей с позвоночником. Суставы эти подвергаются значительным нагрузкам, потому что, перефразируя песню рок-группы R.E.M., «ноги даны, чтоб ходить по земле» (там, правда, не совсем так, но, в конце концов, эти ребята не сильны в анатомии).

От бедра до кончиков пальцев ног Прежде чем начать бегать, надо научиться ходить

Человеческая стопа – это шедевр инженерной мысли и произведение искусства.

Леонардо да Винчи

Преимущество двух ног

Большинство наших сородичей тетраподов, будь то рептилии, амфибии или млекопитающие, остались верны исходному способу передвижения – хождению по суше на четырех конечностях. Однако отнюдь не все тетраподы являются четвероногими; существуют немногочисленные виды, представители которых передвигаются совершенно другими способами. Некоторые тетраподы покинули сушу, сделав выбор в пользу водного образа жизни. Киты, дельфины, морские свиньи являются тетраподами – таково их эволюционное происхождение, но они уже не относятся к сухопутным четвероногим животным. Другие тетраподы преодолели путы земного притяжения и поднялись в воздух, используя свои конечности для полета так же непринужденно, как рыбы используют плавники для передвижения в воде. Эти эфирные создания – потомки пресмыкающихся, а точнее, потомки динозавров. В самом деле, их следует считать динозаврами, ибо не все они вымерли 65 миллионов лет назад: некоторые из них выжили и продолжают жить вместе с нами – это одетые в перья крылатые динозавры, которые хорошо известны нам как птицы. (В следующий раз, когда вам случится оказаться рядом с птицами, будь то малиновка в саду, чайка на набережной или курица на ферме, загляните в их непроницаемые глаза. Так вот, вы видите перед собой потомка настоящего динозавра!) Другие тетраподы остались на суше, но полностью утратили конечности: у змей были четвероногие предки, как и у нас с вами. Есть и такие существа, которые начали ходить по земле на двух ногах. К таким тетраподам относятся птицы, которые складывают на спине свои оперенные передние конечности, когда у них возникает необходимость походить по земле. Есть и двуногие млекопитающие, включая кенгуру, кенгуру-валлаби, малого прыгуна, тушканчика и, конечно же, человека.

Если нам придется двумя словами охарактеризовать главные различия между нами и человекообразными обезьянами, то можно сказать, что мы отличаемся от обезьян мозгом и хождением на двух ногах. Увеличение размера головного мозга – это главная черта эволюции человека, но еще до того, как началось увеличение мозга, у наших предков появилась привычка постоянно ходить на двух ногах, и именно в этом заключается главная разница между нами и всеми прочими современными обезьянами. Очень важно подчеркнуть именно привычность хождения на двух нижних конечностях, так как все человекообразные обезьяны способны передвигаться на двух ногах, но такое передвижение не является для них таким же привычным, как для нас.

Умение стоять, ходить и бегать в вертикальном положении означает, что строение и размер наших ног, а также таза, который служит инструментом сочленения нижних конечностей с позвоночником, сильно отличаются от строения и размеров ног и таза человекообразных и других обезьян. Таз у людей имеет форму именно таза, тазобедренные и коленные суставы отличаются сравнительно большими размерами. Кроме того, у людей нижние конечности на уровне колена согнуты внутрь под небольшим углом, голеностопные суставы имеют особое строение, стопа обладает повышенной упругостью, пальцы на стопе короткие, а большой палец не выделяется из ряда других пальцев. Эти признаки возникли отнюдь не в один момент, и было бы очень странно, если бы такое вдруг произошло.

Все эти особенности заставляют нас задуматься о силах, формирующих особенности анатомического строения нашего тела. Что именно придает ему его особую, неповторимую форму? Ведущую роль в этом играет, конечно, ДНК, но даже ДНК и другой генетический материал не могут направить построение анатомических структур точно по заранее заданной схеме. Генетическая программа задает общее направление развития организма и параметры, в пределах которых возможны те или иные отклонения. Форма и размеры различных признаков устанавливаются в диапазоне допустимых колебаний этих параметров, в зависимости от влияния окружающей среды. Очевидный пример – качество питания. Представьте себе двух идентичных однояйцовых близнецов, из которых один растет в условиях скудного питания, а второй получает все необходимые питательные вещества, витамины и микроэлементы. Вы нисколько не удивитесь, если второй близнец будет выше и упитаннее первого. На самом деле очень трудно провести отчетливую границу между влиянием генетических факторов и окружающей среды на развитие, структуры и функции организма. Проведенное совсем недавно исследование показало, что некоторые факторы окружающей среды влияют на организм через гены, подвергающиеся модификации из-за химического воздействия, что приводит к изменению их функций. Более того, недавно было обнаружено, что эти модифицированные гены могут передаваться по наследству. Науку, занимающуюся такими изменениями, называют эпигенетикой (не путать с концепцией эмбрионального развития, согласно которой сложные ткани развиваются из более простых в результате эпигенеза). Помимо влияющих факторов, которые можно считать «нормальными», существует и еще одна мощная сила – патологические факторы. Сюда относится множество погрешностей: нарушения строения ДНК, возникающие вследствие ошибок при копировании цепей, приводящих к врожденным дефектам; нарушения обмена веществ или злокачественные опухоли; инфекции – бактериальные и вирусные; недостаточное питание, связанное с общим голоданием или с дефицитом определенных компонентов, например витаминов; а также физические травмы.

Если сосредоточиться только на том, что можно называть вариантами нормальной анатомии (то есть исключив патологию), то становится ясно, что признаки, которые мы сейчас считаем уникальными и присущими только человеку, но не человекообразным обезьянам, не появились все и сразу, а возникали постепенно, как отдельные фрагменты мозаики. Побег древа жизни, который включает нас и те древние виды, которые были нашими предками, а не предками других, ныне живущих человекообразных обезьян, отделился от других побегов, насколько мы можем судить, около 6–7 миллионов лет назад. Все существа, представляющие этот побег, являются гоминидами. Мы также принадлежим и к более обширной группе человекообразных обезьян (гоминоидов, Hominoidea, или Anthropomorphidae), к которому относят людей, шимпанзе, горилл, орангутанов, гиббонов и всех наших общих предков. Однако внутри семейства человекообразных выделяют подсемейство Homininae (сюда относятся гориллы, шимпанзе и люди), а внутри этого подсемейства выделяют трибу Hominini, к которой относится только род Homo с его единственным видом – человек разумный и всеми нашими прямыми предками [14]. Наши самые древние человекоподобные предки приспособились к привычному всем нам передвижению на двух ногах. Поэтому мы и считаем, что они именно наши предки, а не предки наших ближайших сородичей шимпанзе.

В 2001 году группа французских археологов под руководством палеонтолога Мишеля Брюне обнаружила на северо-западе Республики Чад деформированный, лишь частично сохранившийся окаменевший череп, который удалось датировать периодом 6–7 миллионов лет назад. Это был новый, неизвестный науке вид, получивший название сахелантроп (Sahelanthropus tchadensis), но больше известный под именем Тумай – что означает «надежда на жизнь» на местном наречии. Черепная коробка этого существа имела крошечный объем, но несколько интересных признаков позволили некоторым ученым предположить, что этот череп принадлежал раннему гоминиду – одному из наших человекоподобных предков. В сравнении с современными шимпанзе, у которых нижняя челюсть сильно выступает вперед, у Тумай было уплощенное лицо. Но самое интересное оказалось внутри черепа, в положении большого затылочного отверстия в основании черепа, где ствол мозга переходит в спинной мозг. В черепе шимпанзе это отверстие находится в задней его части. Несмотря на то что череп Тумай был сильно деформирован, все же удалось определить, что большое затылочное отверстие было сдвинуто кпереди, а это значит, что череп покоился на позвоночнике, находившемся в вертикальном положении. Возможно, это отличие кажется несущественным, но на самом деле связь между положением большого затылочного отверстия и прямохождением была подтверждена и для других животных. У двуногих кенгуровых крыс большое затылочное отверстие тоже смещено кпереди в сравнении с четвероногими мышами, и то же самое верно в отношении двуногих валлаби в сравнении с четвероногими древесными кенгуру. К сожалению, существует большое разнообразие в положении большого затылочного отверстия как у людей, так и у шимпанзе, поэтому невозможно точно сказать, был ли Тумай прямоходящей обезьяной.

Тумай – стрелкой указано положение большого затылочного отверстия

Палеоантропология является полем оживленных дебатов, и именно это делает ее такой интересной. В данном случае самая большая проблема заключается в том, что был найден один только череп. Ходили, правда, слухи, что одновременно была обнаружена и бедренная кость, но никаких публикаций по этому поводу пока не появлялось. Положение затылочного отверстия позволяет предположить, что Тумай мог ходить на двух ногах в вертикальном положении, но трудно утверждать это наверняка, не имея под рукой других костей скелета. Не все согласны с интерпретациями Брюне: некоторые ученые предполагают, что Тумай не принадлежит к гоминидам. Скорее он является одним из общих предков человека и шимпанзе, а может быть, представляет собой предковую форму гориллы.

Бедра Люси и колено Джохансона

Среди ископаемых находок, относящихся к более позднему времени, мы имеем гораздо больше скелетов гоминид, и одним из наиболее хорошо сохранившихся экземпляров, а также самым знаменитым из всех стал скелет Люси, обнаруженный Доном Джохансоном в 1974 году. Джохансон был участником совместной американо-британско-французской экспедиции, работавшей в Афаре, провинции в Северной Эфиопии, в горах Хадара, в отложениях которых было множество окаменелостей, отнесенных к периоду около 3 миллионов лет назад.

Мне посчастливилось лично «познакомиться» с Люси, когда на канале Би-би-си-2 шли съемки фильма «Доисторическая аутопсия» (Prehistoric Autopsy). Одна из программ была посвящена Люси и ее виду, Australopithecus afarensis («южной обезьяне из Афара»), а кроме того, в студии находился точный слепок найденных костей скелета, на основе которого был сконструирован скелет в натуральную величину, который мы и представили зрителям в конце программы.

Люси очень мала – ее рост не превышает одного метра, и нет никаких сомнений, что перед нами гоминид, обезьяна, которая постоянно ходила по земле на двух ногах. Форма таза и бедер абсолютно человеческая, нисколько не напоминающая форму таза и бедер шимпанзе. Подвздошная кость (верхняя часть таза) у Люси короткая и широкая, а не узкая и длинная, как у шимпанзе.

Тазовые кости Люси, шимпанзе и человека

Широкая подвздошная кость гоминид очень важна, если речь идет о некоторых ключевых мышцах, окружающих тазобедренный сустав. От наружной поверхности подвздошной кости начинаются три ягодичные мышцы: большая, средняя и малая. Большая ягодичная мышца целиком оправдывает свое название – это очень крупная мышца, которая покрывает остальные две ягодичные мышцы. По своей функции большая ягодичная мышца – разгибатель тазобедренного сустава, она тянет бедро назад по отношению к тазу. Эту мышцу человек использует для разгибания ног при вставании из положения сидя или при подъеме по лестнице. Остальные две ягодичные мышцы начинаются на боковой поверхности таза и спускаются вниз к рычагу, выступающему из шейки бедренной кости, – к большому вертелу. Эти мышцы не столько разгибают тазобедренный сустав, сколько отводят бедро в сторону. Но для нас – прямоходящих гоминид – наиболее важна другая их функция, которая заключается в придании устойчивости тазобедренному суставу, его фиксации – без осуществления движения. Эта фиксация происходит всякий раз, когда человек делает шаг. Когда он поднимает ногу, отрывая ее от земли, и заносит ее вперед, остается только одна опорная нога, на которой человек в это время стоит. В этот момент таз имеет тенденцию «проваливаться» вниз, на сторону движущейся ноги. Если такое произойдет, то вместо полноценного шага движущаяся нога будет волочиться по земле. Однако сокращение отводящих мышц (средней и малой ягодичных) на стороне покоящейся ноги тянет таз к бедру этой стороны и препятствует его заваливанию в сторону движущейся ноги.

Важность такого строения мышц, охватывающих тазобедренный сустав, видна особенно отчетливо, когда нарушается функция средней ягодичной мышцы в результате нарушения ее иннервации. Когда больной с таким нарушением делает шаг вперед, его таз, оставшись без поддержки средней ягодичной мышцы со стороны покоящейся ноги, заваливается на сторону движущейся ноги. Для того чтобы компенсировать это нарушение, больному приходится всем телом наклоняться в сторону, противоположную движущейся ноге. Такой больной при ходьбе переваливается из стороны в сторону (такая походка называется утиной или походкой Тренделенбурга). Фридрих Тренделенбург был выдающимся немецким хирургом (1844–1924), который обессмертил свое имя решением проблем диагностики в хирургии, а также многими методами лечения. Например, Тренделенбург описал походку при поражении иннервации средних ягодичных мышц, а также предложил диагностическую пробу и оперативное лечение варикозных вен голени.

Люси, как позволяет предположить ее широкий таз, не переваливалась при ходьбе из стороны в сторону, то есть не страдала походкой Тренделенбурга, и не ходила с согнутыми коленями и бедрами, как шимпанзе. Позвоночник Люси имел поясничный лордоз, изгиб кпереди, который помогал ей, как и современным людям, сохранять равновесие туловища, находящегося над тазовыми костями.

Предположить, что Люси была способна к прямохождению, можно исходя из формы ее коленей. Действительно, первым найденным фрагментом окаменелого скелета, принадлежавшего Australopithecus afarensis, стал нижний обломок бедренной кости и верхняя часть большеберцовой кости. Этот фрагмент нашли за год до обнаружения Люси тем же палеоантропологом, и очень скоро он получил название «колена Джохансона». Самое важное заключалось в том, что бедро и большеберцовая кость сочленялись под углом, а это еще один признак прямохождения на двух ногах. Располагая только этим коленом, Джохансон уже знал, что смотрит на скелет двуногой обезьяны – гоминида. У четвероногих животных бедро прямое и не образует угла в коленном суставе с большеберцовой костью, а у человека и его двуногих предков бедро по пути к колену немного отклоняется вовнутрь, чем и создается направленный вовнутрь угол между бедром и голенью. Даже если вам кажется, что ваши колени не вывернуты внутрь, это не так – они действительно вывернуты, пусть даже и совсем немного, особенно если сравнить их с коленями наших кузенов шимпанзе. При ходьбе человек попеременно балансирует сначала на одной опорной ноге, а затем на второй, а для этого опорную ногу надо ставить так, чтобы она всякий раз оказывалась под центром тяжести тела. Именно этой цели служат отклонения костей бедер внутрь и угол между бедром и голенью.

Межмыщелковый угол полезен только для ходьбы на выпрямленных ногах, поэтому одно только его присутствие говорит о прямохождении: австралопитеки так же, как и мы, ходили, не сгибая ноги в коленях. Хождение на прямых ногах энергетически очень выгодно; действительно, попробуйте походить с немного согнутыми коленями и бедрами, и вы очень скоро почувствуете, как тяжело приходится мышцам ног, в особенности четырехглавой мышце бедра, расположенной на его передней поверхности.

Несмотря на то что межмыщелковый угол очень полезен для ходьбы на двух ногах, он же делает колено уязвимым. Массивная четырехглавая мышца бедра, составляющая основной объем мягких тканей передней поверхности бедра, спускаясь вниз от таза, пересекает коленный сустав спереди своим сухожилием, в которое «вставлен» надколенник (коленная чашечка). Это сухожилие прикрепляется к бугристости на передней поверхности большеберцовой кости. Бедро составляет угол с голенью, поэтому сухожилие четырехглавой мышцы и ось направления ее действия проходят не через середину коленного сустава, а немного отклоняются кнаружи. Это означает, что, когда вы напрягаете квадрицепс (четырехглавую мышцу), чтобы выпрямить ногу, надколенник немного смещается в сторону – кнаружи от средней линии колена. Анатомическое строение компенсирует эту особенность (если бы этого не было, то надколенник был бы всегда смещен в сторону): на наружной стороне канавки в нижней части бедренной кости, где расположен надколенник, есть крутой выступ, который вместе с толстыми волокнами медиальной головки квадрицепса, проходящими ниже волокон его латеральной головки, удерживает надколенник от избыточного смещения, оттягивая его назад, к средней линии, и останавливает смещение. Кроме того, надколенник удерживается на месте сухожилием, в толще которого он находится.

Колено Джохансона

Анатомическое строение голеностопного сустава и стопы тоже свидетельствует о том, что Люси и ее соплеменники привычно перемещались на двух ногах. Голеностопный сустав – это блоковый (шарнирный) сустав, сочленяющий большеберцовую и малоберцовую кости голени с верхней костью стопы – таранной костью. Большая часть нагрузки на стопу приходится на сочленение большеберцовой и таранной кости. Малоберцовая кость лишь усиливает сустав. Нижние концы малоберцовой и большеберцовой костей тесно и крепко соединены друг с другом, что придает большую устойчивость голеностопному суставу. От наружных поверхностей обеих костей, по обе стороны сустава, отходят выросты (надмыщелки), охватывающие с обеих сторон таранную кость и удерживающие ее на месте. При сгибании стопы вверх – так, чтобы пальцы двигались вверх, – осуществляется движение, называемое тыльным сгибанием. Если же пальцы направляют вниз, то осуществляется подошвенное сгибание. Оба этих движения осуществляются блоковым голеностопным суставом. Можно также повернуть стопу подошвой внутрь или вывернуть ее наружу. Эти движения осуществляются не в голеностопном суставе, а за счет суставов, расположенных в самой стопе.

Анатомическое строение наших голеностопных суставов и подошвы стопы таково, что при стоянии подошва всей своей поверхностью опирается о землю. Голеностопные суставы шимпанзе устроены по-другому, они слегка вывернуты подошвами внутрь, так что подошвы «смотрят» друг на друга. Другими словами, шимпанзе, стоя на нижних конечностях, стоит на наружных ребрах подошв. У людей суставная поверхность большеберцовой кости, сочленяющаяся с таранной костью, перпендикулярна продольной оси самой большеберцовой кости. У шимпанзе суставная поверхность и ось образуют небольшой угол, что и определяет инверсию стопы. Кроме того, шимпанзе способен с большой амплитудой совершать тыльное сгибание, при этом стопа образует с голенью угол 45°. Это сильно облегчает лазание по стволам деревьев. В этом отношении гориллы, орангутаны и гиббоны очень похожи на шимпанзе. Человек способен осуществить из нейтрального положения тыльное сгибание (дорсифлексию) лишь на 15°, и угол между стопой и большеберцовой костью составит не 45, а 75°. Попытка согнуть стопу до 45° – то, что легко делают человекообразные обезьяны, – может привести к тяжелой травме голеностопного сустава у человека.

Человеческая стопа непохожа на стопы других человекообразных обезьян. Посмотрите на стопу шимпанзе, и вы сразу поймете, что эта конечность предназначена для хватания. Стопа обезьяны гибкая, пальцы длинные, а большой палец противопоставлен другим пальцам, подобно большому пальцу на кисти. Стопа человека выглядит совершенно по-другому. Ее конструкция более жесткая, на ее нижней поверхности видно углубление, которое анатомы называют медиальным продольным сводом стопы. Эта форма обусловлена конфигурацией составляющих стопу костей и соединяющих их связок. С боковой, латеральной стороны стопы человека есть еще один свод, а кроме того, есть еще и поперечный свод стопы, направленный от одной стороны подошвы к другой.

Эти своды превращают стопу в пружинистую платформу. Когда человек идет или бежит, эластичность связок и сухожилий позволяет экономить немного энергии при каждом шаге – сухожилия немного растягиваются всякий раз, когда человек ставит ногу на землю, а затем пружинисто сокращаются, когда стопа отрывается от земли. Пальцы человеческой ноги короче, чем пальцы ног наших сородичей шимпанзе, а большой палец ничем не выделяется из ряда других пальцев. Эта стопа предназначена для ходьбы и бега, а не для хватания. (Правда, надо сказать, что человеческая стопа снабжена теми же мышцами, что и стопа шимпанзе, поэтому хватательную способность стопы в какой-то мере может развить у себя и человек. Примеры людей, лишившихся рук или рожденных без них, показывают, насколько велика эта потенциальная возможность.)

Стопа шимпанзе и человека

В 2000 году превосходно сохранившаяся кость стопы была обнаружена в Хадаре, в Эфиопии. В течение 25 лет в этом месте было обнаружено более 250 окаменелостей, и все они были датированы периодом около 3,2 миллиона лет назад. Все эти останки принадлежали представителям того же вида, к какому принадлежала Люси, – Australopithecus afarensis. Разумно, таким образом, предположить, что и эта кость принадлежала представителю этого вида. Для большей точности можно добавить, что была найдена четвертая кость плюсны. Это очень важная кость, потому что она имеет изгиб посередине, что говорит о наличии в стопе поперечного свода, а значит, и о способности этого существа к прямохождению. Наличие свода отличает стопу человека от плоской стопы шимпанзе.

Древние следы

Окаменелые кости – не единственный довод в пользу того, что австралопитеки ходили на двух ногах, как и мы. Конечно, хватило бы и их, но в Танзании были получены и другие данные, с которыми трудно спорить.

Около 3,7 миллиона лет назад произошло извержение вулкана Садиман, на территории нынешней Танзании. В небо взметнулось гигантское облако пепла. Постоянные дожди превратили этот пепел в толстый слой однородной липкой грязи. По этой грязи ходили животные, оставившие нам свои следы: слоны, жирафы, антилопы, цесарки и некоторые из наших предков. По этому слою грязи прошли три древних человека, оставив следы, сохранившиеся, вопреки теории вероятности, в течение миллионов лет. В 2011 году я побывала в Танзании и познакомилась с организатором сафари для туристов и телевизионных съемочных групп. Мы делали программу о роли пищевого рациона в эволюции человека, и надеялись снять сюжет о повседневной жизни охотников и собирателей из племени хадза, живущих в буше. Организатора сафари звали Питер Джонс, и я слышала эту фамилию раньше.

Когда-то, в 1977 году, до того как заняться организацией сафари, Питер работал с Мэри Лики, в Лаэтоли, в Танзании, где Лики искала останки гоминид, и именно Питер обнаружил отпечаток, похожий на отпечаток человеческой стопы, в слое окаменевшего вулканического пепла. Это было поразительное открытие, попавшее на первые полосы газет после выступления Мэри Лики на пресс-конференции в Нью-Йорке. Находка в Лаэтоли показала, что почти 4 миллиона лет назад гоминиды уже ходили на двух ногах.

Тщательный анализ отпечатков, выполненный Робертом Кромптоном в лаборатории Ливерпульского университета – с использованием лазерного сканирования для определения глубины отпечатков и возможной силы давления на слой пепла, – позволил выяснить, как именно передвигались гоминиды из Лаэтоли. Возможно, эти предки человека принадлежали к тому же биологическому виду, что и Люси, чьи останки были найдены неподалеку, – то есть к виду Australopithecus afarensis. Следы в пепле являются независимым свидетельством, подтверждающим выводы, сделанные на основе изучения окаменелых костных останков древних людей. Еще раз подчеркну, что эти следы позволяют утверждать, что эти гоминиды ходили на прямых ногах, так же, как мы, а не на полусогнутых конечностях, как шимпанзе.

Ограничения человеческой стопы

Но когда именно изменились голеностопные суставы и стопы наших предков? Для ответа на этот вопрос надо раскинуть сеть шире и присмотреться к нашим более дальним живущим ныне родственникам и к более ранним гоминидам. Кроме того, надо удостовериться в правильности наших представлений о соответствии анатомического строения конечностей их функциям у современных человекообразных обезьян и нас самих. Локомоция человека является, возможно, более разнообразной, чем мы себе представляем на основании нашего жизненного опыта.

Первое: голеностопные суставы. Уже было сказано, что человеческая стопа неспособна к тыльному сгибанию с амплитудой, доступной шимпанзе. Простой тест убедил меня в том, что это именно так, и, вероятно, убедит и вас. Однако вы, как и я, скорее всего, выросли в стране, где у людей не принято лазить по деревьям. Наша анатомия определяется не только генами, но и окружающей средой и образом жизни. Какими были бы наши голеностопные суставы, если бы мы с самого раннего детства регулярно карабкались по вертикальным стволам деревьев?

