Содержание

1 Общая таблица эволюции и строение организмов

Общая таблица эволюции и строение организмов

Введение и единая биологическая таблица

Дорогие ютубогены и ютубогении! В прошлой лекции мы намекнули на существование общей биологической таблицы Менделеева, содержащей перечень удачных решений и даже шуток эволюции. По всей видимости, она одинаковая для всех обитаемых миров.

На это указывают типовые животные, постоянно воспроизводящиеся эволюцией на разных этапах развития, из совершенно разных субстратов.

Типовые животные и параллельная эволюция

Сумчатые млекопитающие

Например, сумчатая белка очень похожа на белку обыкновенную. Они одинаковые не только внешне, но и по уровню развития, в отличие от дельфина и акулы. Но между ними колоссальный эволюционный зазор на два порядка больше, чем между слоном и жирафом.

Когда разделились сумчатые и обычные млекопитающие? 120 миллионов лет тому назад. Очевидно, белок мы найдём и на Альфа-Центавра, если там будет развитая жизнь. А также крокодилов, енотов, птиц и китов.

Разумные существа на других планетах

И, конечно, в случае разумных существ мы столкнёмся почти с полным двойником человека. Потому что шар — шар, и на Альфа-Центавра шар человека эволюция обкатывала 4 миллиарда лет. Значит, на выходе могло получиться только то, что получилось с огромной степенью вероятности.

При этом всякого рода экстравагантности тоже будут присутствовать в общем наборе. Там, где им положено — то есть в загоне и в депо. Природа делает все, что можно делать. Это всё разнообразно, иногда парадоксально. Но из-за жесточайших ограничений на выживаемость количество вариантов небеспредельно.

И кунсткамеры разных миров будут тоже сильно походить друг на друга — с некоторыми частностями, обусловленными влиянием немного разных планет и редкими исключениями, которые в биологии встречаются всегда.

Три фундаментальные схемы строения

Существует три фундаментальных схемы строения многоклеточных организмов:

Каркас внешний (экзоскелет)
Каркас внутренний (эндоскелет)
Отсутствие каркаса

Согласитесь, ничего больше быть не может. Что делает природа? Природа всегда делает все. Она разрабатывает все возможные конструкции. Если они жизнеспособны, отрабатывает их до конца с неимоверным упорством. Она никогда ничего не забывает и никогда ничего не сдает в утиль, если оно само туда не падает.

Это означает, что на всех планетах всегда будут с железной последовательностью отрабатываться три типа несущих конструкций.

Внешний скелет: насекомые и пауки

Линяющие первичноротые

Внешний скелет — это линяющие первичные роты. С точки зрения видового разнообразия, это самая пышная часть генеалогического древа земной жизни. Насекомые — огромное разнообразие, удивительное. Насекомые завоевали сушу, подавляющее большинство их видов сухопутные. Это самые эволюционно продвинутые существа на планете, дошедшие до стадии социальных суперорганизмов.

Миниатюризм как следствие дыхания

Но у этих организмов есть изначальный порог — миниатюрные размеры, обусловленные отсутствием жабр и лёгких. Трахеи насекомых — то есть мелкие ветвящиеся трубочки, имеющие выход на поверхность тела — не обеспечивают насыщение тканей достаточным количеством кислорода при хоть сколько-нибудь крупных размерах.

В далёком прошлом на Земле был период избыточного содержания кислорода, и тогда некоторые виды насекомых были больше. Но это сильно преувеличено. Вроде бы обнаружили отпечатки стрекоз с размахом крыльев в 70 сантиметров. Но не нужно думать, что они при этом сохраняли подвижность маленьких насекомых. Они были заторможенными. Посмотрите на крупных насекомых, на неживущих. Они двигаются медленно, а при увеличении на порядок они были бы почти полностью неподвижны.

Пауки как двойники насекомых

Пауки — это двойники насекомых, показывающие, что создание миниатюрных животных с внешним скелетом — это самый очевидный стандарт. Знаете, в чём принципиальное отличие пауков и насекомых? Понятно, что у насекомых шесть лапок, а у пауков восемь, но это не принципиально.

Пауки появились позже насекомых, поэтому они заняли более высокий этаж пищевой пирамиды. Практически все пауки — хищники, питающиеся насекомыми.