Держу пари, что некоторые современные люди лазают по деревьям в течение дня чаще, чем вы в течение всей вашей жизни. Эти люди – представители современных сообществ охотников и собирателей, которым приходится ежедневно взбираться на деревья за плодами, дичью и, главным образом, за медом. Документально зафиксировано, что в некоторых случаях людям приходится забираться на головокружительную высоту – до 50 м – для того, чтобы добыть мед. Это зафиксировано у народов мбути и эфе, живущих в лесах Итури в Демократической Республике Конго, и у народа батек в Малайзии. Взбираться на такую высоту опасно для жизни, но мед и репутация стоят такого риска. Иногда люди используют специальное снаряжение, особенно если ствол очень толст, но на более тонкие стволы собиратели меда взбираются без всяких вспомогательных устройств.

Какой амплитуды может достигать тыльное сгибание у людей, регулярно лазающих на высокие деревья? Недавно антропологи сняли на пленку охотников-собирателей племени тва из Уганды – для того, чтобы точно ответить на этот вопрос. Представители племени тва, собирающие мед на вершинах высоких деревьев, обладают повышенной гибкостью голеностопных суставов. Они способны сгибать голеностоп больше чем на 45° в процессе подъема на дерево. Такая сверхгибкость обусловлена изменениями в мягких тканях, в особенности в икроножных мышцах, жесткость которых у представителей племени тва снижена. Костная конфигурация голеностопных суставов у этих людей такая же, как и у остальных Homo sapiens. Если ныне живущие люди способны таким способом карабкаться на вертикальные стволы деревьев, то ранние гоминиды, подобные Люси, вероятно, тоже умели это делать. Человеческое тело гораздо более гибкое, чем можно себе представить, особенно если что-то делать регулярно и с раннего детства.

Так что же можно сказать о части стопы, расположенной ниже голеностопного сустава? Различия в строении человеческой стопы и стопы шимпанзе очевидны, так же как очевидна и верность предположения, что стопа шимпанзе сохранила гибкость, свойственную предкам, а наша стопа стала более ригидной. В наших стопах есть своды и прочные связки на подошвенной поверхности стопы, которых нет у других человекообразных обезьян.

Если мы, однако, отвлечемся от человекообразных обезьян и посмотрим на стопы мартышек и других представителей этого семейства, то увидим нечто очень интересное. Стопы мартышек отнюдь не столь гибкие, как у их человекообразных родственников; они довольно жесткие, что очень полезно для способности прыгать; было бы затруднительно эффективно оттолкнуться от опоры мягкой и гибкой стопой. Ригидная стопа служит более надежным рычагом. Африканские человекообразные обезьяны слишком велики и тяжелы для того, чтобы скакать по деревьям, подобно маленьким мартышкам, и могут позволить себе более гибкую стопу. Мы уже видели, что стопы человекообразных обезьян отличаются гибкостью, очень хорошо подходят для хватания и вообще напоминают по строению кисть. В течение долгого времени палеонтологи считали, что стопа гоминид вначале была похожа на стопу шимпанзе, но ригидность стоп у мартышек позволяет предположить, что вероятны и другие варианты. Стопы очень древних человекообразных обезьян были, вероятно, более ригидными.

Открытие костных остатков существ вида Ardipithecus ramidus, живших приблизительно 4,4 миллиона лет назад, заставило палеоантропологов в новом свете взглянуть на стопу гоминид (да и на многие другие элементы их скелета). Арди, как ласково прозвали новое существо, обладала стопой, больше похожей на стопу мартышки, чем на стопу африканской человекообразной обезьяны. В отличие от других гоминид, у Арди большой палец был отставлен в сторону – это полезно для хватания за ветки, но не слишком хорошо помогает отталкиваться от земли во время ходьбы. Но у Арди была при этом ригидная, жесткая стопа, что сближает ее со стопами как современных мартышек, так и современного человека.

Насколько же стопа человека жестче стоп современных человекообразных обезьян? Точность интерпретации окаменевших отпечатков ног зависит от понимания формы и функции стопы у современных людей (и других приматов). На протяжении почти 70 лет полагали, что человеческая стопа – очень жесткая структура и не сгибается посередине, как стопа человекообразных обезьян. Однако недавно группа исследователей – включая Робина Кромптона, которого всегда тянуло к изучению древних стоп и их окаменевших отпечатков, – решили подвергнуть испытанию человеческие стопы. Используя бегущую дорожку, регистрирующую оказываемое стопами при ходьбе давление на опору, ученые были поражены разнообразием результатов. Точно так же, как голеностопные суставы человека способны к большей вариабельности амплитуды движений, чем мы предполагали раньше, ригидность стопы тоже оказалась не столь уж и выраженной. У некоторых людей стопа очень похожа на стопу человекообразных обезьян, так как может сгибаться в месте расположения суставов между костями предплюсны.

Другая группа антропологов в исследовании с участием 398 человек, ходивших по чувствительному к давлению покрытию, обнаружила, что у 8 % испытуемых отмечалась повышенная подвижность в суставе Шопара (поперечном предплюсневом суставе). Было также показано, что эта особенность не соответствует принципу «все или ничего». Гибкость стопы у людей может варьировать в широком диапазоне. У людей с более гибкими стопами часто отмечают плоскостопие или уплощение сводов стопы.

Группе Робина Кромптона удалось обнаружить, что различия в гибкости стопы могут наблюдаться и у одного и того же человека. Это звучит невероятно, но у двух третей испытуемых увеличение подвижности в середине предплюсны наступало в течение пяти минут после начала нагрузки, причем на обеих ногах. Эти данные позволяют предположить, что главным фактором, обусловливающим жесткость стопы, является не костная структура, а связывающие их мягкие ткани – мышцы, сухожилия и связки. Это еще раз напоминает нам, что надо с осторожностью связывать функции ископаемых анатомических структур с их костным строением. Сначала стоит понять разнообразие анатомического строения и функций стоп у живых людей. Тот факт, что наши стопы могут менять свою жесткость, очень важен сам по себе, так как позволяет нам ходить по поверхностям, имеющим самые разнообразные свойства.

Отпечатки одной стопы, демонстрирующие вариабельность распределения давления, оказываемого стопой на подлежащую поверхность (Bates et al., 2013)

Те же исследователи собрали аналогичные данные о бонобо и орангутанах, и обнаружили нечто, ломающее все наши стереотипы. Результаты исследования совпали с результатами, полученными на людях. Вопреки тому, что, как считалось, только нечеловекообразные обезьяны при ходьбе оказывают самое высокое давление на опору наружной частью стопы, многие люди делают то же самое.

Функциональная вариабельность современной человеческой стопы (которая еще более возрастает, если мы примем во внимание данные о людях, с детства ходящих босиком) весьма затрудняет понимание функций ископаемых стоп и не позволяет точно определить, сколько времени тот или иной гоминид ходил по земле, а сколько карабкался по деревьям. Теперь становится ясно, что стопы, которые выглядят совершенно по-разному, могли в функциональном плане быть очень схожими и что такие, казалось бы, очевидные признаки, говорящие о какой-то определенной функции, как противопоставление большого пальца, облегчавшее захватывание плодов, довольно сложно интерпретировать. Например, равнинная горилла, одна из наиболее склонных к древесному образу жизни африканских человекообразных обезьян, имеет стопу, очень похожую на человеческую.

Функции стоп оказались более разнообразными, чем мы представляли себе раньше, но это не значит, что мы должны сдаться, – просто теперь нам предстоит очень много работы. Если мы собираемся прояснить, как передвигались представители вымерших видов и как они взаимодействовали с окружающей средой, то мы должны сначала убедиться, что действительно понимаем, как соотносится анатомия живущих в настоящее время видов с их функциями и как форма и функция связаны с окружающей средой и образом жизни.

Нам также следует помнить, что любой ныне живущий вид едва ли сильно напоминает своих древних предков. Анатомия людей значительно изменилась за те 5–7 миллионов лет, которые разделяют нас и нашего общего с шимпанзе предка, но за это время изменилась и анатомия шимпанзе. Теперь нам остается только гадать, насколько сильно этот общий предок был похож на современных шимпанзе. С этим вопросом тесно связан и другой, пожалуй, еще более фундаментальный: почему вообще человек встал на две ноги и выпрямился?

Происхождение бипедализма

Самая знаменитая иллюстрация человеческой эволюции – это «Поступь прогресса». Вам знакома эта картинка – слева мы видим похожего на шимпанзе предка, вслед за которым следуют существа, походка которых становится все более прямой, а справа мы видим «вершину развития» – современного человека с его горделивой вертикальной осанкой. На эту тему есть множество пародий, и вы легко найдете их в интернете, запросив в поисковике «Поступь прогресса» – «March of Progress». На многих из этих картинок показано, как человек снова начинает горбиться – сначала под тяжестью грабель, потом отбойного молотка, а потом сидя за компьютером. В некоторых вариантах эволюция заканчивается далеком [15], вылезающим из пылесоса, или персонажем мультсериала «Симпсоны» – Гомером разумным (Homersapien). Некоторые остряки даже делали людей из элементов LEGO, а затем фотографировали их.

Эти культовые картинки прочно внедрились в нашу культуру, а также, готова держать пари, и в наши мозги. Правда, в конечном счете эти образы подчеркивают и увековечивают весьма неудачную идею относительно человеческой эволюции. Прежде всего, они исподволь внушают представление о прогрессе человека как о неуклонном линейном развитии, предопределенной «поступи прогресса». Эволюция, включая ее маленький отрезок в виде нашего побега, не является лестницей прогресса, но, выражаясь словами Стивена Джея Гоулда, представляет собой «обильно ветвящийся куст». Автором оригинальной иллюстрации под названием «Дорога к Homo sapiens» был Рудольф Цаллингер, выполнивший ее к научно-популярной книге Ф. Кларка Хоуэлла, озаглавленной «Древний человек» и опубликованной в 1965 году. Хоуэлл не описывал линейную эволюцию гоминид в своем тексте, а иллюстрации – изображавшие реконструкции ископаемых обезьян и гоминид, известных в то время, – следуют друг за другом в некой обобщенной хронологической последовательности. Ясно, что автор не подразумевал, что один вид возникал из предыдущего, образуя непрерывную цепь, но – такова сила изобразительного искусства – это впечатление неизбежно возникает при просмотре иллюстраций.

Образ наводит и на другую потенциально вредную идею. Возникает впечатление, что двуногие гоминиды развились из похожего на шимпанзе, передвигавшегося на костяшках пальцев рук предка. Наверное, это несправедливо по отношению к исходным рисункам, на которых представлены 15 биологических видов, а первые два – плиопитек и проконсул – изображены прямоходящими. Через страницу следует полное изображение, занимающее целый разворот и открывающееся четвероногим дриопитеком (обезьяной, жившей в эпоху миоцена в Европе и Азии). Многочисленные последующие копии этой иллюстрации сводят предков к небольшому числу из 5–6 видов, причем в начале этого ряда изображен передвигающийся с помощью передних конечностей дриопитек, в значительной степени стилизованный под современного шимпанзе. По моему мнению, здесь явственно проявляется еще одна проблема, связанная с этими образами: они кристаллизуют неверную идею в мозгу читателя, внушая мысль о том, что такие двуногие существа, как мы, развились из похожих на шимпанзе предков, передвигавшихся на задних ногах, но упираясь в землю костяшками пальцев передних конечностей. Эта идея была подкреплена сделанным в недавнее время открытием большого генетического сходства между нами и шимпанзе (все зависит от источника, но утверждается, что мы с шимпанзе разделяем 99 % общих генов). На самом же деле это весьма спорное и устаревшее допущение.

Считается, что бипедализм является сугубо человеческим признаком, но нам следует проявлять известную осторожность и выделять в качестве человеческого привычный бипедализм, так как все человекообразные обезьяны, в той или иной мере, способны время от времени передвигаться на задних конечностях, просто они делают это не так часто и регулярно, как мы. Для нас с вами ходьба и бег на двух ногах является предпочтительным «локомоторным модусом». Маленькие дети проявляют наклонность к передвижению на четырех конечностях; лазание по деревьям и висение на ветках характерно для детей более старшего возраста и склонных к приключениям взрослых. (Я не хочу сказать, что мы плохо карабкаемся по деревьям, – нет, мы умеем это делать, в чем и убедимся через несколько страниц.)

Истоки (привычного) бипедализма у людей издавна являются предметом оживленных дебатов и споров. В 1863 году, через четыре года после публикации Дарвином «Происхождения видов», его «бульдог», Томас Генри Гексли, опубликовал свою собственную книгу об эволюции человека – «Свидетельства о месте человека в природе». На фронтисписе был изображен ряд скелетов: гиббона, орангутана, шимпанзе, гориллы и человека – все скелеты в вертикальном положении. Гексли казалось очевидным, что люди произошли от человекоподобных существ, которые уже держали туловище вертикально благодаря способности передвигаться на руках, цепляясь за ветки и сучья (такой тип передвижения называется брахиацией). Этот взгляд был господствующим в науке вплоть до начала ХХ века: считалось, что наши жившие на деревьях предки в какой-то момент попа́дали с веток на землю, но сохранили склонность к выпрямленному позвоночнику и стали передвигаться на двух ногах. Шотландский анатом, сэр Артур Кит, хранитель Гунтеровского музея в Королевском хирургическом колледже, воплотил эту идею в своей «гиббонной теории» в 1923 году. Гиббоны ведут древесный образ жизни и перемещаются с ветки на ветку, раскачиваясь на передних конечностях. За ними очень интересно наблюдать, но не менее интересно то, что, спрыгнув на землю, они передвигаются на двух ногах.

Однако во второй половине ХХ века взгляды на происхождение бипедализма значительно изменились. Гиббоны были забыты, потому что данные новой науки генетики показали, что ближайшими сородичами людей являются не азиатские, а африканские человекообразные обезьяны – шимпанзе и гориллы. Эти обезьяны передвигаются по земле на четырех конечностях, опираясь на подошвы стоп и на костяшки пальцев кистей. Таким образом, разумно было предположить – и это было самое простое и самое экономное с точки зрения эволюции объяснение, – что люди, шимпанзе и гориллы, все вместе, произошли от общего предка, который передвигался с помощью передних конечностей, опираясь на костяшки пальцев. В самом деле, некоторые ученые идентифицировали такие костные признаки в кистях и запястьях обезьян, которые предположительно являются приспособительными для хождения на костяшках пальцев. (Идея заключается в том, что мы до сих пор обладаем этими признаками нашего четвероногого предка, несмотря на то что сами уже не ходим подобным образом.)

Следует, правда, проявлять осторожность, связывая определенные костные признаки со специфическими функциями, не имея для этого весомых подкрепляющих доказательств. На самом деле осторожность надо соблюдать во многих областях науки. Мы формулируем гипотезы, основанные на уже известных фактах, но хорошая гипотеза – это та, которая выдерживает проверку новыми фактами. По мере накопления новых фактов можно ожидать, что некоторые гипотезы не выдержат проверку временем, и нам придется искать новое объяснение имеющимся наблюдениям. Это не означает, что нельзя вообще доверять научным теориям (которые в конечном счете являются научными «фактами»), просто надо учиться широко мыслить и смиряться с тем, что объяснения фактов могут меняться. Вероятно, это создает впечатление о шаткости научного здания, но это впечатление неверно. Есть теории и научные факты, вероятность опровержения которых очень мала, мала настолько, что мы можем уверенно на них опираться. Так, например, мы можем быть уверенными в том, что Земля имеет сферическую, а не плоскую форму и что эволюция действительно имела место. Однако, когда речь идет о том, как именно передвигались по земле наши предки до того как привычно и уверенно встали на две ноги, остается много места для споров. К тому же недавно всей концепции о едином предке, ходившем, опираясь на костяшки пальцев, был брошен серьезный вызов.

Прежде всего, теория об общем четвероногом предке шимпанзе, горилл и людей, передвигавшемся с опорой на костяшки пальцев кистей, может сохранить свою стройность только при том условии, что удастся доказать, что такое хождение у горилл и шимпанзе является одинаковым по сути, или гомологичным. За последние 15 лет было проведено несколько исследований, которые поставили под сомнение это допущение, показав, что механизм локомоции слегка отличается у горилл и шимпанзе и что запястья у этих животных тоже развивались по ходу эволюции разными путями. Роль некоторых костных признаков, которые, как полагали, имели отношение к хождению на костяшках пальцев, тоже была поставлена под сомнение. Некоторые из этих признаков позволяют стабилизировать лучезапястный сустав, но возможно, они развились в ответ на потребность карабкаться по вертикальным стволам деревьев и случайно оказались полезными и для хождения на костяшках пальцев.

Анатомия Арди – самки ардипитека (Ardipithecus ramidus, открытого в начале девяностых) также снижает вероятность того, что у людей когда-либо были предки, ходившие с помощью костяшек пальцев рук. Арди – очень древний гоминид: 4,4 миллиона лет назад – это время, близкое к тому периоду, когда жили наши общие с шимпанзе предки; генетический анализ показывает, что наши пути с шимпанзе разошлись 5–7 миллионов лет назад. Сохранилось множество костных останков ардипитека, и по этим останкам можно утверждать, что Арди была не слишком сильно похожа на шимпанзе. Скорее она была похожа на крупную мартышку, а не на ископаемую человекообразную обезьяну, например проконсула. Мы уже говорили о том, что у Арди были жесткие стопы, но при этом большой палец был противопоставлен другим. Такое сочетание признаков позволяет сделать общее заключение о скелете: Арди была приспособлена к жизни на деревьях, но, спускаясь на землю, уверенно передвигалась на двух ногах.

Вот чего Арди лишена, так это всяких намеков на признаки, позволяющие заподозрить ее в хождении с упором на костяшки пальцев рук, и мало того, у нее нет признаков, говорящих о том, что она любила висеть на ветвях, ухватившись за них передними конечностями. У Арди не было прочного запястья, характерного для человекообразных обезьян, напротив, ее кисти отличались невероятной гибкостью и допускали сильное разгибание в лучезапястном суставе. Арди была крупным животным, но, несмотря на это, пропорции ее конечностей напоминают пропорции современных макак, и было высказано предположение, что Арди передвигалась по деревьям как макаки, то есть на всех четырех конечностях, опираясь на подошвы стоп и ладони кистей. Тем не менее Кромптон и его коллеги особо подчеркивали тот факт, что при весе 50 кг Арди была в пять раз тяжелее среднего макака. Это плюс отсутствие хвоста, как у человекообразных обезьян, должно было затруднять перемещение по деревьям, так как Арди, вероятно, было трудно сохранять равновесие. Ученые предположили, что Арди передвигалась так же, как и все крупные человекообразные обезьяны, что сделало переход к ходьбе по земле не таким уж большим революционным прорывом – Арди пешком ходила по деревьям.

Это предположение вполне имеет право на существование – Арди могла передвигаться по толстым сучьям на двух ногах, придерживаясь руками за ветки, расположенные выше ее роста или на уровне плеч, и отталкиваясь от ветвей, расположенных ниже. Таким способом даже массивная обезьяна может беспрепятственно передвигаться в кронах деревьев, пользуясь руками для поддержания равновесия. Действительно, все крупные человекообразные обезьяны именно так ведут себя на деревьях: они на двух ногах передвигаются по горизонтальным толстым сучьям, пользуясь руками для поддержания равновесия. Из человекообразных обезьян больше всего времени на деревьях проводит орангутан, где он передвигается именно таким способом, то есть перемещаясь на двух ногах. Передвигаясь на двух нижних конечностях, орангутан сгибает их в тазобедренных и коленных суставах меньше, чем шимпанзе и гориллы, которые ходят менее эффективно, сгибая конечности в тазобедренных и коленных суставах.

Интересно также посмотреть, когда орангутан совершает пешие прогулки по деревьям. Хотя он ходит на «своих двоих» по веткам всего 10 % всего времени, которое проводит на деревьях, это умение имеет для него очень большое значение. Стояние на ветках на двух ногах означает, что орангутан может дотянуться до края кроны и достать вожделенный плод или перейти по ветвям на соседнее дерево, а это намного легче, чем спуститься на землю, а потом взобраться на другое дерево. Орангутан опирается на горизонтальные ветви не только когда ходит по ним, он взбирается на вершину дерева, тоже пользуясь горизонтальными ветвями, как опорами. Такой вид лазания по деревьям в большей степени присущ и для людей, нежели карабканье вверх по вертикальному стволу, характерное для шимпанзе и горилл (правда, мы уже знаем, что некоторые заготовители меда достаточно легко карабкаются по стволам, не уступая в этом обезьянам).

Мне думается, что такое хождение и лазание по деревьям – с использованием горизонтальных ветвей – показывает наиболее естественный путь появления человеческого бипедализма. Вместо того чтобы создавать совершенно новый способ локомоции, природа использовала то, что уже было у нее под рукой, пусть даже для этого пришлось спуститься по лестнице эволюции на одну ступеньку ниже. Помимо жарких споров на тему о том, когда и каким образом возник бипедализм, не стихают дебаты и о том, почему он, собственно говоря, возник. Дарвин полагал, что прямохождение освободило руки для обороны, но другие ученые утверждали, что руки освободились для того, чтобы носить беспомощных младенцев или собирать еду. Возможно, умение ходить на двух ногах помогло гоминидам приподняться над высокой травой саванны, что позволяло издалека видеть приближение хищников. Кроме того, высказывалось мнение, что вертикальное стояние уменьшало воздействие солнечных лучей в знойной саванне. Возможно также, что вертикальное положение было более угрожающим и устрашающим для врагов или что оно было удобнее для передвижения в воде во время фазы водного образа жизни[16]. Возможно, что передвижение на двух ногах требует меньше энергии, чем хождение на четвереньках. Вероятно также, что вертикальное положение помогало самцам производить на самок впечатление своими выдающимися гениталиями. Некоторые даже считают это ловким трюком, который прижился из подражания. А возможно, сыграло роль сочетание всех этих факторов.

Все эти рассуждения страдают многочисленными изъянами. Вероятно, детеныши ранних гоминид не были беспомощными и недоношенными, так как размер мозга увеличился у приматов – предков человека – намного позже, чем бипедализм стал обычным явлением. Шимпанзе вполне справляются с ношением корма одной рукой, спокойно передвигаясь с помощью одной руки и двух ног. Объяснение бипедализма приспособлением к жизни в саванне тоже не выдерживает критики, потому что по реконструкциям природных условий мы знаем, что травянистые равнины стали господствовать в Африке около трех миллионов лет назад, то есть намного позже того времени, когда гоминиды начали ходить на двух ногах. Много проблем возникает и со странно живучей гипотезой, объясняющей переход к бипедализму водным образом жизни древних обезьян. Здесь нет места изложению этих проблем, но достаточно сказать, что нет никаких данных в пользу того, что в эволюции гоминид существовала фаза водного образа жизни. Суть, однако, заключается в следующем: если наземный бипедализм не представлял собой ничего экстраординарного для обезьян, а был для них совершенно заурядным явлением, то у нас нет никакой нужды выдумывать для него экстраординарные причины. Если наземный бипедализм развился у обезьян, ходивших на костяшках пальцев рук, то следует убедительно объяснять, почему вдруг один способ локомоции сменился другим. Но, если рассматривать привычный, обыденный бипедализм как продолжение частного способа локомоции, который уже существовал у предка, то переход кажется намного более логичным и не требует каких-то вычурных объяснений. Для обезьян, освоивших более открытые места обитания, по сравнению с густыми лесами, этот переход стал естественным и был облегчен тем фактом, что предок уже перемещался на двух ногах, хотя и довольно высоко над землей.

Действительно, представляется, что перемещение на двух ногах по деревьям играло важную роль в образе жизни нескольких древних человекообразных обезьян, включая Pierolapithecus, Hispanopithecus и Morotopithecus, живших в эпоху миоцена (5,3–23 миллиона лет назад). По всей видимости, одна из этих миоценовых обезьян проводила достаточно много времени на земле, что сказалось на ее анатомии. Oreopithecus bambolii – это древняя обезьяна, жившая 7–9 миллионов лет назад на территории нынешних Тосканы и Сардинии. Ореопитек обладал уже некоторыми знакомыми нам признаками – межмыщелковым углом в области коленного сустава. Бедренные кости и коленные суставы были, по всей видимости, приспособлены к хождению по земле на двух ногах. Арди, жившая приблизительно 5 миллионов лет назад, передвигалась так же, сочетая ходьбу по деревьям с ходьбой по земле.