Скорпионы

К паукообразным относятся скорпионы. Не путайте — их часто отождествляют с ракообразными. Действительно, на пауков они совсем не похожи, но очень похожи на раков. Но это просто ещё одно технологическое решение, многократно воспроизводимое природой. И вот это будет всегда и везде. Поэтому если вы прилетите на Альфа-Центавры, на Бетельгейзы, вы там увидите это обязательно. Это элементарно, почти первое, что приходит в голову, когда речь идёт о конструировании живого организма.

Ограничения насекомых и проблема размеров

Почему природа не напряглась и не создала у насекомых и пауков серьёзные органы дыхания, рассчитанные на обеспечение потребностей крупного организма? Ведь крупные организмы имеют очевидный бонус.

Природа и напряглась. Это ракообразные.

Ракообразные и жабры

Полноценное дыхание

У ракообразных есть жабры, не гомологичные, а аналогичные жабрам вторичноротов. Но в отличие от лёгких пауков, жабры ракообразных, как и жабры рыб, обеспечивают полноценное дыхание. Поэтому у этой группы животных наблюдаются достаточно крупные размеры — до 20 килограммов.

Для сравнения вес самого крупного насекомого — 70 грамм. Это уникум. Реально там даже грамм 20 — это уже очень большое насекомое.

Проблема линьки у крупных животных

Три типа линьки

По длинному в бытовом языке понимают совершенно разные процессы.

Перво — это сезонная смена перьев и волосяного покрова. Этот процесс характерен для очень многих млекопитающих и птиц. Здесь нет ничего страшного, организм этого почти не замечает. Небольшой почесон — и всё.

Второе — радикальная смена кожного покрова. Она наблюдается у многих ящериц и особенно эффектно происходит у змей, которые сбрасывают старую кожу как чулок. Это связано с тем, что плотная кожа, покрытая чешуей, не поспевает за ростом организма.

Третье — это линька у насекомых, пауков и особенно у ракообразных. У всех этих животных есть внешний экзоскелет. К жёстким внешним покровам, большей частью хитиновым, прикреплены мышцы.

Сложность смены внешнего скелета

Представьте себе, что человек периодически обновляет свой скелет. Он растворяется, а на его месте растают новые чуть побольше. Представляете, какая это сложнейшая инженерная задача и какие колоссальные физические усилия должен тратить на это организм!

Насекомые и пауки маленькие, кроме того, у них внешние покровы часто мягкие. Представьте себе, как линяет лобстер. Он это делает часто — сначала вообще непрерывно, а затем раз в год. Каждый раз он увеличивается в размерах на 15% и на 50% по весу.

У старых особей линька замедляется до разов в несколько лет, но с каждым разом это всё более энергозатратный процесс. Это огромный эволюционный тупик, приводящий к тому, что большинство ракообразных маленькие, как и большинство насекомых. 20-килограммовый японский краб или огромный лобстер — это аномалия. Реально полкило — это уже много.

Жизненный цикл лобстеров

Интересен жизненный цикл крупных ракообразных. Лобстеры растут всю жизнь, и у них нет механизма старения клеток. Они бессмертны и умирают от линьки. Живут они, кстати, долго — лет 40. Каждая линька — это рождение нового животного.

Это происходит не у устрицы с очень примитивным внешним покровом. Посмотрите на лобстера — это один из самых сложных по своей внешней конфигурации организмов. Там чертова прорва конечностей очень сложных, и они все разные. Неудивительно, что в результате каждой линьки погибает 10-15% крупных особей.

В течение месяца животное находится в обморочном состоянии, ничего не ест, заползает в какую-то щель и приходит в себя.

Мозг линяющих

Есть ещё одна причина миниатюризации насекомых и пауков. Небольшие организмы переносят линьку сравнительно легко, а вот дальше проблемы нарастают как снежный ком. У крупных линяющих все силы брошены на решение сложнейшей задачи периодической смены внешнего скелета.

И задача решена с блеском. Но на сушу ракообразные так толком и не вышли, и на хоть сколько-нибудь серьёзное увеличение нервной системы сил у них уже не хватило.

В это трудно поверить, но мозг речного рака равен мозгу мухи. За некоторыми исключениями, все линяющие первично-роты безмозглые. Процессор у них, конечно, есть, но это компьютер, а не