Подвергнув столь исчерпывающей критике образ опиравшейся на костяшки пальцев обезьяны, которая якобы была нашим предком и была разрекламирована «Поступью прогресса» Цаллингера, я надеюсь, что мне удалось стереть этот навязчивый образ – образ вставшей на две ноги четвероногой обезьяны – из вашего сознания. К настоящему времени накоплено достаточно убедительных данных в пользу того, что наши предки гоминиды никогда не ходили, согнувшись и упираясь в землю костяшками пальцев. Нет, они уже умели ходить на двух ногах по деревьям в тот момент, когда спустились на землю. Согласно современным представлениям о происхождении бипедализма, его зарождение следует отнести к временам задолго до того, как появились первые гоминиды, к временам обезьян древнего миоцена, предков орангутанов, шимпанзе, горилл и человека.

Эти представления противоречат нашей склонности считать человека особенным существом, но если они верны, то это значит, что шимпанзе и гориллы оказались новаторами, «придумавшими» способ передвижения по земле с помощью костяшек пальцев рук. Возможно, это не единственное изобретенное ими новшество. При взгляде на передние конечности (да и на задние тоже) ныне живущих и ископаемых обезьян, представляется весьма вероятным, что признаки, способствовавшие адаптации к лазанию и повисанию на ветвях, включая укрепление связочного аппарата запястий и лучезапястного сустава, развивались у обезьян несколько раз, причем параллельно, независимо у разных видов. Это заставляет предполагать, что лазание и умение висеть на передних конечностях тоже развивались несколько раз в ходе эволюции. Возможно, такой путь может показаться излишне мучительным (разве не было бы проще и экономнее, если бы эти признаки и поведение возникли бы один раз и навсегда?), но ископаемые останки не дают нам картины непрерывного прогрессивного развития – развитие происходило отдельными рывками, так сказать поэтапно. Такой подход представляется вполне разумным, если учесть, что лазание и подтягивание на руках становятся выгодными и эффективными только по достижении определенного размера и веса тела. (Помните споры о том, могла ли Арди передвигаться по ветвям на четырех конечностях? Крупному животному трудно сохранять равновесие, передвигаясь на четырех конечностях, ему легче стоять на ветвях или карабкаться по ним, опираясь на ноги, а для сохранения равновесия опираться на руки или повисать на ветвях, цепляясь за них руками, как это делают некоторые обезьяны.)

На фоне этих изобретательных обезьян мы, люди, кажемся невероятными консерваторами; мы по-прежнему делаем то же, что прежде делали все обезьяны, – перемещаемся на двух ногах.

Рожденный бегать

Наши предки ходили на двух ногах намного дольше, чем мы думали раньше, если принять в расчет хождение по деревьям, а не только хождение по земле. Но когда наши предки стали выглядеть как мы в плане общего анатомического строения, в плане пропорций конечностей Арди и даже австралопитеки выглядели скорее как обезьяны, с их длинными руками и короткими ногами. (До 2005 года Люси являлась единственным скелетом афарского австралопитека, у которого сохранились фрагменты рук и ног. Позже другая группа археологов обнаружила в Афаре еще один частично сохранившийся скелет, названный Кадануумуу (большим человеком), – этот скелет был датирован периодом около 3,6 миллиона лет назад – так как был намного крупнее Люси и принадлежал самцу. Этот австралопитек был высок ростом, но ноги его все равно были относительно короче, чем ноги современного человека. Длинные ноги, столь характерные для сегодняшних людей, появились в ходе нашей эволюции сравнительно поздно.

Первые данные об истинно человеческом строении некоторых наших предков, обладавших длинными ногами, были получены в 1984 году. Проводник Камойя Кимеу, помогавший археологической экспедиции Ричарда Лики, обнаружил в песчаном русле реки Нариокотоме примерно в 5 км от озера Туркана хорошо сохранившийся окаменевший скелет. Это был скелет мальчика – кости оказались незрелыми, – и находку назвали Турканским мальчиком. Мальчик этот жил в Восточной Африке 1,5 миллиона лет назад и принадлежал к виду Homo erectus. Некоторые ученые выделили раннего африканского Homo erectus (вид, к которому относился и найденный мальчик) и отнесли его к виду Homo ergaster (человек трудящийся). Однако данные в пользу такого выделения дополнительного вида оказались противоречивыми, особенно с тех пор, как исследование останков Homo erectus в Дманиси (Республика Грузия) показало большую вариабельность костных останков этого вида.

Точно выяснить причину смерти мальчика из Нариокотоме не удалось, но некоторые считают, что его погубил абсцесс корня зуба. Конечно, это возможно, потому что в ту эпоху еще не существовало антибиотиков для борьбы с инфекциями, но утверждать это наверняка мы все-таки не можем. Как бы то ни было, он умер и быстро увяз в отложениях грунта, что спасло его от зубов падальщиков и позволило скелету хорошо сохраниться.

Возраст Турканского мальчика в момент смерти много лет был предметом дискуссий. Судя по тому, что зоны роста в костях не закрыты, скелет, скорее всего, принадлежал подростку. Во всяком случае, он был бы подростком, если бы принадлежал к виду современных людей. Я бы сказала, что, судя по костям, этому мальчику было лет пятнадцать. Но его зубы говорят о другом. Несоответствие костного возраста возрасту, определяемому по состоянию зубов, говорит о том, что этот мальчик развивался не так, как мы с вами. В то же время его развитие не соответствует и развитию шимпанзе. Как бы то ни было, согласно новейшим исследованиям, возраст Турканского мальчика можно оценить в восемь-девять лет. Правда, он был намного более зрелым, нежели современный ребенок такого же возраста. Рост его был около 154 см, и он стал бы сантиметров на восемь выше, если бы дожил до зрелого возраста. Согласно прежним исследованиям, можно было ожидать, что рост во взрослом состоянии достиг бы 180 см, но новые данные, вероятно, более верные, так как едва ли можно было ожидать большого разрыва между телосложением раннего Homo habilis (который едва ли был выше австралопитека) и Homo erectus.

Турканский мальчик

Тем не менее по сравнению с ранними гоминидами этот мальчик был высок и, самое главное, обладал длинными ногами. Эти два параметра тесно связаны между собой. Возможно, это звучит банально, но и среди современных людей, и среди древних гоминид существует тесная связь между телосложением и длиной ног: у более высоких индивидов ноги всегда длиннее, чем у низкорослых. В происхождении нашего с вами рода Homo естественный отбор действовал именно в таком направлении. Думаю, если бы вы увидели Турканского мальчика издали, то не заметили бы в нем ничего особенного. Вы не заметили бы его маленькой головы и странного для современного человека лица; но общий план строения его тела и походка едва ли показались вам странными и незнакомыми.

Длинные ноги делали этого мальчика прекрасным ходоком, но антрополог Дэн Либерман предположил, что многие признаки скелета этого мальчика невозможно объяснить исключительно адаптацией к прямохождению. Например, у мальчика была мощная продольная связка, расположенная на шее под затылком; у него была высокая тонкая талия и покатые плечи; у него, кроме того, были мощные большие ягодичные мышцы и мышца, выпрямляющая спину. Все эти мышцы придают телу устойчивость; в нижней конечности мальчика – в голенях и стопах – находились массивные эластичные, пружинистые ткани, включая толстое ахиллово сухожилие, позволяющее экономить и эффективно использовать энергию, и, кроме того, на ногах были короткие пальцы. Дэн объясняет все эти изменения весьма особенной причиной, по которой приходится иметь пружинистые связки и сухожилия, по которой плечи и туловище должны быть способны к вращению вокруг вертикальной оси над тазом, чтобы сохранять равновесие, по которой нужны сильные мышцы на задней поверхности бедра, чтобы выпрямлять тазобедренный сустав и удерживать корпус от падения вперед. Эта причина – бег. Возможно, длинные ноги – это тоже орудие бега, так как удлинение шага помогает экономить энергию при беге.

Я посетила Дэна Либермана в его лаборатории в Гарвардском университете. Он даже пригласил меня побегать по движущейся дорожке, чтобы продемонстрировать важность больших ягодичных мышц для бега. Эти мышцы мало нагружены во время ходьбы, но очень активны при беге. Их сокращение препятствует избыточному наклону туловища вперед над опорной ногой – то есть защищает бегущего от падения ничком, – а также тормозит ногу, делающую следующий шаг, когда она заканчивает мах назад. Трудно сказать, когда именно в ходе эволюции эта мышца увеличилась в размере, но Дэн утверждает, что это было важно для улучшения способностей гоминид к бегу.

Гипотеза Дэна, украсившая обложку журнала Nature в 2004 году, заключается в том, что способность к длительному бегу была очень важна для наших предков. Мы так сильно сосредоточились в наших исследованиях на ходьбе, как на архетипическом способе передвижения наших предков, что, пожалуй, немного упустили из вида, что бег был не менее важен – по крайней мере, в то время, когда на подмостки эволюции вышел Homo erectus. Вероятно, все же смысл этой истории не только в беге или ходьбе. С одной стороны, путешествия по холмистой и пересеченной местности тоже требуют анатомических изменений, которые Дэн приписывает исключительно способности к длительному бегу. С другой стороны, бег мог снабдить наших предков средством выживания в переменчивом ландшафте, что и привело к изменениям строения нашего тела, которые мы теперь рассматриваем как присущие именно человеку.

Большинство из нас сегодня ведет малоподвижный образ жизни, и многие удивятся, узнав, что на самом деле мы – прирожденные бегуны. Однако это утверждение едва ли вызовет удивление у участников марафонов. Мы поразительно хорошо приспособлены к бегу. Наши тела буквально предназначены для того, чтобы бегать легко и эффективно, и, несмотря на то что на коротких дистанциях мы уступаем в скорости другим животным, на стайерских дистанциях люди могут превзойти многих животных, даже собак и лошадей.

Вид, к которому принадлежал Турканский мальчик, возник и развился в то время, когда травянистые равнины – саванны, столь характерные для огромных пространств в сегодняшней Африке, – начали расширяться, дав возможность размножаться и развиваться множеству пастбищных травоядных животных. Площадь лесов сокращалась, а вновь возникшие травянистые равнины открывали новые возможности гоминидам, способным адаптироваться к новым условиям. Овладение этими пространствами требует способности эффективно покрывать большие расстояния, и способность к бегу означала, что наши предки могли успешно конкурировать с другими видами за важный источник энергии и белка – за мясо. Означало ли это охоту или питание павшими животными, вопрос трудный (возможно, имело место и то и другое), но каменные орудия, которыми располагал Homo erectus почти два миллиона лет назад, идеально подходили для обработки мяса и рассечения сухожилий. В Африке было проведено несколько раскопок ранних стоянок гоминид этого вида, где были обнаружены следы работы древних мясников в виде зазубрин, оставленных каменными орудиями на костях животных. Недавно открытое место еще одной такой стоянки на берегу озера Виктория в Кении изобилует множеством разрубленных костей газели, что, по мнению большинства ученых, свидетельствует скорее об охоте, нежели о собирании падали.

Необычное новшество

Приспособление человека к бегу, как полагают, являет собой пример абсолютно новой, чрезвычайно смелой черты эволюции – а именно пример того, что глубинные изменения организмов могут происходить до возникновения генетических изменений.

Организм человека подвержен изменениям в течение жизни. Мы знаем это по собственному опыту: занятия новым видом спорта изменяют строение тела. Гипертрофируются, увеличиваются в объеме некоторые мышцы, и человек это быстро замечает. Однако люди не замечают, что изменяются и кости. Мы привыкли думать о нашем скелете как об инертной, безжизненной структуре, костной опоре живых тканей тела, но на самом деле кость – это тоже живая ткань. Несмотря на то что она в значительной степени минерализована, в ней есть живые клетки, расположенные в полостях жесткого костного матрикса. Эти клетки взаимодействуют друг с другом и с клетками, находящимися на поверхности костей. Эти клетки реагируют на напряжения, приложенные к костям, и формируют новую костную ткань там, где кость надо укрепить, а также удаляют избыток ткани, когда необходимость в укреплении отпадает. (Одна из проблем, с которой сталкиваются космонавты, долгое время находящиеся в состоянии невесомости, – это атрофия костной ткани, то есть потеря костной массы.)

В эмбриональном периоде, в детстве, и даже во взрослом состоянии форма и функции наших организмов отнюдь не целиком определяются ДНК. Это означает, что форма скелета, как и форма всего тела, не является производным деятельности одних только генов, это производное использования тела, производное поведения. Гены всего лишь задают параметры, в пределах которых возможны такие изменения.

Примеры очень глубоких изменений «нормальной» анатомии определенных областей тела могут возникать, когда анатомия и физиология организма каким-то образом сильно нарушаются. В 1942 году голландский ветеринар Э. Й. Слийпер описал странную двуногую козочку. Это животное родилось с парализованными передними конечностями и поэтому не могло передвигаться на четырех конечностях, как это делают здоровые животные. Тем не менее этот козленок научился передвигаться, прыгая на задних конечностях. Когда коза околела, Слийпер вскрыл ее и обнаружил очень странные изменения в ее анатомии. Грудная клетка и грудина имели весьма необычную форму, а у мышц верхней части задних конечностей изменилась форма и появились новые, дополнительные сухожилия. Такие примеры показывают, насколько изменчивой и пластичной может быть анатомическая структура организма, насколько легко она поддается различным модификациям.

Скачущая на двух ногах коза Слийпера иллюстрирует очень важный момент: какая бы причина ни привела к параличу передних конечностей, не она стала одновременно причиной адаптивных изменений в задних конечностях. Анатомические изменения в них возникли в результате способа, каким коза начала их использовать. Податливость анатомического строения уменьшается с возрастом – невозможно добиться таких драматических изменений, посещая спортзал, – но такой потенциал становится выше, если изменение поведения происходит на ранних стадиях развития.

Американский биолог Мэри Джейн Уэст-Эберхард предположила, что связанные с бегом анатомические изменения в ходе эволюции человека могли возникнуть именно таким способом – как часть адаптации организма к окружающей среде (через поведенческие изменения) – и даже стать «нормой» для целой популяции в течение жизни одного поколения. Это очень важная, и, в определенной мере, еретическая идея, так как она противоречит строгой неодарвинистской доктрине о том, что эволюция происходит благодаря случайным генным мутациям, которые оказываются полезными в плане приспособления организмов к окружающей среде. Анатомические изменения в ответ на новое поведение – или, другими словами, фенотипическая адаптация – тоже могут приводить к эволюционному разнообразию.

Эта смелая идея о связи между анатомией, поведением и эволюцией содержит в себе отзвук одной старой гипотезы по поводу механизма возникновения эволюционных изменений. Предшественник Дарвина, французский натуралист Жан-Батист Ламарк говорил нечто подобное в самом начале XIX века. Он считал, что животные могут передавать потомству признаки, приобретенные в течение жизни. В качестве классического примера приводили жирафа. Животным приходилось тянуться вверх за листьями, и шея немного вытягивалась, а потом жираф передавал этот признак потомству, у которого шея вытягивалась еще немного, и так далее. Дарвин весьма благосклонно отнесся к идее такого «мягкого наследования», но она не укладывалось в предложенный им механизм естественного отбора, каковой дал название книге «О происхождении видов путем естественного отбора». Этот механизм работает на основе уже существующего в популяции разнообразия признаков. Это разнообразие является результатом действия наследственных факторов (которые позднее были названы генными мутациями), а поэтому понятно, что анатомические изменения, приобретенные в течение жизни, не могут наследоваться.

Сейчас, однако, такое утверждение представляется чересчур категоричным. Теперь мы знаем, что внешние влияния на гены могут передаваться потомству. Химические модификации белковой упаковки ДНК – которые могут происходить в течение жизни организма под влиянием факторов окружающей среды – влияют на функцию генов. Удивительно, но эти модификации могут наследоваться, несмотря даже на то, что сами гены остаются неизменными. Этот феномен наследуемых эпигенетических изменений говорит о том, что в мягкой наследственности все-таки что-то есть.

Если новые модели поведения приводят к изменению анатомического строения, то возможно, что некоторые из них станут наследственными по крайней мере в течение нескольких поколений, благодаря эпигенетическим модификациям, которые закреплялись у представителей по меньшей мере двух-трех поколений. Однако и эпигенетическая адаптация может, вероятно, приводить и к истинно генетическим, эволюционным изменениям. В сравнении с генными мутациями, приводящими к случайным вариациям (большинство которых неизбежно оказываются бесполезными или даже вредными), фенотипическая адаптация производит отнюдь не случайное изменение: с самого начала она помогает организму лучше приспособиться к окружающей среде. Естественный отбор будет действовать на такие неслучайные изменения точно так же, как он действует на изменения случайные.

Индивиды, отличающиеся новым анатомическим строением, возникшим в ответ на новое поведение, будут иметь преимущества в выживании и размножении, поэтому отбор будет благоприятствовать особям, способным к такому новому поведению. Эту гипотезу впервые высказал американский психолог Джеймс Марк Болдуин в конце XIX века в связи с эволюцией способностей к обучению. Сам феномен тогда получил название «эффекта Болдуина».

Возвращаясь к нашим бегающим предкам, мы можем живо представить себе, как такое могло происходить в реальности. Представим себе группу древних людей, предки которых не увлекались бегом, но сами эти люди поняли, что бег повышает их шансы на выживание. Эти люди живут в африканской саванне, и дело происходит за два миллиона лет до наших дней. Они питаются более разнообразно, чем их предшественники, – выкапывают корни и клубни и варят их, что делает еду вкуснее и питательнее. При случае эти люди едят и мясо, и вот здесь в игру вступает бег. Иногда люди гоняются за добычей, а иногда, возможно, едят трупы животных, убитых другими хищниками. Люди видят стаи стервятников, кружащих над убитым или павшим зверем, и бегут туда, чтобы опередить других падальщиков. Люди изо всех сил стараются избегать встреч с крупными хищниками, но если такая встреча все же происходит, то отбиваются от них, швыряясь камнями.

При таком сценарии бег мог стать реально важным и значимым признаком данной группы людей в течение одного поколения. Когда что-то начинают делать несколько человек, скорее всего, к ним присоединятся другие. Дети станут копировать поведение взрослых. Без всяких генных изменений организмы этих людей могут заметно измениться, так как мышцы и кости будут реагировать на предъявленные к ним новые требования. В частности, если начинает бегать ребенок, то строение его тела во взрослом состоянии будет значительно отличаться от строения тела его ближайших предков – родителей, бабок и дедов. Организмы некоторых людей не проявят нужной «пластичности», и бег останется для них весьма затруднительным, но для других членов племени, обладающих скрытым генным потенциалом благоприятных изменений, бег станет занятием комфортным и эффективным. Начав бегать, такие люди уже сами задают и определяют свое эволюционное будущее. Естественный отбор будет благоприятствовать раскрытию способностей потенциальных бегунов. Влияние эффекта Болдуина в течение многих поколений будет означать, что естественный отбор станет благоприятствовать тем генным мутациям, которые способствуют укреплению способностей к бегу. Но с чего все началось? Скорее всего, не с генной мутации, подхваченной давлением естественного отбора, а с изменений в поведении.

Возможно даже, что фенотипическая адаптация с большей вероятностью производит глубокие изменения в передаваемых наследственных признаках или, по крайней мере, способствует им, нежели более знакомый нам механизм естественного отбора на уровне генных мутаций. Фенотипическая адаптация, возможно, является важным генератором реальных новшеств в процессе эволюции. Такие новшества сильно отличаются от постепенных мелких адаптивных изменений, по ходу которых отбор закрепляет одни варианты и отсеивает другие. Как генераторы новшеств, немедленные реакции животных на изменения окружающей среды являются мощным инструментом эволюции – они действуют одновременно на множество индивидов сразу.

Определенно, это не означает, что Дарвин ошибался и естественный отбор неважен. Дарвин был прав, и естественный отбор очень важен, но, возможно, есть и другие механизмы адаптации, и Ламарк очень рано смог угадать один из них.

Возможно, что наши предки начали бегать, не дожидаясь помощи со стороны полезных генных мутаций – возможно, что такие изменения возникли позже, и не они облегчили переход к новому поведению. Но как бы хорошо ни адаптировались к длительному бегу наши предки, они тем не менее не могли бегать так же быстро, как другие бегуны животного царства, включая некоторых очень крупных африканских хищников. Поэтому, вероятно, все же стоило сохранять и некоторые, более «примитивные» признаки – например, ноги, которые умеют не только бегать, но и помогают, при необходимости, забираться на деревья (представьте себе газель Томпсона, карабкающуюся по пальме!). Мы располагаем, кроме того, длинными и подвижными руками, унаследованными от предков, которые много времени проводили на деревьях, но такие руки оказались весьма подходящими для метания самых разнообразных предметов – и этот навык, унаследованный и нами, помог нашим предкам выжить на африканских равнинах.

Плечи и большие пальцы рук Лазившие по деревьям предки и уникальная человеческая кисть

Пожалуй, нет на свете ничего исполненного более важного смысла, нежели кисть человеческой руки, этого древнейшего инструмента, которым человек проложил себе путь из дикости и которым он непрестанно нащупывает путь вперед.

Джейн Аддамс

Подвижность человеческих рук

Наши руки и кисти невероятно подвижны, намного более подвижны, чем передние конечности большинства остальных млекопитающих. Этой подвижностью мы обязаны нашим жившим на деревьях предкам. Руки человекообразных обезьян обладают большей подвижностью, чем даже передние конечности мартышек, и эта разница обусловлена разницей в способах лазания по деревьям. Мартышки являются по преимуществу четвероногими, и передвигаются по ветвям на всех четырех конечностях, держа туловище горизонтально. Как и у большинства четвероногих, их грудная клетка уплощена с боков, а лопатки крепятся мышцами к ее боковым сторонам. Человекообразные обезьяны передвигаются на деревьях по-другому: они карабкаются по ветвям, повисают, а иногда и раскачиваются на руках, и поэтому их туловища по большей части находятся в вертикальном положении. Грудная клетка высших обезьян уплощена спереди назад. Лопатки у них смещаются на заднюю поверхность уплощенной грудной клетки, а плечи оказываются на боковых сторонах груди, что дает обезьянам возможность вытягивать руки вперед, поднимать их высоко над головой и опускать вдоль тела. Плечевой сустав фактически не находится на одном месте; вследствие того что лопатка имеет возможность относительно свободно перемещаться над поверхностью грудной клетки, прикрепленная к ней только мышцами и подвижно сочлененной с грудиной ключицей, она (лопатка) имеет также возможность смещать и плечевой сустав. Вы уже убедились в том, что лопатка подвижна, но теперь попробуйте ощутить, насколько она подвижна: вы можете отвести плечи назад, перемещая лопатки навстречу друг другу до их соприкосновения на срединной линии спины. Можно также легко сместить плечевой сустав кпереди. При подъеме руки над головой лопатка разворачивается так, что плечевой сустав оказывается ориентированным вверх и в сторону.

Плечевой сустав – самый подвижный сустав тела высших приматов. Для высших обезьян, карабкающихся на деревья, это очень важно, потому что позволяет рукам перемещаться во всех направлениях для захвата веток. Любой сустав должен обеспечивать баланс двух важнейших свойств – подвижности и устойчивости. Самый устойчивый сустав – это неподвижный сустав, в котором сочленяющиеся кости срастаются между собой; естественно, никакие движения в таком суставе невозможны. Чем больше движений допускает сустав, тем менее устойчивым он становится. Если вы посмотрите на лопатку и головку плечевой кости, то сами убедитесь, что лопатка и плечо очень мало контактируют друг с другом. Суставная поверхность лопатки, сочленяющаяся с головкой плечевой кости, мала и, кроме того, очень мелкая. «Чашечка» суставной поверхности лопатки составляет всего четверть площади суставной поверхности плечевой кости. Сустав дополнительно укрепляется связками, но наибольшую роль в придании устойчивости плечевому суставу играют мышцы. Несколько мышц, прикрепленных к лопатке, охватывают плечевой сустав и сходятся на шейке плечевой кости. Таким образом, эти мышцы не только укрепляют сустав, но и перемещают плечевую кость в самых разнообразных направлениях. Совокупность этих мышц называют вращательной манжетой плеча. Однако, несмотря на все старания этих мышц, плечевой сустав все же остается очень подвижным, а значит, неустойчивым. В плечевом суставе чаще всего происходят вывихи.

Лопатка вращается относительно грудной клетки при подъеме плечевой кости вверх

Расположенный под плечевой костью локтевой сустав является простым шарнирным суставом, но предплечье, несмотря на это, обладает дополнительной подвижностью: лучевая кость, наружная из двух костей предплечья, может смещаться относительно своей продольной оси, в результате чего нижний ее конец может переместиться к внутреннему краю локтевой кости (второй кости предплечья). Это движение поворота кисти внутрь (из положения ладонью вперед в положение ладонью назад) называется пронацией. Это движение является невозможным для многих млекопитающих. У большинства четвероногих млекопитающих предплечье находится в фиксированном положении пронации, что обеспечивает надежный контакт ладонной поверхности лапы (кисти) с землей или древесными ветвями. Вспомните строение копыт лошадей, коров или овец – копыта (аналоги кистей человека) находятся в состоянии фиксированной пронации. Некоторые животные способны слегка поворачивать лапы кнаружи (переводить их в положение супинации) – это умеют делать собаки и, немного в большей степени, кошки – и это позволяет им захватывать предметы двумя лапами. Однако никто из нас ни разу не видел кошку, вывернувшую лапу ладонной поверхностью кверху, то есть кошка не может совершить движение, которое дается нам очень легко. Эту подвижность мы, опять-таки, унаследовали от наших предков-древолазов – умение вращать предплечье вместе с кистью на 180° означало умение хвататься за ветви, ориентированные в самых разнообразных направлениях.

Концевые отделы предплечий, кисти, невероятно подвижны и предназначены для хватания. Эта невероятная подвижность позволяет нам делать столь же невероятные вещи, которые нам кажутся само собой разумеющимися – закинуть руку назад и почесать себя между лопаток, плавать брассом или кролем (а не барахтаться по-собачьи), крутить отвертку, а также держать мяч или тарелку с супом на повернутой кверху (супинированной) ладони – на такие подвиги подавляющее большинство млекопитающих попросту неспособны. Нам стоит благодарить наших обезьяньих предков за такую почти сверхъестественную подвижность верхней конечности – плечевого сустава, плеча, локтевого сустава, предплечья, запястья и кисти, но есть и важная разница между нами и другими обезьянами.

Плечи гоминид

Внимательно посмотрите на человекообразных обезьян, и вы увидите, что они как будто все время «пожимают плечами». Их плечи подтянуты вверх почти до ушей. Внутри плечевого сустава его суставная поверхность ориентирована краниально, то есть по направлению к черепу (cranium) – вверх, что идеально для вытягивания рук вверх. Наши обезьяньи родственники, человекообразные обезьяны, проводят достаточно много времени на деревьях, причем почти все они карабкаются вверх по ветвям и часто повисают на руках, а гиббоны еще и регулярно раскачиваются на руках.

Напротив, наши плечи опустились вниз, и в состоянии покоя наши ключицы расположены практически горизонтально, а не круто поднимаются вверх, а плечевые суставы у нас ориентированы кнаружи (вбок), а не вверх. Сразу появляется искушение подумать, будто наши плечи резко опустились вниз сразу после того, как наши предки спрыгнули с деревьев и перестали постоянно тянуть руки вверх. Но это лишь поверхностное рассуждение с точки зрения эволюции. Почему плечи должны были «вдруг» резко опуститься вниз? Надо поискать какую-то вескую причину такого быстрого опускания плеч. Каким образом широкие плечи и горизонтально ориентированные плечевые суставы могли создать нашим предкам преимущества в сравнении с их предшественниками? И когда произошло это изменение?

Можно считать, что постепенной трансформации обезьяньих плеч в плечи, характерные для людей, не было, а вместо нее имело место значительное разнообразие в строении плеч гоминид, хотя для окончательного вывода в нашем распоряжении пока слишком мало ископаемых костных останков. Однако похоже, что современные человекоподобные плечи появились на сцене эволюции очень поздно.

Мы располагаем всего несколькими ископаемыми лопатками австралопитеков – ранних гоминид, живших в период от четырех до двух миллионов лет тому назад – включая Люси и других представителей ее вида. Эти останки позволяют предполагать, что суставная поверхность лопатки у них была ориентирована вверх, то есть как у человекообразных обезьян, а не как у нас с вами. Другие признаки позволяют утверждать, что эти древние лопатки были расположены на грудной клетке довольно высоко. К тому времени, когда на эволюционной сцене появился Турканский мальчик со своими длинными ногами, а случилось это 1,5 миллиона лет назад, его плечевые суставы смотрели уже не вверх, но пока еще и не в сторону. У Турканского мальчика были очень короткие ключицы – такие же короткие, как у человекообразных обезьян. Правда, Турканский мальчик – это всего-навсего ребенок, но, даже если бы он дожил до взрослого возраста, его ключицы все равно остались бы короткими в сравнении с нашими. Итак, несмотря на то что плечевые суставы его, возможно, сместились вниз по грудной клетке до уровня, характерного для современных людей, суставные поверхности лопаток были направлены не в стороны, а скорее вперед.

Некоторые ученые утверждали, что низко расположенные широкие плечи развились, потому что создавали преимущество в беге, так как позволяли разворачивать верхнюю часть туловища в сторону, противоположную движению вынесенной вперед ноги, что позволяло сохранять равновесие при беге на двух ногах. Мы видели другие признаки приспособления к бегу на примере скелета Турканского мальчика, так что, возможно, его плечи – это одно из них. Однако в качестве противовеса движущейся ноге такие плечи едва ли могли оказаться сколько-нибудь эффективны, потому что были для этого слишком узки. Такие узкие плечи не в состоянии придать устойчивость во время бега даже голове.

У последующих гоминид, включая Homo antecessor (человека предшествующего), обнаруженного в Испании, в Сьерра-де-Атапуэрка, и датированного периодом около 800 тысяч лет назад, и неандертальца, ключицы были длинными, даже длиннее, чем у современного человека. Длинные ключицы отталкивают плечи кзади, развертывают их, делают шире и заставляют суставные поверхности плечевых суставов ориентироваться в стороны – вправо и влево от грудной клетки.

Высказывалось предположение, что такое изменение формы плеч появилось в связи с весьма специфическим их использованием – бросанием разных метательных орудий, в чем люди особенно преуспели.

Это, конечно, не значит, что человекообразные обезьяны не бросают время от времени всякие вещи, причем иногда они швыряют их очень точно. Я помню, как мы для программы «Горизонт» снимали фильм в Понголенде, обезьяньем питомнике научно-исследовательского центра по изучению приматов при Лейпцигском зоопарке. Один из орангутанов сильно невзлюбил нашего режиссера. В Лейпцигском зоопарке нет стеклянных ограждений, разделяющих обезьян и посетителей, которые проходят по Понголенду по подвесным дорожкам с довольно низкими перилами. Так вот, режиссер и звукооператор подверглись атаке орангутана, который очень метко швырнул в них несколько пригоршней кала.

Тем не менее в организме человека присутствует сочетание нескольких анатомических признаков, которых нет у человекообразных обезьян и которые позволяют предполагать, что именно такой должна быть анатомия существа, способного бросать предметы с выносом руки вперед через верх, и эта необходимость сформировала нашу анатомию. Данный признак состоит в боковом расположении плечевого сустава, и можно легко представить себе, как плечи, выступающие по сторонам грудной клетки, могут обеспечить преимущество при броске, позволяя отвести назад руку, готовя ее к броску. Однако только вместе с другими признаками – длинной гибкой поясницей, которая позволяет с большой амплитудой вращать торс, гибким вдоль продольной оси плечом, которое позволяет развернуть руку локтевым суставом кнаружи, – такое расположение плечевого сустава дает истинное преимущество при броске. Было экспериментально показано, что все эти признаки помогают растягивать сухожилия, связки и мышцы, окружающие плечевой сустав, когда рука отводится назад, готовясь к броску с выносом руки вперед. В процессе броска участвует множество мышц, которые каскадом активизируют одна другую, начиная с мышц туловища и бедра, после чего активизируются мышцы плечевого пояса, локтя и запястья. Если вы сознательно проанализируете свои движения в ходе броска, то почувствуете, сколько суставов в нем участвуют. Выполните бросок в замедленном темпе. Исходное положение: вы стоите, выставив одну ногу впереди другой и, готовясь к броску, отводите противоположную руку назад. Продолжение: движение начинается с бедра; таз неподвижно соединен с позвоночником в области крестцово-подвздошного сочленения, поэтому вращательное движение осуществляется за счет вращательного движения позвоночника вокруг своей продольной оси. Небольшие по амплитуде смещения соседних позвонков складываются в полноценный поворот, когда движение достигает уровня плеча. Амплитуда поворота достигает 90° или больше. Теперь вперед пошло плечо, совершая движение в шаровидном плечевом суставе с его невероятной подвижностью. Позвоночник начинает разворачиваться в противоположном направлении, сообщая плечу дополнительный момент силы. Выпрямляется шарнирный локтевой сустав и, наконец, разжимаются пальцы, отпускающие воображаемый мяч или копье. Сделайте то же самое, но в быстром темпе (лучше вне дома) с настоящим мячом или (если хватит храбрости) с копьем, и вы увидите, как энергия, запасенная в растянутых сухожилиях и связках вокруг соответствующих суставов, добавляет силы броску.

Весьма возможно, что бросание предметов снабдило широкими плечами человека предшествующего, человека гейдельбергского, неандертальца и нас с вами. (Напротив, теперь нам ясно, что Турканский мальчик, как современные люди, страдающие синдромом короткой ключицы, был не в состоянии хорошо бросать предметы.)

Мне кажется, что все это звучит очень убедительно, и такие гоминиды, как Homo antecessor, несомненно, были способны к бросанию – учитывая их расположенные по бокам грудной клетки плечевые суставы, ориентированные кнаружи, сложно помыслить другие причины, которые заставили бы измениться форму плеч гоминид, если сбросить со счетов бросание. Этот довод убедил не всех; некоторым ученым понадобились прямые доказательства. Однако очень трудно найти реальные следы многих видов деятельности. Например, отпечатки стоп являются надежными, объективными свидетельствами хождения на двух ногах, но нет аналогичных отпечатков бросания предметов. Если наши предки просто подбирали с земли камни и палки и швыряли их в добычу или в падальщиков, чтобы отогнать их от лакомого трупа, то от такой деятельности не осталось никаких археологических следов. Брошенный камень выглядит точно так же, как и все остальные камни, а палки давным-давно истлели. Но, когда люди начинают делать предметы, специально предназначенные для метания, например копья, – тогда мы можем с полным правом заключить, что смещенные вбок плечи на самом деле использовались для бросания предметов.

Изобретение метательных орудий, по всей вероятности, и обеспечило нашим предкам очень важное преимущество. Можно представить себе, как изменилось все для наших предков – охотников и собирателей – после этого изобретения. Вероятно, копья существовали и раньше в качестве колющих орудий, которыми убивали добычу или защищались от хищников, но переход к метанию этого орудия сделал его более эффективным, а кроме того, сделал охоту и войну безопаснее.

Проблема заключается в том, что очень трудно доказать, что копье было изобретено именно для метания! Одним из ранних возможных доказательств являются деревянные копья из Шёнингена (Германия), датированные периодом около 400 тысяч лет назад. По своему весу эти копья идеально подходили для метания и служат убедительным, хотя и косвенным доказательством того, что, по крайней мере, в то время люди уже были в состоянии метать эти орудия. Некоторые ученые, правда, сомневаются, что шёнингенские копья использовались для метания. Совсем недавно появились новые данные. Они относятся к более позднему периоду, но зато более убедительны.

Археологи обратили пристальное внимание на древние заостренные камни, пытаясь понять, могли ли их использовать в качестве наконечников копий, и не просто копий, а копий, предназначенных для метания. Интерпретации были по большей части основаны на этнографических сравнительных исследованиях, на изучении подобных орудий, изготовленных современными охотниками и собирателями, а также на изучении физических свойств заостренных камней – их размеров, формы и веса. Правда, в последнее время археологи стали привлекать к исследованию этого вопроса баллистику, изучая формы разломов наконечников, по которым можно было бы судить о их скорости в момент поражения цели. Самые последние данные были получены в долине Рифта в Эфиопии, где археологи обнаружили тысячи фрагментов и наконечников, изготовленных из естественного вулканического стекла – обсидиана. Эти наконечники были найдены неподалеку от населенного пункта Гадемотта. Формы разломов говорят о том, что в момент поражения цели скорость движения наконечника составляла около тысячи метров в одну секунду, а это означает, что речь в данном случае идет о настоящих метательных орудиях, например о дротиках.

Изготовление обсидиановых наконечников существовало почти 300 тысяч лет назад, а это говорит о том, что в то время предки людей уже использовали метательное оружие. Прикрепление каменных наконечников к копьям и дротикам и использование их как метательных орудий считается уникальной прерогативой современного человека. Строго говоря, современные люди (не какие-то ранние Homo, а представители именно нашего вида, Homo sapiens) появились на исторической арене не ранее 200 тысяч лет назад, а наконечники из раскопа Гадемотта убеждают нас в том, что этот аспект «современного» поведения возник до появления «современного» анатомического строения. Это очень важно: не стоит ожидать, что как поведенческая, так и анатомическая «модернизация» внезапно появляются одновременно ниоткуда, словно по мановению волшебной палочки. Признаки, характерные для нашего современного вида, появлялись постепенно, элемент за элементом, как по кусочкам появляется мозаичное панно.

Локти, запястья и кисти человекообразных обезьян

Наши с вами локти очень похожи на локти ныне живущих человекообразных обезьян. Их локти сильно отличаются от локтей мартышек и макак; у всех обезьян суставная поверхность плечевой кости делится на две части: шаровидную головку и седловидный блок, которые сочленяются с лучевой и локтевой костями соответственно. Шаровидная головка сочленяется с блюдцеобразной головкой лучевой кости, позволяя ей вместе с локтевой костью совершать сгибание и разгибание, а кроме того, позволяет лучевой кости вращаться вокруг ее продольной оси, совершая два специфических движения – супинацию и пронацию.

Эти движения – супинация и пронация – являются, на мой взгляд, самыми уникальными действиями, которые мы в состоянии производить. Большинство млекопитающих к ним неспособно, а мы с вами выполняем эти движения не задумываясь, легко и непринужденно, как нечто само собой разумеющееся. Этой способностью мы обязаны нашим сородичам-приматам, живущим на деревьях, но сегодня эта способность позволяет нам выполнять массу полезных действий и манипуляций. Вращение предплечий позволяет нам располагать ладони в самых разнообразных положениях, поворачивая их во все направления. Попробуйте сами: сядьте, положите руки на колени так, чтобы ладони лежали на бедрах, а большие пальцы располагались ближе к внутренним сторонам бедер. Переверните ладони; пусть они теперь смотрят кверху, а большие пальцы окажутся с другой стороны бедер. Сейчас предплечье находится в положении супинации. Теперь переверните ладони внутрь, чтобы они снова легли на поверхность бедер. Вы только что выполнили пронацию. Повторите все движения еще раз, но теперь внимательно следите за предплечьями и запястьями. Сначала лучевая кость находится с наружной стороны предплечья. При пронации, то есть при переводе ладоней «лицом» вниз, лучевая кость перекручивается над локтевой костью и оказывается на внутренней стороне предплечья. Другими словами, две кости предплечья, располагавшиеся рядом и параллельно друг другу в положении супинации, совершили перекрещивающее движение и оказались в положении пронации. Это движение позволяло нашим предкам хвататься за ветки практически под любым углом. Мы, без пронации и супинации, не смогли бы пользоваться отверткой.

Человекообразные обезьяны пользуются руками не так, как их предшественники, низшие узконосые обезьяны, человекообразным нужны добротные, прочные локтевые суставы. На конце плечевой кости человекообразных (включая и нас) форма блока совершенно иная, нежели у мартышек. Блок имеет отчетливую бочкообразную форму, крутые края, позволяющие удерживать на месте локтевую кость в процессе движений с большой амплитудой, – а это очень полезное свойство для обезьян, использующих руки для лазания по деревьям и раскачивания на ветвях. На задней поверхности нижнего края плечевой кости находится глубокая выемка, предназначенная для расположения в ней локтевого отростка (массивного изогнутого выроста на задней поверхности верхнего отдела локтевой кости) в разогнутом положении предплечья.

Нижние концы плечевых костей павиана, шимпанзе и человека

Однако с самыми большими различиями мы сталкиваемся, добравшись до запястья и самой кисти. Вот как выглядят кости кисти у человека в сравнении с костями кисти шимпанзе:

Кости кисти

Итак, стопы шимпанзе (по крайней мере, для нас) выглядят почти как руки, а руки (кисти) шимпанзе… скажем так, не очень похожи на руки. Что это за крошечный большой палец? Почему у шимпанзе такие массивные длинные пальцы?

В приюте для шимпанзе неподалеку от Энтеббе, на берегу озера Виктория в Уганде, мне представилась возможность пристально рассмотреть руки шимпанзе. Вместе со съемочной группой мне разрешили побывать на острове шимпанзе, куда ведут высокие, непреодолимые для шимпанзе ворота. Мы вышли на огороженную площадку, куда к нам выпустили нескольких шимпанзе. Я присела на корточки, чтобы приветствовать их. Мои карманы были полны земляных орехов, и обезьяны, сразу поняв это, приняли меня как своего лучшего друга. Эти животные очень привыкли к людям, привыкли, что за ними ухаживают, и поэтому не задумываясь бросились ко мне. Самая маленькая обезьяна трех с половиной лет от роду по прозвищу Кусачка (и она заслужила это почетное имя!) немедленно забралась ко мне на колени, а когда я встала, она по ногам вскарабкалась ко мне на спину и повисла, обвив меня руками за плечи и шею. Мы подошли к искусственному «термитнику» – земляному сооружению метровой высоты, пронизанному пластиковыми трубочками с медом. Шимпанзе превосходно знали правила игры – они вооружились палочками, которыми принялись тыкать в термитник и слизывать прилипшее к ним лакомство.

Это было увлекательное зрелище – видеть, как они пользуются своими руками, как охватывают палочки всеми пальцами кисти, не противопоставляя, как мы, большой палец для более надежного захвата. Возьмите так ручку или карандаш, и вы сразу поймете разницу.

Я попыталась сняться на фоне «термитника», но Кусачка прыгнула мне на спину и принялась, играя, без угрозы, покусывать мои руки (правда, довольно сильно, хотя и не до крови). Шимпанзе, обитавшие в лесах Кибале, где мы тоже снимали, практически не обращали на людей внимания, но обезьяны в приюте – которых спасли из лап торговцев или местных знахарей или выходили после полученных в лесу травм – считали людей похожими на них самих. По крайней мере, молодые особи, видимо, отнеслись к нам, как к товарищам по играм. Правда, некоторые из этих игр оказались довольно жесткими, как и предупредил меня один из смотрителей обезьяньего приюта. Самый старший из трех шимпанзе, с которыми мы снимались, шестилетний самец, оказался очень сильным. Пару раз он подскакивал и наносил мне довольно чувствительные удары. Мне, кроме того, повезло, что я не лишилась микрофона; передатчик размером с мобильный телефон я заткнула за пояс, он был прикрыт курткой и рубашкой, но шимпанзе сразу поняли, что там что-то есть, и все время пытались задрать мне рубашку, чтобы добраться до заинтересовавшего их предмета.

Я уселась на землю рядом с шимпанзе, чтобы покормить их фруктами – авокадо, которые они презрительно отшвыривали в сторону, и апельсинами, которые они хватали, разрывали и жадно поедали. Мне приходилось в свое время читать статьи Мэри Марцке и Мэтью Точери о кистях рук людей и шимпанзе. Манипуляции с пищей – это деятельность, которая позволяет исследователям наблюдать, как шимпанзе манипулируют предметами, и сравнивать диапазон обезьяньих захватов с диапазоном захватов у людей, изготовляющих каменные орудия. Диапазон захватов (их амплитуда) оказался одинаковым, но у шимпанзе менее мощные большие пальцы, в то время как у людей большой палец позволяет сочетать точность движений с их силой в процессе манипуляций с предметами. Марцке отметила, что «боковой» и «замковый» захваты очень важны для людей, так как позволяют производить орудия и пользоваться ими. Шимпанзе тоже прибегают к таким захватам, но при этом часто поддерживают кусок пищи другой рукой или ногой, потому что не могут крепко ухватить этот предмет одной рукой. Точно так же у шимпанзе круговой охват предметов круглой формы слабее, чем у человека. Например, мы легко удерживаем яблоко одной рукой, откусывая от него кусок, а шимпанзе приходится прибегать к помощи второй руки, чтобы оторвать оставшуюся часть яблока от сомкнутых зубов.

Прочитав когда-то статьи Марцке, я теперь испытывала фантастическое ощущение, сидя рядом с пожилой шимпанзе по имени Сара и наблюдая, как она, захватив обеими руками (с использованием большого пальца, противопоставленного остальным пальцам) апельсин, вгрызается в сочную мякоть плода. У Сары очень маленькие большие пальцы, они достают лишь до уровня костяшек пальцев (до пястно-фаланговых суставов). Большие пальцы шимпанзе выглядят тонкими и хрупкими в сравнении с толстыми прочными остальными пальцами. Есть большое искушение сказать, что эта разница связана со склонностью Сары ходить, опираясь на костяшки пальцев, для чего они на самом деле должны быть весьма крепкими, в то время как мощный большой палец у меня (плюс мизинец на противоположном краю кисти) явился приспособлением к изготовлению и использованию орудий. Это вполне разумные предположения, но если мы хотим доказать, что это действительно приспособительный признак, то должны точно знать, как эти частные анатомические признаки соотносятся с их функцией. Надо также знать, как изменились кисти рук шимпанзе и людей за время, отделяющее нас с ними от нашего общего предка.

Кисти рук наших предков

Ископаемые кости Арди, датированные временем 4,4 миллиона лет тому назад, могут снова оказаться полезными в попытке понять, как выглядела кисть руки у последнего общего предка шимпанзе и человека. С самого начала надо отбросить идею о том, что эта рука была похожа на руку современного шимпанзе. Кисти рук шимпанзе с тех пор изменились не меньше, а возможно, и больше, чем кисти человеческих рук за миллионы лет, прошедших после ухода с исторической арены нашего общего предка.

У Арди были длинные и слегка изогнутые пальцы, но не такие длинные, как у шимпанзе. Длинные изогнутые пальцы характерны для горилл и шимпанзе; такие пальцы хорошо подходят для захватывания ветвей и повисания на них. У детенышей горилл и шимпанзе фаланги пальцев искривлены очень сильно, но несколько выпрямляются с возрастом. Эти особенности строения отражают способы, какими передвигаются детеныши и взрослые животные. Молодые гориллы проводят на деревьях больше времени, чем более крупные и тяжелые взрослые особи. Можно предположить, что искривленные пальцы могли развиться в ответ на способ их использования. Представляется, что кривизна пальцевых фаланг была полезным приспособительным признаком для обезьян, повисавших на ветвях при передвижении по деревьям: эта кривизна позволяла уменьшить нагрузку на кости.

У горилл и шимпанзе кости пясти, пять продолговатых костей, соединяющих запястье с фалангами пальцев, но спрятанных в ладони, имеют значительную длину, в то время как у Арди, гоминида женского пола, жившей 4,4 миллиона лет назад, кости пясти были короткими. Этот факт позволяет предполагать, что удлинение костей пясти возникло у шимпанзе и горилл независимо, вероятно, как приспособление к вертикальному лазанию по деревьям и повисанию на ветвях. Это пример конвергентной эволюции, когда похожие анатомические признаки появляются у разных видов животных из-за сходства окружающей среды и образа жизни. Короткие кости пясти, как у Арди, способствовали возможности целиком обхватить ветку при осторожном подъеме на дерево. У Арди был мощный большой палец в сравнении с современными африканскими человекообразными обезьянами. Здесь мы видим облик последнего общего предка человека и шимпанзе, и этот предок решительно не похож на шимпанзе – он не передвигался, опираясь на костяшки пальцев, не взбирался на вертикальные древесные стволы и не повисал на ветвях и был скорее похож на орангутана, чем на шимпанзе, но, во всяком случае, отличался от любой из ныне живущих человекообразных обезьян.

Люси и остальные представители вида афарских австралопитеков, жившие позже, чем Арди, от четырех до трех миллионов лет назад, все еще обладали искривленными фалангами пальцев. Несмотря на то что ни у кого нет сомнения в бипедализме австралопитеков, их искривленные фаланги позволяют предполагать, что и они проводили на деревьях немало времени. Возможно, Люси все еще карабкалась на деревья, чтобы полакомиться определенными плодами, а по ночам спала в гнезде на вершине дерева, как это делают современные шимпанзе. Дон Джохансон, открывший Люси, высказывал такое предположение, но предупреждал также, что искривленные пальцы могли просто достаться ей от предков, в качестве эволюционного багажа. Другие особенности строения скелета Люси говорят в пользу справедливости последнего утверждения. Строение позвоночника Люси говорит о том, что она едва ли проводила много времени на деревьях. У шимпанзе и горилл короткий, мощный позвоночник уменьшает риск травм и помогает двигаться среди ветвей. Напротив, у Люси был длинный и гибкий поясничный отдел позвоночника, и это говорит о том, что Люси фактически оставила древесный образ жизни.

Если мы еще раз присмотримся к рукам Люси, то увидим, что ее пальцы были короче, чем у современных африканских человекообразных обезьян, но немного длиннее наших, а ее большой палец был широким на конце, однако был все же не так развит, как у современного человека. По крайней мере у представителей одного из видов австралопитеков кисть руки была больше похожа на человеческую. Кости кисти являются редкими находками при обнаружении ископаемых скелетов, но в Южной Африке был все-таки обнаружен скелет с почти полностью сохранившимися запястьем и кистью. Этот скелет идентифицировали как принадлежавший представителю вида Australopithecus sediba, жившего почти два миллиона лет назад. Рука этого австралопитека выглядит очень современно – у нее короткие пальцы, но длинный и мощный большой палец. Хочется думать, что этот австралопитек умел делать что-то очень особенное такими руками. Несмотря на то что умение изготовлять каменные орудия ученые всегда считали привилегией представителей рода Homo (причем этот взгляд настолько укоренился, что самых ранних представителей этого рода назвали Homo habilis – человеком умелым), последние датировки обнаруженных каменных орудий позволяют предполагать, что изготовлять каменные орудия могли и некоторые австралопитеки. Если говорить о более поздних гоминидах (например, Homo antecessor или о неандертальце), то здесь мы располагаем массой данных об изготовленных ими орудиях, а их руки еще больше похожи на наши (хотя они более мощные) – короткими прямыми пальцами и сильными большими пальцами.

Человеческая рука

Уникальные большие пальцы

Разница между большими пальцами рук людей и других ныне живущих приматов заметна даже без исследования скелетов кисти. У людей большой палец снабжен определенными мышцами, которых нет у других приматов, или они есть, но имеют иное строение. Это касается даже таких наших ближайших родственников, как шимпанзе. У человека между первой и второй пястными костями находится мощная мышца, которая притягивает большой палец к остальным пальцам. Эта «короткая приводящая мышца большого пальца» сильно развивается у людей, привыкших к работе с ручными инструментами, которые приходится крепко охватывать кистью. Я заметила, что эта первая межкостная мышца хорошо развита у археологов, которым приходится перемещать своими ручными лопатками большие массы грунта. Эта мышца становится отчетливо видна, когда человек кладет руку на стол ладонью вниз – в виде выпячивания в промежутке между большим и указательным пальцами. Честное слово, мне приходилось видеть, как археологи мерялись величиной своих межкостных мышц в барах. На самом деле мышца, приводящая большой палец, не является единственной мышцей такого рода. Есть еще одна, мелкая мышца, расположенная рядом с ней и помогающая ей. Называется она первой ладонной приводящей мышцей или мышцей Генле.

Есть еще две мышцы, уникальные именно для человеческой кисти: одна является (дополнительным) разгибателем, который отводит большой палец кнаружи, а другая, начинаясь на передней поверхности предплечья, прикрепляется своим длинным сухожилием, проходящим над запястьем, к последней фаланге большого пальца и является его мощным сгибателем. У других приматов эта мышца тоже есть, но она является частью глубокого сгибателя, который посылает свои сухожилия ко всем пальцам кисти. У людей длинный сгибатель большого пальца является отдельной мышцей. Между прочим, это, кроме всего прочего, очень красивая мышца; сухожилие ее начинается на предплечье, а мышечные волокна прикрепляются к нему сбоку под углом, и в результате мышца становится похожей на старинное гусиное перо.

Почему длинный сгибатель большого пальца выделился у человека в отдельную самостоятельную мышцу? Что именно делает эта мышца? Основной ответ, естественно, заключается в том, что она сгибает большой палец. Многие исследователи предположили, что эта мышца играет исключительно важную роль в одной, присущей только человеку, сфере деятельности: в изготовлении орудий труда.

Уникальные мышцы большого пальца человеческой кисти

Наше совершенное владение технологиями является уникальным, истинно человеческим признаком. Другие животные тоже производят материальную культуру, так что это не абсолютное наше отличие от других видов, но мы должны тем не менее признать, что степень нашего развития в этом отношении ставит нас действительно в уникальное положение. Технологии, которыми мы обладаем сегодня, как небо от земли отличаются от древнейших зафиксированных археологами технологий изготовления каменных орудий, но есть и еще один кардинальный признак человека – это способность передавать следующим поколениям знания и навыки, благодаря чему мы можем надстраивать унаследованную нами культуру. Самые ранние каменные орудия обнаружены в Эфиопии, и их возраст датируется временем около 2,6 миллиона лет назад. Представляется очевидным, что определенные особенности анатомического строения человеческой кисти могут отражать древнюю традицию изготовления орудий труда. Многие ученые увидели связь между умением изготавливать орудия и нашим уникальным длинным сгибателем большого пальца, а также усилением большого пальца, что стало серьезным преимуществом для изготовителей орудий, так как позволяло руке противостоять значительным нагрузкам, связанным с ударами камня о камень с целью получения осколков – острых каменных пластин.

Узнав о некоторых новых интересных исследованиях, связанных со структурой и функцией человеческой руки, я отправилась в США, в Университет Джорджа Вашингтона, чтобы поговорить с Брайаном Ричмондом и Эрин Уильямс. Эти ученые исследовали тогда нагрузки, которые испытывает рука при использовании и изготовлении каменных орудий. В частности, они хотели проверить гипотезу о том, что уникальные особенности строения большого пальца руки человека связаны с изготовлением каменных орудий.

Когда я приехала в их лабораторию, они воспользовались случаем и попросили меня стать еще одним их испытуемым. Эрин прикрепила к моим пальцам, включая и большой, датчики давления. После того как она опутала меня проводами, я попыталась изготовить грубое каменное орудие, в то время как Эрин записывала давление, которому подвергались мои пальцы. Потом мне пришлось воспользоваться сделанными мною каменными пластинками для того, чтобы резать мясо. Вероятно, я была не лучшим объектом для демонстрации распределения давления на кисть при изготовлении каменного инструмента – я, прямо сказать, редко занималась этим ремеслом – и должна сознаться, что это труднее, чем можно предположить, – ударять камнем о камень, чтобы получить острую каменную пластинку нужной формы. К счастью, теперь среди нас есть люди, развившие у себя великолепные навыки древних способов обработки камней, какими (судя по изготовленным ими орудиям) обладали наши палеолитические предки. Брайан и Эрин уже имели возможность изучать давление орудий на руки квалифицированных мастеров этого ремесла, и полученные ими данные оказались неожиданными: в процессе изготовления орудий максимальное давление оказалось приложенным к пальцам, особенно к указательному и среднему, но воздействие на большой палец оказалось не слишком сильным.

Напротив – и мой результат подтвердил общую тенденцию – нагрузка на большой палец резко возросла, когда я принялась использовать сделанную мною каменную пластинку. Естественно, я зажала ее согнутым указательным пальцем и подвела под него большой палец, чтобы усилить хватку. Измерение давления показало, что мне приходилось сильно прижимать большой палец, чтобы удержать каменную пластинку, острым краем которой я резала кусок мяса. Именно в этой ситуации давление на большой палец было выше давления на остальные пальцы, а вовсе не при изготовлении каменных орудий.

Это весьма интересные данные, так как в сравнении с руками шимпанзе (и, вероятно, с руками наших последних общих с шимпанзе предков) наши большие пальцы мощнее и способны к более сильному захвату предметов кончиками большого и указательного пальцев (захвату, как пинцетом). Отчасти сила такого захвата обусловлена уникальным строением человеческого длинного сгибателя большого пальца. Представляется, что наши сильные большие пальцы развились под давлением отбора, связанного с использованием, а не изготовлением каменных орудий.

Посмотрите на свою руку. В ее строении заметны отголоски признаков наших очень далеких предков, а также признаков, общих для нас и других приматов, видны в ней и особенности, присущие только нашему виду – человеку разумному. Мы располагаем пятью пальцами, это исходное, первобытное число, унаследованное от древнего предка после всех бесчисленных экспериментов эволюции с пальцами рук и ног таких созданий, как самые древние, похожие на тритонов тетраподы (например, Acanthostega). Мышцы, позволяющие нам двигать запястьем и пальцами, есть и у ныне живущих амфибий. Тем не менее, в отличие от этих существ, мы способны противопоставлять большой палец другим пальцам. Это не исключительный признак человека, так как противопоставление большого пальца – правда, лишь в той или иной степени – свойственно большинству приматов. Еще один признак приматов – это ногти вместо когтей. Но есть у нас и недавние признаки, возникшие на заключительных этапах эволюции человека, включая мощный большой палец и уникальную мышцу, которая вылепила из нашей конечности руку, способную изготавливать и использовать инструменты. Посмотрите еще раз на свою руку, подвигайте ею. Она хранит в себе всю свою эволюционную историю.

Сотворение человека Обнаружение нашей ветви на древе жизни

Возвышенное в Человеке, Зенит его величия – в познании себя, В познании частей и отношений чудесного единства.

Кольридж

В конце нашего анатомического путешествия вы можете еще раз взглянуть на свою руку и увидеть в ней не только нечто удивительное, возникшее из крошечной почки конечности развивающегося эмбриона, но и сложную структуру, развившуюся из рыбьего плавника в течение миллионов лет, на протяжении миллионов поколений. Но какими бы непохожими на других животных мы себе ни казались, каждый из нас тем не менее сформировался под действием тех же сил, что воздействовали на все другие формы жизни нашей планеты. Все мы – производные от действия механизмов развития, создающих целостный человеческий организм из единственной оплодотворенной яйцеклетки. На великой шкале времен мы являемся производными эволюции; от различающей цвета сетчатки, от сердца и легких до кончиков пальцев пружинящих стоп и пальцев ловких и умелых рук. В нашей анатомии сокрыта долгая и очень глубокая история. Как прекрасно сказал по этому поводу Терри Пратчетт: «Мы сами – история! Все, чем мы становились на своем пути к человеку, все еще существует в нас»[17].

Ощущение этого чуда ожило во мне после рождения детей: как это удивительно – чувствовать себя хозяйкой дома, где происходит необыкновенный акт творения, этот невероятный, похожий на развертывание оригами процесс, в котором ресурсы моего организма идут на построение нового крошечного человека, который через девять месяцев покидает этот уютный дом и появляется на свет. Мы до сих пор пытаемся понять, как именно это происходит. На самом деле это фундаментальный, основополагающий вопрос, и все малыши рано или поздно его задают: «Откуда берутся дети?» И нам, взрослым, приходится каждый раз заново формулировать ответ, стараясь быть честными, и отвечать так, чтобы ответ был понятен и интересен ребенку.

Мы уже раскрыли многие тайны нашей «новейшей» истории, истории нашего эмбрионального развития. Мы уже довольно давно знаем, как возникает эмбрион – от слияния яйцеклетки и сперматозоида; от появления скопления клеток, которое превращается в диск, затем свертывается в телескопический цилиндр, из которого начинают расти зачатки конечностей; мы знаем, что клетки внутри растущего зародыша размножаются, мигрируют и погибают, создавая ткани и органы человеческого организма. Лишь совсем недавно эмбриологи наконец поняли, как происходит этот процесс; что именно заставляет клетки делиться, двигаться и совершать самоубийство. Мы только сейчас начинаем понимать, каким образом ДНК направляет процесс развития. Генетики недавно научились определять последовательность нуклеотидов в целом человеческом геноме, а в настоящее время интенсивно трудятся, чтобы понять, как все гены, работая совместно и взаимодействуя с окружающей средой, превращают яйцеклетку в ребенка (а в конце концов и во взрослого человека). Чем больше мы узнаем, тем более сложной представляется проблема; выяснилось, что важны не только гены, но и участки ДНК между ними, и именно эти участки регулируют активность генов. Мало того, модификация молекул ДНК может происходить и в течение жизни, а это порождает иной уровень регуляции и иной уровень сложности; эти процессы изучает новая наука – эпигенетика.

Иногда нам кажется, что мы прошли долгий и тяжкий путь познания со времен Аристотеля, но нам предстоит не менее долгий путь, прежде чем мы познаем суть этого биологического чуда. Несмотря на то что старые идеи эпигенеза и преформации были признаны устаревшими в свете тех знаний об эмбриональном развитии, которыми мы теперь располагаем, оказалось, что в этих идеях было все же зерно истины.

Когда микроскоп позволил биологам воочию увидеть сперматозоид и яйцеклетку, стало ясно, что начало жизни – это не просто смешение жидкостей, как предполагала теория эпигенеза Аристотеля. Однако потом выяснилось, что ни в яйцеклетке, ни в сперматозоиде нет ничего, даже отдаленно напоминающего миниатюрного человека. Преформированного человека не нашли ни в гаметах, ни в оплодотворенной яйцеклетке. Ранний эмбрион не был похож ни на ребенка, ни тем более на взрослого человека. В XVIII веке Каспар Вольф разглядел сложность, развивающуюся из простых начал, по мере того как образуется шаровидное скопление клеток, которое постепенно трансформируется в дифференцированные ткани. Детальная структура появляется в эмбрионе постепенно, развиваясь естественно, подобно тому как распускаются причудливые узоры из замерзающей на оконном стекле воды.

Вольф оказался прав: эмбриогенез – это синоним дифференцировки, начинающейся со стволовых клеток и заканчивающейся образованием дифференцированных тканей – кожи, мышц, костей, хрящей, нервов и др. Но и первая клетка организма, оплодотворенная яйцеклетка, не является такой простой, какой она кажется под световым микроскопом. Теперь мы знаем, что яйцеклетка содержит код – ДНК, необходимый для построения целостного организма. Так не возвращаемся ли мы тем самым к теории преформизма, хотя и на более высоком уровне? Да, в яйцеклетке нет крошечного человечка, но определенная и очень сложная структура там есть – а именно рецепт изготовления человека. «Идея» человеческого тела уже заключена в оплодотворенной яйцеклетке, заключена с самого начала, и записана она четырехбуквенным кодом ДНК. Эта «идея» не является чертежом или планом тела; скорее это последовательность инструкций, приводящих к порождению формы. Таким образом, процесс на самом деле похож на изготовление оригами: набор простых инструкций может привести к созданию сложной формы.

Теперь мы вплотную подошли к эпигенезу; простые вещи снова усложняются, но это не возникновение морозного узора на стекле, а куда более целенаправленный процесс: ДНК оплодотворенной яйцеклетки содержит все инструкции, необходимые для сложного роста, и управляет этим процессом. Правда, это слишком упрощенное и слишком гладкое объяснение: оно предполагает, что в развитии организма генетика решает все, но теперь мы знаем, что и это не так. Генетически идентичные близнецы развиваются не вполне одинаково, и разница между ними возникает вследствие взаимодействий ДНК со средой, окружающей живое существо. Окружающая среда играет важную роль в развитии эмбриона внутри матки, но роль окружающей среды многократно возрастает после рождения ребенка. ДНК не диктует мельчайшие детали строения тела (включая и головной мозг); ДНК выдает достаточно гибкие инструкции, задающие лишь общие параметры. Это важно, потому что такие инструкции позволяют внедрять новшества, иногда достаточно заметно менять строение тела, обходясь при этом без генных мутаций. Вспомните гипотетический пример изменений организма наших предков при освоении ими бега.

Наше эмбриональное развитие глубоко и неразделимо переплетено с нашей древней историей. В эмбриональном развитии мы не проходим всю последовательность нашей эволюционной истории, но невозможно игнорировать эмбриональное эхо наших древних предков, звучащее в наших зародышах. Эти отзвуки возникают и пропадают – сегменты, как у членистоногих, сменяются жаберными дугами, рыбьим сердцем и мозгом ланцетника – по мере развертывания невероятной трансформации от единственной яйцеклетки до сложного человеческого тела. Эволюционная биология развития занимается сопоставлением эволюционного и эмбрионального развития: филогенеза и онтогенеза. Параллели между двумя историями развития – изменениями вида с течением времени и изменениями в течение эмбрионального развития конкретного индивида – были замечены давно, но достижения молекулярной биологии означают, что теперь биологи могут вскрыть генетические основы изменений, происходящих как в процессе эволюции, так и в процессе эмбрионального развития.

Эрнст Геккель предположил, что эмбрион повторяет (рекапитулирует) эволюционную историю своего вида; в противоположность Геккелю, Карл Эрнст фон Бэр предложил другую идею: идею дивергенции и дифференцировки. Эмбрион в какой-то степени повторяет эмбриональное развитие своих древних предшественников, а не их взрослые формы. Это утверждение обретает смысл, если мы представим себе, что эволюционные изменения развиваются в дополнение к уже имеющимся признакам, или представим себе изменения в виде изменения временных показателей развития.

Археологи часто говорят о местах нахождения останков древних людей и животных как о палимпсестах, так как на местах древних стоянок следы разных исторических фаз залегают расположенными друг над другом слоями. Это очень меткая аналогия: палимпсест – это древняя рукопись, которую стерли, а поверх стертого нанесли новый текст. Греческое слово «палимпсест» означает «написанное заново». Для археологических раскопок сравнение с палимпсестом представляется абсолютно корректным – каждое следующее поколение «стирает» прежнюю «запись» и оставляет свою собственную. Эмбриональное развитие можно уподобить несколько более сложному современному палимпсесту. Аналогия сработает, если мы представим себе документ, записанный с помощью программы для редактирования текста. Документ изменяется со временем; к нему добавляются новые слова, вычеркиваются отдельные буквы, и эти незначительные изменения могут существенно изменить смысл написанного. Не будет ничего удивительного в том, что, читая этот текст, вы будете отмечать его сходство с более ранними его вариантами. Ранний человеческий эмбрион – скопление клеток, в виде которого он существует первую неделю развития, – практически ничем не отличается от зародыша любого другого позвоночного животного. Раннее сердце человеческого эмбриона похоже на эмбриональное сердце акулы (впрочем, как и на сердце взрослой акулы). Однако на восьмой неделе эмбрионального развития человеческий эмбрион уже отчетливо напоминает человека.

Восьминедельный человеческий эмбрион

Маловероятность бытия

Эволюция происходит в результате мелких изменений в ходе эмбрионального развития организмов, при этом работает эволюция как мастер, который кое-как, на глазок, подправляет то, что кажется ему не совсем удачным. Такой подход кажется весьма опасным, и это на самом деле так, ибо многие генетические мутации производят абсолютно нежизнеспособное потомство. Вероятно, это происходит намного чаще, чем мы думаем. Действительно, невозможно знать, сколько беременностей заканчиваются неудачно, потому что аномальные эмбрионы теряются очень рано, в течение двух-трех недель после оплодотворения, иногда даже не приводя к нарушению менструального цикла или приводя лишь к задержке или выпадению очередной менструации. Подсчитано, что неэффективными оказываются около половины всех зачатий, при этом большая часть их остается незамеченными. Считается, что в половине таких случаев в эмбрионе происходят значительные хромосомные нарушения. Выкидыши, в принципе, работают как естественная скрининговая программа. Если бы не было выкидышей, то врожденные аномалии встречались бы не в 2 % случаев, как сейчас, а в 12 %. Выкидыши, естественно, не всегда происходят в такие ранние сроки, как две-три недели; приблизительно пятая часть беременностей заканчивается выкидышем на сроках до двенадцати недель.

Родители говорят об этом нечасто, но именно это иллюстрирует крайне низкую вероятность нашего бытия: после того как этот конкретный сперматозоид оплодотворил эту конкретную яйцеклетку, она сумела отыскать путь в матку, надежно имплантироваться в ее стенку и развиваться там без нарушений до момента рождения.

Учитывая, насколько сложным является эмбриональное развитие, зависящее как от взаимодействия генов, так и от свойств развивающихся тканей, а эти свойства зависят от того, насколько тесно прилегают друг к другу их клетки, остается только удивляться, что генные мутации не нарушают этот процесс еще чаще. Важно понимать, что у этих мелких изменений и «починок» есть свои пределы. Возможности изменения и без того сложного организма весьма сильно ограничены. Эти ограничения встроены в механизмы развития – с точки зрения генов есть механизмы, которые могут работать, и механизмы, которые работать не могут. То же касается и ограничений, наложенных на природу биологических материалов, а это означает, что будущее любого вида не сулит ему неограниченных возможностей развития. Следует еще раз подчеркнуть, что естественный отбор далеко не столь всевластен в определении направления эволюции, как можно было бы вообразить. У естественного отбора, в свою очередь, достаточно ограниченный выбор.

Ограниченная природа эмбрионального развития означает также, что индивидуальные признаки варьируют не произвольно, не вне зависимости друг от друга. Надо соблюдать осторожность, анатомируя организм и глядя на каждый из его признаков с точки зрения эволюции: индивидуальные признаки не появляются изолированно, они никогда не создавались для независимой, самостоятельной деятельности, и некий признак, который выглядит как независимая важная анатомическая структура, так как отличается от признаков других животных, может на деле оказаться лишь причудливой аномалией развития.

Для иллюстрации этого положения Стивен Джей Гоулд использовал архитектурную аналогию, приведя в пример собор Святого Марка в Венеции, где мы видим треугольные пространства между капителями колонн и сводом купола. Эти пространства называются «пазухами свода». Пазуха не является важной частью архитектурного облика, она появляется просто вследствие того, что надо каким-то образом заполнить пространство между капителью колонны и контуром свода. Но уж коль скоро эти пазухи есть, то их используют. Например, в соборе Святого Марка на пазухах свода изображены четыре евангелиста.

Смысл утверждения и аналогии Гоулда заключается в том, что не все признаки организмов возникли непосредственно в результате естественного отбора. Многие признаки появляются «попутно» – то есть являются такими же побочными феноменами, как пазухи сводов, сопутствующими другим признакам, которые были отобраны (эти признаки являются биологическими эквивалентами капителей и свода купола собора Святого Марка). Важно не увлекаться идеей о всесилии адаптации, потому что не все анатомические и поведенческие черты являются прямым результатом естественного отбора. Некоторые элементы «конструкции» нашего организма на самом деле являются пазухами – возможно, они появились по неким конструктивным причинам, как пазухи Сан-Марко, или, возможно, они появились в результате ограниченности биологического материала, использованного на построение организма, или, что тоже возможно, для построения использовалось ограниченное количество генетической информации. Эти ограничения играют важную роль в определении формы тела и его частей. Естественный отбор может выбирать только среди возможных вариантов, и вариации уже определены ограничениями еще до того, как в игру вступает естественный отбор. Мы должны всегда иметь в виду, что каждый данный признак может быть не проявлением адаптации, а простой «пазухой». Даже те признаки, которые Дэн Либерман определял как специфически адаптивные к бегу, могут быть всего лишь «пазухами». Длинные ноги, крупные мышцы ягодиц и спины могли быть просто побочным эффектом увеличения массы тела представителей вида Homo erectus. По мере того как мы будем больше узнавать о генетике развития, мы сможем с большим основанием судить о том, является ли какой-то данный признак приспособительным, или это просто «пазуха свода».

Эволюционная история организма и механизм развития эмбриона вместе накладывают ограничения на развитие, то есть в любой данный момент эволюция может пойти по ограниченному числу путей. Наряду со схожестью близкородственных животных, обитающих в одинаковых природных условиях, это означает, что нам не стоит удивляться примерам конвергентной эволюции, когда сходные эволюционные приобретения независимо возникают у нескольких разных видов.

Приведу один удивительный пример: похоже, что среднее ухо млекопитающих животных – с его тремя слуховыми косточками – возникало по меньшей мере четыре раза у четырех разных, хотя и родственных, видов. Возвращаясь к нашим кузенам, человекообразным обезьянам, мы, вероятно, не должны удивляться тому, что сходные способы локомоции возникали независимо друг от друга у разных, хотя и близкородственных видов. Для некоторых крупных приматов хождение по земле с опорой на костяшки пальцев передних конечностей было вполне очевидным решением. При преимущественно древесном образе жизни больший смысл приобретало умение повисать на руках и перемещать вес тела с помощью двух нижних конечностей. Приспособление к этим типам поведения возникало, вероятно, параллельно, а не последовательно, в качестве признака, унаследованного от какого-то одного общего предка. Вполне вероятно, что такие древние обезьяны, как Oreopithecus, перемещались по земле на двух ногах, как и мы, гоминиды. Вероятно, бипедализм не является сугубо человеческим признаком, как было принято думать раньше, – на самом деле он, вероятно, возникал не раз у представителей нескольких эволюционных ветвей приматов, так же как среднее ухо млекопитающих. Всегда существовали как ограничения развития, так и его преимущественные направления, особенно среди нескольких родственных видов, обитавших в сходных природных условиях, – и поэтому нет ничего удивительного в том, что одинаковые решения могли возникать независимо друг от друга по нескольку раз.

Может показаться, что такие ограничения делают эволюцию весьма предсказуемой, так как если определенные признаки имеют место, то к ним, вероятнее всего, присоединятся и другие из того же набора. Однако нельзя сбрасывать со счетов возможность случайных событий, оказывающих огромное воздействие на пути развития видов, причем воздействие, не отличающееся отсеивающей точностью естественного отбора. В результате катастрофического массового вымирания может полностью исчезнуть вид или группа видов, успешных до происшедшей катастрофы, и перспективы других видов существенно изменятся. Катастрофа, уничтожившая динозавров, была одним из таких непредсказуемых событий. Не имеет никакого значения, насколько хорошо ты приспособлен к окружающей среде в эволюционном плане, если тебе на голову падает метеорит. Так, 66 миллионов лет назад в районе мексиканского полуострова Юкатан упал Чиксулубский астероид, после чего дни динозавров были сочтены. Последствия столь массового вымирания предсказать невозможно, но после падения Чиксулубского астероида небольшая группа животных – наши млекопитающие предки – оказались способными размножиться, дать начало множеству разных видов и расселиться в экологических нишах, освободившихся после вымирания многих видов. Если бы этого события не произошло, то вероятность появления человека, наверное, была бы исчезающе мала.

Люди – хозяева собственной судьбы

Присматриваясь к другим животным, мы часто видим создания, которые, кажется, беспомощно влекутся потоком эволюции, приспосабливаясь к изменяющимся условиям, и как бы просто плывут по течению. Потом мы смотрим на себя и обнаруживаем вид, который способен бороться с течением: мы изменяем окружающую нас среду, а не приспосабливаемся к ней. В какой-то степени это верно, но мы не уникальны в нашей способности изменять под себя среду нашего обитания, и то, что мы делаем ради изменения среды, может на самом деле в конце концов изменить нас самих.

Наши руки разительно отличаются от рук шимпанзе. Наши пальцы короче, наши большие пальцы длиннее, крепче и толще. Особое строение человеческой кисти могло возникнуть в результате генной мутации, приведшей к положительным изменениям, которые резко ускорились после того, как наши предки начали пользоваться каменными орудиями. Легко себе представить, как могла видоизмениться человеческая рука (в пределах жизни одного человека) в процессе изготовления и применения каменных орудий. Также легко представить себе, как использование орудий могло повысить шансы на выживание и размножение, а естественный отбор стимулировал бы генные, эволюционные изменения.

Однако от этих первых, приспособительных изменений мышц и костей до генетических изменений, сохранивших эти приспособления в геноме, долгий путь, и здесь речь идет не просто о прямом взаимодействии организма и его окружения. Их взаимодействие опосредовано, и этот посредник – культура или, если угодно, технология. Наши руки были сформированы орудиями, которые делали и применяли наши предки. Мы привыкли думать о себе и своих организмах как о системах, приспособленных к окружающей среде. Мы считаем, что естественный отбор способствует выживанию наиболее приспособленных – индивидов, имеющих преимущества в плане выживания и наилучшим образом адаптированных к окружающей среде. Думаю, что всякий раз, когда мы используем слова «окружающая среда» в отношении к эволюции, мы невольно представляем природную среду обитания. Когда мы говорим, что животное адаптировано к окружающей среде, мы включаем сюда территорию, определенные растения, возможно, также потенциальную добычу и врагов-хищников. Но это отнюдь не весь контекст существования нашего животного. Окружающая его среда включает также и животных того же вида, которые могут быть соперниками, союзниками, врагами или половыми партнерами – или играть эти роли попеременно в разные периоды времени. Для того чтобы выживать и процветать, наше животное должно быть хорошо «приспособлено» к своему социальному контексту.

Идея о том, что животные влияют на свое собственное окружение способами, важными для выживания и эволюции, есть то, что Ричард Докинз назвал «расширенным фенотипом». Конечно, многие животные тоже изменяют и модифицируют окружающую их среду доступными им способами для повышения шансов на выживание; лисы и кролики роют в земле норы, где прячутся от охотников и хищников, где греются холодными ночами и зимой, а также в безопасности выхаживают своих относительно беспомощных и неопытных детенышей. Легко представить себе, что для лисы или кролика умение рыть нору – к чему у них есть наклонность и соответствующее анатомическое оснащение – составляет важное преимущество в деле выживания этих животных и их потомства. Птицы строят великолепные гнезда, что дает им такие же преимущества и привилегии в выживании. Некоторые шимпанзе применяют камни для того, чтобы раскалывать орехи, и палки для того, чтобы выуживать термитов из их термитников; без применения палок этот вид пищи остался бы недоступным для обезьян. Все эти виды деятельности – рытье нор, плетение гнезд и использование орудий для добывания пищи – предоставляют преимущества животным, которые ими занимаются. Мы не станем отказываться от идеи о том, что их анатомия и физиология развивались так, чтобы быть в состоянии заниматься рытьем нор, строительством гнезд и применением элементарных орудий, и отбор шел именно в этом направлении, отсеивая тех особей, которые оказывались неспособными к такого рода деятельности.

Если же мы теперь под тем же углом зрения посмотрим на наш собственный вид, то уже не удивимся тому, что на строение и функции нашего организма сильно повлияло то, чем занимались наши предки, и те вещи, которые они изготавливали, что и обеспечило им преимущества в выживании. Действительно, этот фактор играл в эволюции человека намного большую роль, нежели в эволюции любого другого животного, так как мы оказали наибольшее влияние на среду, в которой обитаем. Окружающая среда, несомненно, сформировала нас, но и мы видоизменяли среду, которая видоизменяла нас.

Наша рука сформировалась под влиянием созданных нами технологий, потому что эти технологии играли важную роль в нашем выживании, обеспечивая успешность нашего вида. Таким же образом был сформирован наш мозг – он развивался под влиянием способов мышления и производства, оказавшихся эволюционно выгодными для наших предков.

Наша технология и культура становятся частью окружающей среды, в которой мы живем. Сейчас наступила эра всемирной сети, в которой мы можем быстрее и шире, чем когда-либо раньше, обмениваться идеями – теперь представьте себе, как наша технология сможет изменить в будущем строение и функцию человеческого мозга. Мозгу новорожденного предстоит долгий путь развития, и частью этого развития является уменьшение количества связей и нейронов и консолидация определенных проводящих путей; надо еще добавить, что все это происходит в определенном социальном и культурном контексте. Невозможно, чтобы наш разум, наше сознание формировались в отрыве от культуры и технологии – самой природой они предназначены для развития именно в такой обстановке. Вспомним афоризм Майкла Томаселло: ребенок рождается на свет в ожидании культуры точно так же, как рыба рождается на свет в ожидании воды. Мы с полным основанием тревожимся о том, что время, проводимое за компьютером, отрывает нас от другой деятельности, от реального, а не виртуального общения, от физической активности, от прогулок на природе. Мы не зря испытываем беспокойство по поводу потенциально вредного влияния этого занятия на наших детей. Думаю, что наши тревоги вполне оправданны, но мы при этом не должны бояться самой технологии как таковой – она часть нашей окружающей среды, и наши дети растут в ней, пусть она и отличается от среды, окружавшей их родителей. Противников технологии, возможно, отрезвит напоминание о том, что такие же тревоги возникли в обществе после изобретения книгопечатания и начала издания печатных книг. Слава богу, человеческий мозг обладает удивительной приспособляемостью, а это означает, что наши дети усвоят новые знания, навыки и понимание – новые способы мышления, – что позволит им адаптироваться к изменяющейся культурной среде. Не стоит также считать, что мозг взрослого человека окончательно застыл и неспособен к развитию: наш мозг до конца дней обладает нейронной пластичностью, включая и способность образовывать новые связи.

Уникальность человека

Размышления о мозге направляют наше внимание на ту часть человеческого организма, которую мы на самом деле считаем уникальной. Нет никакого сомнения в том, что мы вообще любим думать о себе как о каких-то особенных существах, но что это реально означает? В широком смысле слова Homo sapiens действительно уникален как биологический вид; мы обладаем уникальным сочетанием признаков – умением привычно ходить на двух ногах, ловкими руками и массивным мозгом. Но разве не уникален любой другой биологический вид? В этом весь вопрос, не так ли?

Многочисленные гипотезы, допускавшие, что некоторые признаки являются исключительно человеческими, оказались неверными, или, по крайней мере, не совсем верными при ближайшем рассмотрении. Гипотеза акушерской дилеммы предполагает, что женский таз стал жертвой перетягивания каната между требованиями прямохождения и рождением ребенка с большим мозгом. Гипотеза дорогой ткани предполагает, что у человека слишком маленькие для обезьяны кишки, но это не вполне соответствует действительности. Даже регулярное хождение на двух ногах оказалось не уникальным человеческим признаком, ибо на двух ногах ходил по земле ореопитек, и было это задолго до появления гоминид.

Многие признаки, считавшиеся прежде исключительно человеческими, оказались лишь количественными, а не качественными отличиями. Другие обезьяны тоже время от времени перемещаются на двух ногах, но только мы делаем это регулярно. У приматов большой мозг в сравнении с остальными млекопитающими, а наш мозг развился в этом отношении немного больше. Эта разница в степени развития признаков, конечно, имеет значение, особенно если понять, что человеческий организм – это результат долгого развития. Человеческий организм – это не новое творение, он не появился ниоткуда, так же как не появилась ниоткуда ни одна анатомическая структура нашего тела. Наш разум, как нам представляется, качественно отличается от разума наших ближайших, ныне живущих родичей, и это порождает важный вопрос: когда произошло это изменение?

Скорее всего, «человеческий разум» в том виде, в каком мы его знаем, развивался постепенно. Так же постепенно, как и другие свойства из «пакета человеческих признаков», таких, как бипедализм, длинная и гибкая поясница, низкие плечи, большой мозг и т. д. Все эти свойства не появились сразу, словно чертик из табакерки, они возникли в ходе постепенного, мозаичного процесса. Разум наших предков вовсе не внезапно стал обладать истинно человеческим сознанием.

В современной биологии идея линейного прогресса, начиная с «низших» животных и кончая «высшими», была заменена концепцией буйно ветвящегося древа жизни. Однако идея о линейной scala naturae, целью и верхней ступенью которой является человек, оказалась очень живучей. Из-за того, в частности, что мы на самом деле оказываем громадное влияние на окружающую нас природу, мы испытываем сильнейшее искушение считать себя венцом эволюции. В начале ХХ века так считало большинство биологов-эволюционистов, рисовавших человеческую эволюцию как естественное расширение тенденций в эволюции приматов, как неизбежное и прогрессивное развитие. Но обнаруженные в 1950-х годах окаменелые костные останки помогли вскрыть совершенно иную историю, историю, в которой на развитие видов сильно влияли непредсказуемые изменения окружающей среды. Эволюция человека оказалась полной разнообразных непредвиденных случайностей.

Во второй половине ХХ века, по мере обнаружения новых костных останков ископаемых гоминид, наше семейное древо стало довольно интенсивно заселяться все большим числом видов, и выяснилось, что наши отличительные признаки достались нам отнюдь не в виде одноразового «пакета». Хождение на двух ногах возникло за миллионы лет до увеличения объема головного мозга. Тем не менее ученые, занимавшиеся эволюцией человека, продолжали искать определяющий момент истинного возникновения человечества, так сказать «адаптивный сдвиг», направивший наших предков по новому пути развития. В 1960-х предположили, что таким сдвигом стал переход к охоте и употреблению в пищу мяса. Это новое поведение и предопределило появление человека. Сегодня такие идеи кажутся весьма причудливыми и напоминают историю поисков мифического Святого Грааля. Если дорога в ад вымощена благими намерениями, то путь к человечеству вымощен многочисленными, порой малозаметными, изменениями в поведении, физиологии, анатомии – и в сознании. Глупо искать что-то одно, какую-то одну вещь, которая могла толкнуть целую группу живых существ в абсолютно новом направлении эволюционного развития. Как бы то ни было, такое «направление» становится очевидным лишь при ретроспективном взгляде. Видимо, возможно идентифицировать и выделить ключевые инновации, но все равно остается крайне маловероятным, что одно изменение способно объяснить большую часть отличий человека от его ближайших, ныне живущих сородичей.

Как и всякий другой биологический вид, Homo sapiens представляет собой вариацию на определенную тему – как животное, как позвоночное животное, как млекопитающее животное и как примат. Однако многие виды обладают признаками, которые выделяют их на фоне остальных, признаками уникальными и необычными, делающими их непохожими на других. Например, у павлинов – это длинный и роскошный хвост у самцов, у людей – это наш невероятно большой мозг и то, что мы научились делать с его помощью. Многие наши телесные функции и анатомические структуры, их осуществляющие, – от процессов пищеварения в кишечнике до способа, каким сердце гонит кровь по организму, и до восприятия сетчаткой световых волн определенной длины – невероятно схожи с тем, что мы видим у человекообразных обезьян и даже у других млекопитающих. Но наш мозг так велик, так переполнен знаниями, мыслями и чувствами, что мы всерьез уверены, что находимся – в этом отношении – вне досягаемости для любого другого животного. Но действительно ли наш разум так уникален?

Насколько нам известно, когнитивные способности человека действительно уникальны среди ныне живущих животных, но даже если мы можем быть уверенными в том, что нам присущ уникальный набор признаков, начав анализировать разные аспекты нашей психологии, мы обнаружим, что разница между нашим сознанием и сознанием других животных выражается лишь разницей в степени его развитости, а не в нашей абсолютной уникальности, абсолютном отличии от ментальных состояний других живых существ. Даже шимпанзе, как представляется, имеют некое подобие «теории сознания» – способность оценивать мысли и намерения других особей; это напоминание о том, что и другие существа обладают сознанием, включающим мысли, чаяния и надежды.

Вероятно, есть разница в глубине, с какой работает эта «теория сознания» у шимпанзе в сравнении с человеком. Но это означает и то, что – повторим это еще раз – речь идет о разнице в степени различия, а не в абсолютном различии. Мы не настолько отличаемся от других, не настолько уникальны, как можно было бы думать. Конечно, эта мысль огорчает, и она является главной причиной того, что многие люди находили (а в местах, которых не коснулось просвещение, находят и до сих пор) дарвиновское описание и объяснение эволюции невероятным и невозможным. Мы не являемся уникальными созданиями, выделенными из остальной природы, как бы нам ни нравилась эта мысль.

В 1860 году Томас Генри Гексли, «бульдог Дарвина», неожиданно оказался вовлеченным в спор со своим противником, архиепископом Сэмюелем Уилберфорсом. Дело происходило в Оксфордском музее естественной истории. По ходу обмена мнениями Уилберфорс обрушился с нападками на теорию эволюции и спросил Гексли, с какой стороны – с материнской или отцовской – он считает себя произошедшим от обезьяны. Что было дальше, разные источники описывают по-разному, но согласно одной из версий события, Гексли буркнул: «Господь предал его в руки мои», а затем встал и ответил: «Я предпочел бы быть потомком двух обезьян, нежели человеком, боящимся смотреть в глаза истине».

Неужели нам до сих пор неловко думать о себе как об обезьянах, млекопитающих, позвоночных? Но ведь мы и то, и другое, и третье. Через 134 года после стычки Гексли с Уилберфорсом в Оксфорде антрополог Мэтт Картмилл написал: «Попытка показать, что все человеческие признаки либо в зачаточном состоянии, либо параллельно существуют в жизни и адаптивных признаках наших братьев животных… по сути, означает сомнения в реальном существовании моральной границы, которая отделяет людей от зверей. Главное заключается в нашем отношении к размыванию этой границы – мы можем либо бояться, либо приветствовать его».

Найти свое место

Мы – обезьяны, добившиеся впечатляющих успехов, и я не собираюсь это отрицать. Это очень необычно, что один вид обезьяны сумел достичь таких поразительных результатов. Мы создаем удивительные вещи, включая произведения изобразительного искусства, музыки и литературы, мы создаем технологии, увеличивающие наши шансы на выживание, размножение и долголетие.

Но так же, как мы – в качестве индивидов – не будем жить вечно (как ни тяжело смириться с этой мыслью), так и наш вид не будет существовать вечно. Мы слегка замедлили темп эволюции, немного отвели в сторону косу смерти, которую мы называем естественным отбором, – по крайней мере, в развитых странах, но даже в таких привилегированных местах, где каждый ребенок имеет большие шансы выжить и дожить до взрослого состояния, всегда будет разница в числе детей в разных семьях, а эта разница будет изменять частоту распределения генов в популяции. Так что эволюция пусть даже и медленно, но будет продолжаться.

Возможно, что с нами не произойдет каких-либо значимых изменений – во всяком случае, в нашем анатомическом строении, – ибо мы находимся в том привилегированном положении, в котором можем контролировать и поддерживать стабильность окружающей нас среды. Мы можем стать живыми ископаемыми – подобно подковообразным крабам или целакантам – в то время, как рядом с нами будут возникать и исчезать новые виды животных. Мы дали себе реальный шанс переживать местные природные катаклизмы, так как смогли распространиться по всему земному шару и размножиться до численности в десяток миллиардов. Однако в конечном счете вполне вероятно, что какое-нибудь катастрофическое изменение в нашем окружении, которое – будем смотреть правде в глаза – может оказаться и рукотворным, драматически поменяет правила игры. (Можно вспомнить в связи с этим судьбу динозавров и Чиксулубский астероид.) В такой момент наш вид может исчезнуть или сократиться до нескольких маленьких очагов населения, которое будет зависеть от условий окружающей среды, и будет жить в местах, которые останутся пригодными для жизни. В таких убежищах естественный отбор снова наточит свою косу и примется за работу, и тогда эффект дрейфа генов может оказаться разительным. В таком случае будущий облик человечества будет сильно отличаться от его нынешнего воплощения.

Я не собираюсь доставать из-под полы хрустальный шар и пытаться предсказывать будущее нашего вида – эволюция слишком непредсказуема, так же как события галактического масштаба, – но я все же могу сделать несколько предсказаний относительно того, что с нами не произойдет в ближайшем будущем: у нас не появятся дополнительные пальцы на руках и ногах; пятипалость слишком глубоко внедрена в наш геном, и изменения в этом отношении очень маловероятны. У нас не вырастут крылья и дополнительные ноги – по тем же причинам. До тех пор пока мы будем обладать современными технологиями, позволяющими согреваться в холодном климате (дома, печи, одежда), мы не обрастем шерстью – если, конечно, по какой-то необъяснимой причине не начнем считать это привлекательным.

Предсказать нашу эволюционную судьбу так же трудно, как было бы трудно 66 миллионов лет назад предсказать, что некоторые млекопитающие, которые в те времена прятались в глубоких норах от динозавров, разовьются до мартышек, а те, в свою очередь, до человекообразных обезьян, а некоторые из них станут двуногими пешеходами с умелыми руками и чрезвычайно умным мозгом. Мне не кажется, что случайности и непредвиденные обстоятельства (которые все равно присутствуют, несмотря на все ограничения) эволюции не должны заставлять нас чувствовать себя никчемными или малозначительными. Что касается меня, то я счастлива, что живу. Вы только представьте себе, как легко могло случиться так, что нас не было бы вовсе.

В эволюционной истории нашего вида было бесчисленное множество моментов, когда обстоятельства могли принять иной оборот, или наша ветвь генеалогического древа могла засохнуть и не добраться до современной кроны древа жизни. Шансы зачатия конкретного человека мизерно малы. Начало человека зависит от того, что один сперматозоид из миллионов находит путь к одной яйцеклетке, которая высвободилась из материнского яичника в этот месяц. На месте одного сперматозоида легко мог оказаться другой.

В то время как каждый из нас может чувствовать счастье жизни, на всех нас лежит тяжкое бремя ответственности. У нас очень глубока теория понимания чужого разума, которая позволяет оценивать намерения и цели других людей. Мы способны понимать и передавать друг другу абстрактные идеи. Мы ощущаем влияние наших действий и поступков – причем не только непосредственное и индивидуальное, но и коллективное и глобальное, это ощущение заложено в нас жаждой познания, которое мы называем наукой.

Изучая эволюцию и эмбриологию, мы находим наше место в мире. Мы – часть истории жизни, соединенная с другими видами, прошлыми и современными, соединенная весьма реальной, материальной связью. После случайного момента зачатия начинается процесс нашего эпигенеза: формы появляются там, где их до этого не было. Инструкции по сотворению этих форм записаны кодом, составленным на древнем языке, процесс сотворения сопровождается мимолетным эхом прошлых жизней и призраками дальних родичей по мере развертывания драмы. Мы – часть не великой цепи бытия – scalae naturae, а огромного и ветвистого arboris naturae – древа природы и жизни.

Поскольку мы такие необычные животные, поскольку мы осознаем наше влияние на других, на нас лежит обязанность заботиться не только друг о друге, но и о других побегах древа жизни. Соглашаясь с нашим местом в естественном, природном мире, а не пытаясь подняться над ним, мы должны принять на свои плечи ответственность и работать ради прочного будущего, ради нас самих и ради всего живого на нашей планете.

Благодарности

Я много лет сгорала от желания написать книгу об эмбриологии и эволюции, и случилось так, что у сотрудников издательства Heron Сьюзен и Джона Уотт хватило доброты выслушивать мои бесконечные истории об эмбриональном развитии, наших общих предках и генеалогическом древе жизни, а затем хватило мужества опубликовать все это в виде книги! Я бесконечно благодарна им обоим за их моральную поддержку и энтузиазм в отношении такого довольно узкого предмета.

Многие идеи этой книги возникли благодаря встречам с многочисленными коллегами, по большей части во время съемок телевизионных программ. Я очень благодарна продюсерам и создателям разнообразных программ и сериалов, позволившим мне воплотить в реальность мою страсть к эволюционной биологии и физической антропологии, я благодарна им за возможность встречаться на съемках с беззаветно преданными науке исследователями и поделиться с широкой публикой моими знаниями в этой волнующей области биологии. В частности, я выражаю признательность авторам снятого Би-би-си-2 в 2011 году фильма «Наше происхождение» (Origins of Us) Мэгс Лайтбоди и Девайне Бристоу (ассистентам продюсера); Дейву Стюарту, Мэтту Дайасу и Полу Олдингу (директорам фильма); Зои Херон (продюсеру сериала); исполнительному продюсеру программы «Доисторическая аутопсия» (Би-би-си-2, 2012) Джейн Олдос, а также съемочной группе фильма «Горизонт: что делает нас людьми?» (Horizon: What makes us human?) в лице Криса Питта (исследователь), Тоби Макдональда (продюсер-директор) и редактора сериала, Эйдана Леверти. Огромная благодарность также Ким Шиллингло, выпускающему редактору отдела науки и естественной истории Би-би-си.

Хочу сказать большое спасибо всем тем, кто щедро делился со мной результатами исследований и идеями; некоторые коллеги упомянуты в тексте, и среди них Джефф Лихтман из Гарвардского университета; Джефф Берд из Бербекского колледжа; Дени Дюбуль из Женевского университета; Анна Барни из Саутгемптонского университета и Сандра Мартелли из Лондонского университетского колледжа; Рой Коккел из госпиталя «Селли-Оук»; Холли Дансуорт из Университета Род-Айленда; Герман Понцер из Городского университета Нью-Йорка; Анна Уорренер из Гарвардского университета. Очень многие другие коллеги поделились со мной своими знаниями и опытом в области биологии, анатомии, эволюционной биологии и эпигенетики. Они делали это в личных беседах и в переписке. Я очень благодарна этим людям: Лесли Айелло из Фонда антропологических исследований Веннергрена; сэру Патрику Бейтсону и Дэвиду Чайверсу из Кембриджского университета; Джереми Притчарду, Сузанне Торп и Брайнау Тернеру из Бирмингемского университета. Мне посчастливилось, будучи студентом-медиком, учиться у таких талантливых учителей, как Эдвард Ивенс, Бернард Моксхем и Ричард Ньюэлл. В особенности же я в долгу перед Бобом Пресли, моим руководителем при написании докторской диссертации по анатомии. Именно этот человек ввел меня в мир сравнительной анатомии и эмбриологии.

Несколько коллег оказались настолько добры, что не отказались читать и комментировать черновики этой книги. Я безмерно признательна им за бесценные замечания, предложения и ненавязчивое исправление неточностей. Я хочу поименно назвать этих щедрых и великодушных людей: Робин Кромптон, Холли Дансуорт, Колин Гровс, Десмонд Моррис, Крис Стрингер и Паоло Вискарди. Большое спасибо также Джону Уотту, моему издателю, за его проницательность и за помощь в составлении связного повествовательного плана книги. Спасибо Хелене Кэлдон, моему редактору, за сглаживание многих шероховатостей.

И наконец, последнее, но самое важное. Я не смогла бы написать эту книгу, имея на руках младенца и трехлетнюю дочь, если бы не беззаветная поддержка и помощь моего мужа. Спасибо тебе, Дейв.

Дополнительная литература

Общая эмбриология и теория эволюции

Ниже приведены ссылки на прекрасные книги и сайты, освещающие темы общей эмбриологии и эволюции, а также историю этих отраслей науки

Книги

Cobb M. The egg and sperm race: the seventeenth-century scientists who unravelled the secrets of sex, life and growth. L.; N. Y.: Pocket Books, 2007.

Correia C. P. The Ovary of Eve: egg and sperm and preformation. Chicago: University of Chicago Press, 1998.

Gould S. J. Ontogeny and Phylogeny. Cambridge, Massachusetts: Belknap Press of Harvard University Press, 1977.

Kent G. C. & Carr R. K. Comparative anatomy of the vertebrates. Boston: McGraw Hill, 2001.

Lieberman D. The evolution of the human head. Cambridge, Massachusetts: Belknap Press of Harvard University Press, 2011.

Sadler T. W. Langman’s Medical Embryology. Philadelphia: Lippincott, Williams and Wilkins, 2012.

Shubin N. Your inner fish: a journey into the 3,5-billion-year history of the human body. N. Y.: Pantheon Books, 2008.

Wolpert L. The Triumph of the Embryo. Mineolla, NY: Dover Publications, 2008.

Сетевые и мобильные приложения

Сетевой курс эмбриологии, разработанный сотрудниками Фрибурского университета в Лозанне и Берне, доступен на французском, немецком, английском и нидерландском языках. Адрес:

Энциклопедический проект «Эмбрион», выполненный в Университете штата Аризона, является хранилищем «находок», обзорных статей и очерков по эмбриологии и ее истории:

Превосходный путеводитель по эмбриологическому развитию и изменениям, происходящим во время беременности, можно найти по адресу: lifeinthewombapp.com

Начала

Краткая история идей

Cobb M. An amazing 10 years: the discovery of egg and sperm in the 17th century // Reproduction in Domestic Animals. 2012. 47: 2–6.

Gould S. J. Ontogeny and Phylogeny. Cambridge, Massachusetts: Belknap Press of Harvard University Press, 1977.

Начало

Обязательно посмотрите захватывающие видеокадры развития плода во время беременности: lifeinthewomb.com

Голова и мозг

Первая голова

Об упрощении строения асцидий:

Holland N. D. & Chen J. Origin and early evolution of the vertebrates: new insights from advances in molecular biology, anatomy and palaeontology // BioEssays. 2001. 23: 142–151.

Об открытии хайкоуэллы:

Chen J.-Y., Huang D.-Y., Li C.-W. An early Cambrian craniate-like chordate // Nature. 1999. 402: 518–522.

Ричард Докинз обсуждает наши родственные отношения с морскими звездами и наше место на великом древе жизни в книге «Рассказ предка» (The Ancestor’s Tale, 2004).

Более подробные сведения о кишечнодышащих и о происхождении хордовых животных:

Brown F. D., Prendergast A., Swalla B. J. Man is but a worm: chordate origins // Genesis. 2008. 46: 605–613.

Gerhart J., Lowe C., Kirschner M. Hemichordates and the origin of chordates // Current Opinion in Genetics & Development. 2005. 15: 461–467.

Lacalli T. C. The emergence of the chordate body plan: some puzzles and problems // Acta Zoologica (Stockholm). 2010. 91: 4–10.

Фильм Би-би-си Life о морских звездах:

Древний и эмбриональный мозг

Более подробные сведения о нейруляции и звуковом еже попробуйте найти в энциклопедии проекта «Эмбрион» по адресу:

Более подробно о мозге различных животных:

Kent G. C. & Carr R. K. Comparative anatomy of the vertebrates. Boston: McGraw Hill, 2001.

Картирование человеческого мозга

Более подробные сведения по функции мозга, а также по анатомии головы и шеи см.:

Lieberman D. The evolution of the human head. Cambridge, Massachusetts: Belknap Press of Harvard University Press, 2011.

О невероятной истории Финеаса Гейджа и его травмы:

Ratiu P. et al. The tale of Phineas Gage, digitally remastered // Journal of Neurotrauma. 2004. 21: 637–643.

О связях в человеческом мозге:

Drachman D. A. Do we have brain to spare? // Neurology. 2005. 64: 2004–2005.

О «мозговой радуге»:

Livet J. et al. Transgenic strategies for combinatorial expression of fluorescent proteins in the nervous system // Nature. 2007. 450: 56–63.

О методах визуализации головного мозга:

Raichle M. E. A brief history of human brain mapping // Trends in Neurosciences. 2008. 32: 118–126.

Зеркальные нейроны

Catmur C. et al. Through the looking glass: counter-mirror activation following incompatible sensorimotor learning // European Journal of Neuroscience. 2008. 28: 1208–1215.

Heyes C. Where do mirror neurons come from? // Neuroscience and Bio-behavioural Reviews, 2010. 34: 575–583.

Ramachandran V. S. Mirror neurons and imitation learning as the driving force behind «the great leap forward» in human evolution. 2000.

Ramachandran V. S. The Tell-Tale Brain: Unlocking the Mystery of Human Nature. London: Windmill Books, 2011. Ch. 4: The neurons that shaped civilization.

Этот огромный человеческий мозг

Об оживленной дискуссии по поводу коэффициента энцефализации и эволюции человека:

Lieberman D. The evolution of the human head. Cambridge, Massachusetts: Belknap Press of Harvard University Press, 2011.

О зрительной коре шимпанзе:

Holloway R. L., Broadfield D. C., Yuan M. S. Morphology and histology of chimpanzee primary visual striate cortex indicate that brain reorganization predated brain expansion in early hominid evolution // The Anatomical Record. 2003. 273A: 594–602.

Wood J. N. & Grafman J. Human prefrontal cortex: processing and representational perspectives // Nature Review Neuroscience. 2003. 4: 139–147.

Об истории исследования психологии шимпанзе:

Call J. & Tomasello M. Does the chimpanzee have a theory of mind? 30 years later // Trends in Cognitive Science. 2008. 12: 187–192.

О влиянии увеличения размеров человеческого мозга на форму черепа:

Lieberman D. E., Pearson O. M., Mowbray K. M. Basicranial influence on overall cranial shape // Journal of Human Evolution. 2003. 38: 291–315.

Более подробно об эволюции формы и строения черепа современного человека:

Lieberman D. E., McBrateney B. M., Krovitz G. The evolution and development of cranial form in Homo sapiens // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2002. 99: 1134–1139.

Череп и ощущения

Нервный гребень и происхождение черепа

Об исследовании эволюционного происхождения новых анатомических структур и комментарии о том, что «морфологические структуры… возникают не из праха земного»:

Braun C. B. & Northcutt R. G. The lateral line system of hagfishes // Acta Zoologica (Stockholm). 1997. 78: 247–268.

Об удвоении генов и новых функциях старых генов в ходе эволюции:

Holland L. Z., Laudet V., Schubert M. The chordate amphioxus: an emerging model organism for developmental biology // Cellular and Molecular Life Sciences. 2004. 61: 2290–2308.

О несовершенных клетках нервного гребня ланцетника:

Shimeld S. M., Holland N. D. Amphioxus molecular biology: insights into vertebrate evolution and developmental mechanisms // Canadian Journal of Zoology. 2005. 83: 90–100.

О Джулии Платт и ее открытии того факта, что клетки нервного гребня участвуют в развитии черепа:

Landacre F. L. The fate of the neural crest in the head of the urodeles // The Journal of Comparative Neurology. 1921. 33: 1–43.

Zottoli S. J. & Seyfarth E.-A. Julia B. Platt (1857–1935): Pioneer comparative embryologist and neuroscientist // Brain, behaviour and evolution. 1994. 43: 92–106.

Появление черепа

Чарльз Дарвин писал о своем «законе эмбрионального сходства» в своем труде «Происхождении видов», опубликованном в 1859 г. Эту книгу стоит почитать. Ее можно найти в сети по адресу: darwin-online.org.uk

Формы черепа

О деформациях черепов:

Ayer A. et al. The sociopolitical history and physiological underpinnings of skull deformation // Neurosurgical Focus. 2010. 29: 1–6.

Tubbs R. S., Salter E. G., Oakes W. J. Artificial Deformation of the Human Skull // Clinical Anatomy. 2006. 19: 372–377.

О деформации детского черепа, известной как череп «звездного мальчика»:

Novella S. The Starchild Project, The New England Sceptical Society: -starchild-project (2006).

Обоняние

Исследование, доказывающее, что люди не замечают потери обоняния после черепно-мозговых травм:

Callahan C. D. & Hinkebein J. H. Assessment of anosmia after traumatic brain injury // Journal of Head Trauma Rehabilitation. 2002. 17: 251–256.

О генах обоняния у миноги:

Libants S. et al. The sea lamprey Petromyzon marinus genome reveals the early origin of several chemosensory receptor families in the vertebrate lineage // BMC Evolutionary Biology. 2002. 9: 180.

О гипотезе, связывающей утрату генов обоняния с развитием цветового зрения у приматов:

Gilad Y. et al. Loss of olfactory receptor genes coincides with the acquisition of full trichromatic vision in primates. PLoS Biology. 2004. 2: 120–125.

Matsui A., Go Y., Niimura Y. Degeneration of olfactory receptor gene repertoires in primates: no direct link to full trichromatic vision // Molecular Biology & Evolution. 2010. 27: 1192–1200.

Зрение

Более подробные сведения об эволюции глаз:

Lamb T. D., Collin S. P., Pugh E. N. Evolution of the vertebrate eye: opsins, photoreceptors, retina and eye cup // Nature Reviews: Neuroscience. 2007. 8: 960–975.

Об исследовании генов, экспрессия которых приводит к развитию глаз у ланцетника:

Vopalensky P. et al. Molecular analysis of the amphioxus frontal eye unravels the evolutionary origin of the retina and pigment cells of the vertebrate eye // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2012. 109: 15383–15388.

О цветовом зрении и световых рецепторах позвоночных:

Bowmaker J. K. Evolution of colour vision in vertebrates // Eye. 1998. 12: 541–547.

О цветовом зрении приматов и красной промежности:

Surridge A. K., Osorio D., Mundy N. I. Evolution and selection of trichromatic vision in primates // Trends in Ecology and Evolution. 2003. 18: 198–205.

О пищевом рационе древних приматов (и об удивительном повороте эволюции человека):

Cartmill M. Primate origins, human origins, and the end of higher taxa // Evolutionary Anthropology. 2012. 21: 208–220.

О способности горилл следить за направлениями чужого взгляда:

Mayhew J. A. Attention cues in apes and their role in social play behaviour of Western Lowland Gorillas (Gorilla gorilla gorilla) // PhD thesis, University of St Andrews, 2013.

О способности детей следить за взглядом других и экспериментах с чашками на предмет выявления способности детей распознавать обман:

Freire A., Eskritt M., Lee K. Are eyes windows to a deceiver’s soul? Children’s use of another’s eye gaze cues in a deceptive situation // Developmental Psychology. 2004. 6: 1093–1104.

О сравнении способности детей следить за чужим взглядом с таковой человекообразных обезьян:

Tomasello M. et al. Reliance of head versus eyes in the gaze following of great apes and human infants: the cooperative eye hypothesis // Journal of Human Evolution. 2007. 52: 314–320.

Жабры и речь

Кость в форме буквы U и хрящ в форме бабочки

О том, как был обнаружен неандерталец из пещеры Кебара:

Bar-Yosef O. et al. The excavations in Kebara Cave, Mt Carmel // Current Anthropology. 1992. 33: 497–550.

Гипотеза о том, что язык человека обладает более мощной иннервацией, чем язык остальных обезьян, и о потенциальном значении размера подъязычного канала:

DeGusta D., Gilbert W. H., Turner S. P. Hypoglossal canal size and hominid speech // Proceedings of the National Academy of Sciences. 1999. 96: 1800–1804.

Kay R. F., Cartmill M., Balow M. The hypoglossal canal and the origin of human vocal behaviour // Proceedings of the National Academy of Sciences. 1998. 95: 5417–5419.

О подъязычных костях из Сима-де-лос-Уэсос:

Martinez I. et al. Human hyoid bones from the middle Pleistocene site of the Sima de los Huesos (Sierra de Atapuerca, Spain) // Journal of Human Evolution. 2007. 54: 118–124.

О потенциальных особенностях членораздельной речи неандертальцев:

Boe L.– J. et al. The potential Neanderthal vowel space was as large as that of modern humans // Journal of Phoentics. 2002. 30: 465–484.

Мифы о гортани

Об отсутствии повышения риска асфиксии при низком расположении гортани:

Aiello L. Fossil and other evidence for the origin of language // Evolution of Language: 4th International Conference, Harvard University, 2002.

Об оттеснении гортани в нижние отделы шеи:

Lieberman D. The evolution of the human head. Cambridge, Massachusetts: Belknap Press of Harvard University Press, 2011.

Lieberman D. E. et al. Ontogeny of postnatal hyoid and larynx descent in Humans // Archives of Oral Biology. 2001. 46: 117–128.

О разнице в произношении гласных звуков мужчинами и женщинами:

de Boer B. Investigating the acoustic effect of the descended larynx with articulatory models // Journal of Phonetics. 2010. 38: 679–686.

О других животных с низким расположением гортани:

Fitch W. T. & Reby D. The descended larynx is not uniquely human // Proceedings of the Royal Society of London. 2001. B268: 1669–1675.

Низкий голос самцов

О ревущих оленях:

Clutton-Brock T. H. & Albon S. D. The roaring of red deer and the evolution of honest advertisement // Behaviour. 1979. 69: 145–170.

О влиянии низкого мужского голоса на женщин:

Smith D. S. et al. A modulatory effect of male voice pitch on long-term memory in women: evidence of adaptation for mate choice? // Memory & Cognition. 2012. 40: 135–144.

Эксперимент «Игра в свидание» в Питтсбургском университете:

Puts D. A., Gaulin S. J. C., Verdolini K. Dominance and the evolution of sexual dimorphism in human voice pitch // Evolution and Human Behavior. 2006. 27: 283–296.

Челюстные суставы и слуховые косточки

О втором нижнечелюстном суставе морганукодона:

Kermack K. A., Mussett F., Rigney H. W. The lower jaw of Morganucodon // Zoological Journal of the Linnean Society. 1973. 53: 87–175.

Происхождение мимических мышц и мышц среднего уха из жаберных мышц:

Diogo R. Comparative anatomy, homologies and evolution of the mandibular, hyoid and hypobranchial muscles of bony fish and tetrapods: a new insight // Animal Biology. 2008. 58: 123–172.

Takechi M. & Kuratani S. History of studies on mammalian middle ear evolution: a comparative morphological and developmental biology perspective // Journal of Experimental Zoology B. 2010. 314: 1–17.

Фон Бэр и генетика

Цитата о глоточных или жаберных дугах взята из одного из самых популярных руководств по эмбриологии:

Sadler T. W. Langman’s Medical Embryology // Philadelphia: Lippincott, Williams and Wilkins, 2012.

Позвоночный столб и сегменты

Плодовые мушки и происхождение позвоночника

Более подробные сведения о Томасе Ханте Моргане и его работах, удостоенных Нобелевской премии, см.: NobelPrize.org

О Hox-генах:

Myers P. Z. Hox genes in development: the Hox code // Scitable. Nature Education. 2008.

Pearson J. C., Lemons D., McGinnis W. Modulating Hox gene functions during animal body patterning // Nature Review Genetics. 2005. 6: 893–904.

О наших с плодовой мушкой общих предках:

Danchin E. G., Pontarotti P. Statistical evidence for a more than 800- million-year-old evolutionarily conserved genomic region in our genome // Journal of Molecular Biology and Evolution. 2004. 59: 587–597.

О Hox-генах у человека:

Holland P. W. H., Booth H. A. F., Bruford E. A. Classification and nomenclature of all human homeobox genes // BMC Biology. 2007. 5: 47.

Более подробно о работах Дени Дюбуля:

Richardson M. K. The Hox complex: an interview with Denis Duboule // International Journal of Developmental Biology. 2009. 53: 717–723.

Развитие позвонков в эмбриогенезе

Более подробную информацию о расщепленном позвоночнике можно получить на сайте Национальной службы здравоохранения (ее Национального центра по изучению генетики и геномики) по ссылкам: National Genetics and Genomic Centre > Genetics Conditions > Neural tube defects: -tic-conditions-54–688-neural-tube-defects-new

О роли Hox-генов в развитии позвоночника:

Carapuco M. et al. Hox genes specify vertebral types in the presomitic mesoderm // Genes and Development. 2005. 19: 2116–2121.

Смещение дисков и подвывихи суставов

О потере хордовых клеток в межпозвоночных дисках:

Hunter C. J., Matyas J. R., Duncan N. A. The notochordal cell in the nucleus pulposus: a review in the context of tissue engineering // Tissue Engineering. 2003. 9: 667–677.

О боли в пояснице:

Cohen S. P. & Raja S. N. Pathogenesis, diagnosis, and treatment of lumbar zygapophysial (facet) joint pain // Anesthesiology. 2007. 106: 591–614.

Manchikanti L. et al. Prevalence of facet joint pain in chronic spinal pain of cervical, thoracic and lumbar regions // BMC Musculoskeletal Disorders. 2004. 5: 15.

Удлинение поясничного отдела позвоночника

Об эволюции низших обезьян и о длинном, гибком позвоночнике:

Harrison T. Catarrhine Origins. In: Begun D. R. (ed.) A Companion to Paleoanthropology. N.Y.: Blackwell Publishing, 2013. 376–396.

О таинственном исчезновении хвоста у высших обезьян:

Larson S. G. & Stern J. T. Maintenance of above-branch balance during primate arboreal quadrupedalism: coordinated use of forearm rotators and tail motion // American Journal of Physical Anthropology. 2006. 129: 71–81.

О поясничном отделе позвоночника у ископаемых гоминид:

Lovejoy C. O. The natural history of human gait and posture. Part 1: spine and pelvis // Gait and posture. 2005. 21: 95–112.

Наш кузен с прямой спиной

Об измерении степени лордоза древних позвоночных животных:

Been E., Gomez-Olivencia A., Kramer P. A. Lumbar lordosis of extinct hominins // Americam Journal of Physical Anthropology. 2012. 147: 64–77.

Ребра, легкие и сердце

Форма грудной клетки у животных разных видов

О форме грудной клетки у высших обезьян:

Kagaya M., Ogihara N., Nakatsukasa M. Morphological study of the anthropoid thoracic cage: scaling of thoracic width and an analysis of rib curvature // Primates. 2008. 49: 89–99.

Об анатомии и локомоции высших обезьян:

Larson S. G. Parallel evolution in the hominoid trunk and forelimb // Evolutionary Anthropology. 1998. 6: 87–99.

Ископаемые ребра

Об эволюции форм грудной клетки у гоминид:

Haile-Selassie Y. et al. An early Australopithecus afarensis postcranium from Woranso-Mille, Ethiopia // Proceedings of the National Academy of Science. 2010. 107: 12121–12126.

Schmid P. et al. Mosaic morphology in the thorax of Australopithecus sediba // Science. 2013. 340: 1234598.

Wong K. Is Australopithecus sediba the most important human ancestor discovery ever? // Scientific American. 2013. April 23.

О вероятности происхождения гоминид от общего с мелкими высшими обезьянами предка с грудной клеткой, напоминающей грудную клетку гиббонов и паукообразных обезьян:

Lovejoy C. O. et al. The pelvis and femur of Ardipithecus ramidus: the emergence of upright walking // Science. 2009. 326: p71e5.

Stern J. T. et al. An electromyographic study of the pectoralis major in Atelines and Hylobates with special references to the evolution of a pars clavicularis // American Journal of Physical Anthropology. 1980. 20: 498–507.

Грудная клетка неандертальцев

Gomez-Olivencia et al. Kebara 2: new insights regarding the most complete Neanderthal thorax // Journal of Human Evolution. 2009. 57: 75–90.

Образование легких

Suzuki et al. The mitochondrial phylogeny of an ancient lineage of rayfinned fishes (Polypteridae) with implications for the evolution of body elongation, pelvic fin loss and craniofacial morphology in Osteichthyes // BMC Evolutionary Biology. 2010. 10: 21.

Кишки и желточный мешок

Фантастическое путешествие

Об использовании камер-пилюль для исследования кишечника больных в госпитале «Селли-Оук»:

Hudson J. Hope at end of fantastic voyage // Birmingham Post. 2002. May 24.

В человеческом кишечнике нет ничего уникального

Об отсутствии связи между размерами головного мозга и кишечника у различных животных:

Hladik C. M. & Pasquet P. Reply to: Kaufman J. A. On the expensive tissue hypothesis: independent support from highly encephalised fish // Current Anthropology. 2003. 44: 705–707.

Об изучении размеров головного мозга и объема жировой ткани у человека и животных:

Navarrete A., van Schaik C. P., Isler K. Energetics and the evolution of human brain size // Nature. 2011. 480: 91–93.

О роли переключения на высококалорийный пищевой рацион в ускорении роста головного мозга и тела:

Pontzer H. Ecological energetics in early Homo // Current Anthropology. 2012. 53. S6: S346–S358.

О сохранении лактазы и способности взрослых людей переваривать молоко:

Ingram C. J. E. et al. Lactose digestion and the evolutionary genetics of lactase persistence // Human Genetics. 2009. 124: 579–591.

Половые железы, гениталии и беременность

Округлости, бугорки и трубки

Более подробные сведения об анатомическом строении и функции наружных гениталий см.:

Berman J. R. & Bassuk J. Physiology and pathophysiology of female sexual function and dysfunction // World Journal of Urology. 2002. 20: 111–118.

O’Connell H. E. Anatomy of the clitoris // Journal of Urology. 2005. 174: 1189–1195.

О мюллеровом и вольфовом протоках:

Brian B. H. & Bloom D. A. Wolff and Muller: fundamental eponyms of embryology, nephrology and urology // The Journal of Urology. 2002. 168: 425–428.

Невероятное путешествие яичка (и яичника)

Ivell R. Lifestyle impact and the biology of the human scrotum // Reproductive Biology & Endocrinology. 2007. 5: 15.

О весе яичек у людей, шимпанзе и горилл:

Dixson A. F. & Anderson M. J. Sexual behaviour, reproductive physiology and sperm competition in male mammals // Physiology & Behaviour. 2004. 83: 361–371.

Половые члены, клиторы и оргазм

О сходстве клитора и полового члена:

Place N. J. & Glickman S. E. Masculinization of female mammals: lessons from nature // Advances in Experimental Medical Biology. 2004. 545: 243–253.

Более подробно об эрекции полового члена и клитора:

Dean R. C. & Lue T. F. Physiology of penile erection and pathophysiology of erectile dysfunction // Urologic Clinics of North America. 2005. 32: 379–395.

Gragasin F. S. et al. The neurovascular mechanism of clitoral erection: nitric oxide and cGMP-stimulated activation of BKCa channels. Federation of American Societies for Experimental Biology. 2004. 18: 1382–1391.

Об окситоцине:

Borrow A. P. & Cameron N. M. The role of oxytocin in mating and pregnancy // Hormones and Behavior. 2012. 61: 266–276.

О тайне женского оргазма:

Colson M.-H. Female orgasm: myths, facts and controversies // Sexologies. 2010. 19: 8–14.

Расписание занятий сексом

О танцовщицах, зарабатывающих во время овуляции:

Miller G., Tybur J. M., Jordan B. D. Ovulatory cycle effects on tip earnings by lap dancers: economic evidence for human estrus? Evolution and Human // Behavior. 2007. 28: 375–381.

Секс у карликовых шимпанзе (бонобо):

de Waal F. B. M. Bonobo sex and society // Scientific American. 1995. March.

Тесный выход

Важность социального обучения для человека:

Sterelny K. From hominins to humans: how sapiens became behaviourally modern // Philosophical Transactions of the Royal Society B. 2011. 366: 809–822.

Введение понятия «акушерская дилемма»:

Rosenberg K. R. The evolution of modern human childbirth // Yearbook of Physical Anthropology. 1992. 35. 89–124.

Rosenberg K. R. & Trevathan W. Birth, obstetrics and human evolution // British Journal of Obstetrics & Gynaecology. 2002. 109: 1199–1206.

О новых сомнениях в существовании «акушерской дилеммы»:

Dunsworth H. M. et al. Metabolic hypothesis for human altriciality // Proceedings of the National Academy of Science. 2012. 109: 15212–15216.

Беседа с Холли Дансуорт об «акушерской дилемме» (начиная с 28-й минуты) BBC2: What makes us human?

Wells J. C. K., DeSilva J. M., Stock J. T. The obstetric dilemma: an ancient game of Russian roulette, or a variable dilemma sensitive to ecology? // Yearbook of Physical Anthropology. 2012. 55: 40–71.

О трудности выявления пусковых механизмов родов у человека:

Plunkett J. et al. An evolutionary genomic approach to identify genes involved in human birth timing. PLoS Genetics. 2011. 7: e1001365.

Общее введение в науку о размножении человека и о контекстах родов:

Ellison P. T. On fertile ground. Cambridge, MA: Harvard University Press, 2001.

Размер головки новорожденного детеныша у низших и высших обезьян:

Schultz A. Sex differences in the pelves of primates. American Journal of Physical Anthropology. 1949. 7: 401–423.

О трудных родах в разных частях мира в настоящем и прошлом:

Dolea C. & Abou-Zahr C. Global burden of obstructed labour in the year 2000. Evidence and Information for Policy. Geneva: World Health Organization, 2003.

Maharaj D. Assessing cephalopelvic disproportion: back to the basics. Obstetrical & Gynecological Survey. 2010. 65: 387–395.

Ould El Joud D., Bouvier-Colle M.-H., MOMA Group. Dystocia: a study of its frequency and risk factors in seven cities of west Africa // International Journal of Gynecology & Obstetrics. 2001. 74: 171–178.

Roy R. P. A Darwinian view of obstructed labor. Obstetrics & Gynecology. 2003. 101: 397–401.

Wittman A. B. & Wall L. L. The evolutionary origins of obstructed labor: bipedalism, encephalisation, and the human obstetric dilemma // Obstetrical & Gynecological Survey. 2007. 62: 739–748.

О природе конечностей

Зачатки конечностей и пластинки роста

О роли клеточной смерти в эмбриологии:

Penazola C. et al. Cell death in development: shaping the embryo // Histochemistry and Cell Biology. 2006. 126: 149–158.

О роли клеточной смерти в развитии головного мозга:

Azevedo F. A. C. et al. Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled-up primate brain // The Journal of Comparative Neurology. 2009. 513: 532–541.

Low L. K. & Cheng H.-W. Axon pruning: an essential step underlying the developmental plasticity of neuronal connections // Philosophical Transactions of the Royal Society B. 2006. 361: 1531–1544.

Миотомные танцы

О связи Hox-генов с развитием конечностей:

Burke A. C. & Nowicki J. L. Hox genes and axial specification in vertebrates // American Zoologist. 2001. 41: 687–697.

Richardson M. K. et al. Heterochrony in limb evolution: developmental mechanisms and natural selection // Journal of Experimental Zoology. 2009. 312B: 639–664.

Плавники и конечности

Owen R. On the Nature of Limbs. A discourse delivered on Friday, February 9, at an evening meeting of the Royal Institution of Great Britain. L.: John van Voorst, 1849.

О включении генов пальцев рук и ног:

Gilbert S. F. Generating the proximal-distal axis of the limb. In: Developmental Biology Sinderland, MA: Sinauer Associates, 2000.

Гренландская сага

Об акантостеге:

Clack J. A. The emergence of early tetrapods // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2006. 232: 167–189.

О строении таза у рыбы тиктаалик:

Shubin N. H., Daeschler E. B., Jenkins F. A. Pelvic girdle and fin of Tiktaalik roseae // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2014. 111: 893–899.

От бедра до кончиков пальцев ног

Преимущество двух ног

О расположении большого затылочного отверстия как о показателе бипедализма:

Russo G. A. & Kirk E. C. Foramen magnum position in bipedal mammals // Journal of Human Evolution. 2013. 65: 656–670.

Бедра Люси и колено Джохансона

О бедрах гоминид:

Lovejoy C. O. The natural history of human gait and posture. Part 1: spine and pelvis // Gait and posture. 2005. 21: 95–112.

О мыщелковом угле австралопитеков:

Lovejoy C. O. The natural history of human gait and posture. Part 3: the knee // Gait and posture. 2007. 25: 325–341.

Ограничения человеческой стопы

О невероятной способности к тыльному сгибанию стопы у людей, привычных к лазанию по деревьям:

Venkataraman V. V., Kraft T. S., Dominy N. J. Tree climbing and human evolution // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2013. 110: 1237–1242.

О гибкости стоп высших обезьян:

Lovejoy C. O. et al. Combining prehension and propulsion: the foot of Ardipithecus ramidus // Science. 2009. 326: 72, 72e1–72e8.

Испытание человеческой стопы:

Bates K. T. et al. The evolution of compliance in the human lateral midfoot // Philosophical Transactions of the Royal Society B. 2013. 280: 20131818.

DeSilva J. M. & Gill S. V. Brief communication: A midtarsal (midfoot) break in the human foot // American Journal of Physical Anthropology. 2013. 151: 495–499.

Происхождение бипедализма

Мнение Стивена Джея Гоулда о «Поступи прогресса»:

Gould S. J. Wonderful Life. N. Y.: WW Norton & Co, 1989. 30–36.

Подробности о дебатах по поводу происхождения бипедализма:

Corruccini R. S. & McHenry H. M. Knuckle-walking hominid ancestors // Journal of Human Evolution. 2001. 40: 507–511.

Dainton M. Did our ancestors knuckle-walk? // Nature. 2001. 410: 324–325.

Kivell T. L. & Schmidt D. Independent evolution of knuckle-walking in African apes shows that humans did not evolve from a knuckle-walking ancestor // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2009. 106: 14241–14246.

Richmond B. G., Begun D. R., Strait D. S. Origin of human bipedalism: the knuckle-walking hypothesis revisited // Yearbook of Physical Anthropology. 2001. 44: 70–105.

Прямоходящие предки: господствующий взгляд начала ХХ века:

Avis V. Brachiation: the crucial issue for Man’s ancestry // Southwestern Journal of Anthropology. 1962. 18: 119–148.

О передвижении Арди по деревьям:

Crompton R. W., Sellers W. I., Thorpe S. K. S. Arboreality, terrestriality and bipedalism // Philosophical Transactions of the Royal Society of London B. 2010, 365: 3301–3314.

Lovejoy C. O., McCollum M. A. Spinopelvic pathways to bipedality: why no hominids ever relied on a bent-hip-bent-knee gait. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B. 2010. 365: 3289–3299.

О положении тела и движениях обезьян при перемещениях по деревьям:

Hunt K. D. Positional behaviour in the Hominoidea // International Journal of Primatology. 1991. 12: 95–118.

Thorpe S. K. S. & Crompton R. H. Orangutan positional behaviour and the nature of arboreal locomotion in Hominoidea // American Journal of Physical Anthropology. 2006. 131: 384–401.

Об относительно позднем распространении ареала саванны в Африке:

deMenocal P. B. African climate change and faunal evolution during the Pliocene-Pleistocene // Earth and Planetary Science Letters. 2004. 220: 3–24.

Об анатомии и поведении ореопитека:

Crompton R. H., Vereecke E. E., Thorpe S. K. S. Locomotion and posture from the common hominoid ancestor to fully modern hominins with special reference to the common panin/hominin ancestor. Journal of Anatomy. 2008. 212: 501–543.

О лазании по горизонтальным сучьям и повисании на передних конечностях как об основном способе передвижения по деревьям крупных человекообразных обезьян:

Larson S. G. Parallel evolution in the hominoid trunk and forelimb // Evolutionary Anthropology. 1998. 6: 87–99.

Рожденный бегать

О разнообразных ископаемых останках, обнаруженных в Дманиси (Республика Грузия):

Lordkipanidze D. et al. A complete skull from Dmanisi, Georgia, and the evolutionary biology of early Homo // Science. 2013. 342: 326–331.

О том, что длинные ноги могли всего лишь явиться следствием увеличения размеров тела:

Pontzer H. Ecological energetics in early Homo // Current Anthropology. 2012. 53, S6: S346–S358.

Об условиях обитания Турканского мальчика – распространение ареала травянистых равнин в Африке:

deMenocal P. B. African climate change and faunal evolution during the Pliocene-Pleistocene // Earth and Planetary Science Letters. 2004. 220: 3–24.

О свидетельствах в пользу того, что древние гоминиды занимались охотой:

Ferraro J. V. et al. Earliest archaeological evidence of persistent hominin carnivory. 2013. PLOS One 8: e62174.

Необычное новшество

Об изменчивости и податливости анатомических структур и о том, как животные могут меняться ради приспособления к окружающей среде, избегая генетических изменений:

West-Eberhard M. J. Phoenotypic accommodation: adaptive innovation due to developmental plasticity // Journal of Experimental Zoology. 2005. 304B: 610–618.

Об эпигенетике и возможности передачи по наследству следующим поколениям приобретенных в течение жизни животного изменений:

Bateson P. The impact of the organism on its descendants // Genetics Research International, 2012. 640612.

Плечи и большие пальцы рук

Плечи гоминид

О позднем появлении в ходе эволюции характерных для человека плеч:

Larson S. G. et al. Homo floresiensis and the evolution of the hominin shoulder // Journal of Human Evolution. 2007. 53: 718–731.

О высвобождении энергии эластичных тканей при бросании:

Roach N. T. et al. Elastic energy storage in the shoulder and the evolution of high-speed throwing in Homo // Nature. 2013. 498: 483–486.

О древних обсидиановых наконечниках из Гадемотты:

Sahle Y. et al. Earliest stone-tipped projectiles from the Ethiopian Rift date to >279,000 years ago. 2013. PLOS One 8: e78092.

Локти, запястья и кисти человекообразных обезьян

О форме локтей шимпанзе:

Larson S. G. Parallel evolution in the hominoid trunk and forelimb // Evolutionary Anthropology. 1998. 6: 87–99.

О разнице между кистью человека и кистью шимпанзе:

Marzke M. W. Precision grips, hand morphology, and tools // American Journal of Physical Anthropology. 1997. 102: 91–110.

Marzke M. W. & Marzke R. F. Evolution of the human hand: approaches to acquiring, analysing and interpreting the anatomical evidence // Journal of Anatomy. 2000. 197: 121–140.

Кисти рук наших предков

О кривизне фаланг пальцев, уменьшающей напряжение в кисти при повисании на ветвях деревьев:

Richmond B. G. Biomechanics of phalangeal curvature // Journal of Human Evolution. 2007. 53: 678–690.

О руке Арди и о независимой эволюции длинных костей пясти у шимпанзе и горилл:

Lovejoy C. O. et al. Careful climbing in the Miocene: the forelimbs of Ardipithecus ramidus and humans are primitive // Science. 2009. 326: 70.

Об интерпретации Дона Джохансона особенностей рук Люси и ее изогнутых пальцев:

Wong K. Lucy’s Baby // Scientific American. 2012. 22: 4–11. bigthink.com/videos/what- lucy-looked-like

О гибком позвоночнике и спуске с деревьев на землю:

Lovejoy C. O. The natural history of human gait and posture. Part 1: spine and pelvis // Gait and posture. 2005. 21: 95–112.

Более подробно о кистях рук Australopithecus sediba:

Kivell T. L. et al. Australopithecus sediba hand demonstrates mosaic evolution of locomotor and manipulative abilities // Science. 2011. 333: 1411.

Уникальные большие пальцы

Diogo R., Richmond B. G., Wood B. Evolution and homologies of primate and modern human hand and forearm muscles, with notes on thumb movements and tool use // Journal of Human Evolution. 2012. 63: 64–78.

Williams E. M., Gordon A. D., Richmond B. G. Hand pressure distribution during Oldowan stone tool production // Journal of Human Evolution. 2012. 62: 520–532.

Сотворение человека

Маловероятность бытия

Больше об общей эмбриологии и оценка истинной частоты ранних выкидышей:

Sadler T. W. Langman’s Medical Embryology. Philadelphia: Lippincott, Williams and Wilkins, 2012.

Об условиях, ограничивающих возможные направления эволюции:

Muller G. B. & Newman S. A. The innovation triad: an EvoDevo agenda // Journal of Experimental Zoology B. 2005. 304B: 487–503.

Люди – хозяева собственной судьбы

Превосходное изложение способов, которыми животные влияют на окружающую их среду:

Dawkins R. The Extended Phenotype. Oxford University Press, 1982.

Уникальность человека

Верный взгляд на уникальность человека:

Cartmill M. Human uniqueness and theoretical content in paleoanthropology // International Journal of Primatology. 1990. 11: 173–192.

Roberts A. M. & Thorpe S. K. S. Challenges to human uniqueness: bipedalism, birth and brains // Journal of Zoology (in press). 2014.

О том, почему мы не должны искать единственный «адаптивный сдвиг» для объяснения всех изменений, происшедших с человеком в ходе эволюции:

Cartmill M. Primate origins, human origins, and the end of higher taxa // Evolutionary Anthropology. 2012. 21: 208–220.

Примечания

1

В книге используется термин гоминиды в «классическом» смысле – для обозначения семейства прямоходящих приматов, включающего людей и их вымерших предшественников, в том числе сахелантропа, ардипитека, австралопитеков. Эта эволюционная ветвь отделилась от филогенетического ствола, общего для нас с современными человекообразными обезьянами, примерно 6–7 млн лет назад. Для обозначения этой группы автор использует здесь английский термин hominins. Однако в отечественной научной и научно-популярной литературе термин гоминины обычно используется для обозначения подсемейства приматов, включающего современного человека и его непосредственных предшественников, начиная с «ранних Homo», появившихся примерно 2,5 млн лет назад, – то есть двуногих приматов с большим головным мозгом. Для группы, включающей и более ранних родственников и предков человека, чаще используется термин гоминиды. (Также о различии терминов hominid и hominin в англоязычной литературе см.: https:// australianmuseum.net.au/hominid-and-hominin-what's-the-difference.) – Прим. ред.

(обратно)

2

Evo-Devo (англ. evolutionary developmental biology) – концепция эволюционной биологии развития. – Прим. ред.

(обратно)

3

По другой версии, из открытия А. Ковалевского идея неотенического происхождения позвоночных не следовала, и сам он этого не утверждал. Вот что по этому поводу писал Ч. Дарвин, высоко оценивший работы русского ученого: «Г-н Ковалевский наблюдал недавно, что личинки асцидий сходны с позвоночными по способу развития, по относительному положению нервной системы и по присутствию одного органа, совершенно сходного с chorda dorsalis позвоночных животных… Мы теперь имеем право думать, что в чрезвычайно отдаленный период времени существовала группа животных, сходных во многих отношениях с личинками теперешних асцидий, и что эта группа разделилась на две большие ветви, из которых одна регрессировала в развитии и образовала теперешний класс асцидий, другая же поднялась до венца и вершины животного царства, дав начало позвоночным». Идея о том, что взрослая стадия нашего далекого предка была прикрепленной асцидией, принадлежит британскому зоологу Уолтеру Гарстангу (1868–1949) и была очень долгое время весьма популярной в Оксфорде, где ее активно продвигал профессор Алистер Харди (ему, кстати, принадлежит и «теория водной обезьяны»). Но данные ДНК подтвердили правильность выводов Ковалевского и Дарвина (1833). – Прим. ред.

(обратно)

4

Появление в палеонтологической летописи кембрия большого числа остатков многоклеточных животных может говорить как о неожиданном увеличении биоразнообразия, так и о появлении организмов с минерализованными тканями, которые в ископаемом состоянии сохраняются гораздо лучше, чем мягкотелые существа. Поэтому кембрийский взрыв также иногда называют взрывом скелетной фауны. – Прим. ред.

(обратно)

5

1 Коэффициент энцефализации (индекс энцефализации; EQ) – мера относительного размера мозга, определяющаяся как отношение фактической массы мозга к средней прогнозируемой массе тела для млекопитающего данного размера. Предположительно характеризует развитость интеллекта животного. Для оценки EQ у млекопитающих соотносят массу мозга с массой тела, возведенной в степень 0,75, и умножают полученный результат на фиксированный коэффициент. – Прим. ред.

(обратно)

6

Цит. по: Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного отбора или сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь / Пер. на рус. яз. с 6-го изд. (Лондон, 1872). Отв. ред. акад. А. Л. Тахтаджян. СПб.: Наука, 1991.

(обратно)

7

Пер. Р. Райт-Ковалевой.

(обратно)

8

Уайт Барри (1944–2003) – американский певец (стиль ритм-эндблюз), отличавшийся низким и глубоким голосом. – Прим. ред.

(обратно)

9

Жаберные, или висцеральные, дуги (лат. Arcus branchiales seu arcus viscerales) – парные дугообразные хрящевые пластинки жаберного скелета «низших» позвоночных и зародышей «высших» позвоночных, в том числе приматов и человека. – Прим. ред.

(обратно)

10

Пер. Н. Берденникова под ред. А. Жикаренцева.

(обратно)

11

Аднан Октар (псевдоним Харун Яхья), стараясь привлечь внимание западноевропейских и американских ученых и школьных и университетских преподавателей, разослал им свой роскошно иллюстрированный «Атлас творения» на 768 страницах, в котором был представлен мусульманский вариант креационизма (совпадающий с постулатами христианского креационизма), утверждающего, что Бог создал все живое таким, как мы его видим сейчас, и отрицающий эволюционную теорию. – Прим. ред.

(обратно)

12

Шейные нервы три, четыре, пять заставляют диафрагму дышать (англ.).

(обратно)

13

Здесь и далее цитируется в пер. Е. Хализовой.

(обратно)

14

Традиционная классификация ископаемых предков человека и человекообразных обезьян сейчас активно пересматривается, и разные исследователи предлагают различные варианты, пока не ставшие общепринятыми. С этим вопросом можно подробнее познакомиться на сайте /, и в частности в статье: Дробышевский С. Обзор существующих филогенетических и таксономических схем ископаемых гоминоидов: -single/272/ – Прим. ред.

(обратно)

15

Да́лек – представитель внеземной расы мутантов-полукиборгов из британского научно-фантастического телесериала «Доктор Кто». – Прим. ред.

(обратно)

16

Автор, возможно, имеет в виду акватическую гипотезу происхождения человека, которая, в отличие от общепринятой теории, в качестве доминирующего фактора, заставившего обезьян перейти к бипедализму, рассматривает воду (прибрежный шельф океана и реки с озерами). Впервые была предложена морским биологом Алистером Харди в 1929 г. – Прим. ред.

(обратно)

17

«Шляпа, полная неба».

(обратно)

Оглавление

Начала Тайна зачатия и история, записанная в наших организмах

  Краткая история идей

  Начало

  Напоминание о прошлом

Голова и мозг От возникновения головы у позвоночных животных до феноменального роста головного мозга у человека

  Первая голова

  Древний и эмбриональный мозг

  Картирование человеческого мозга

  Зеркальные нейроны

  Этот огромный человеческий мозг

Череп и ощущения Закладка фундамента для черепа и развитие органов чувств, воспринимающих окружающий мир

  Нервный гребень и происхождение черепа

  Появление черепа

  Формы черепа

  Слух

  Обоняние

  Зрение

Жабры и речь Водное происхождение гортани

  Кость в форме буквы U и хрящ в форме бабочки

  Мифы о гортани

  Низкий голос самцов

  Голос из жабр

  U-образный изгиб гортанного возвратного нерва

  Челюстные суставы и слуховые косточки

  Почти жаберная щель

  Фон Бэр и генетика

Позвоночный столб и сегменты Лекало жизни и эволюция S-образного позвоночника

  Плодовые мушки и происхождение позвоночника

  Развитие позвонков в эмбриогенезе

  Анатомия позвоночника и спинного мозга

  Смещение дисков и подвывихи суставов

  Удлинение поясничного отдела позвоночника

  Наш кузен с прямой спиной

Ребра, легкие и сердце Ребра наших предков, а также сердце и легкие рыб

  Грудная клетка и диафрагма

  Форма грудной клетки у животных разных видов

  Ископаемые ребра

  Грудная клетка неандертальцев

  Сердце

  Развитие сердца в эмбриональном периоде

  Образование легких

Кишки и желточный мешок Связь между яйцекладущими предками и плодоядными обезьянами

  Рост и изгибы кишечной трубки

  Фантастическое путешествие

  В человеческом кишечнике нет ничего уникального

Половые железы, гениталии и беременность Анатомия органов размножения и беспомощность человеческих детенышей

  Округлости, бугорки и трубки

  Невероятное путешествие яичка (и яичника)

  Половые члены, клиторы и оргазм

  Расписание занятий сексом

  Тесный выход

О природе конечностей Плавники, конечности и предки

  Зачатки конечностей и пластинки роста

  Миотомные танцы

  Плавники и конечности

  Гренландская сага

От бедра до кончиков пальцев ног Прежде чем начать бегать, надо научиться ходить

  Преимущество двух ног

  Бедра Люси и колено Джохансона

  Древние следы

  Ограничения человеческой стопы

  Происхождение бипедализма

  Рожденный бегать

  Необычное новшество

Плечи и большие пальцы рук Лазившие по деревьям предки и уникальная человеческая кисть

  Подвижность человеческих рук

  Плечи гоминид

  Локти, запястья и кисти человекообразных обезьян

  Кисти рук наших предков

  Уникальные большие пальцы

Сотворение человека Обнаружение нашей ветви на древе жизни

  Маловероятность бытия

  Люди – хозяева собственной судьбы

  Уникальность человека

  Найти свое место

Благодарности

Дополнительная литература

  Общая эмбриология и теория эволюции

  Начала

  Голова и мозг

  Череп и ощущения

  Жабры и речь

  Позвоночный столб и сегменты

  Ребра, легкие и сердце

  Кишки и желточный мешок

  Половые железы, гениталии и беременность

  О природе конечностей

  От бедра до кончиков пальцев ног

  Плечи и большие пальцы рук

  Сотворение человека Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg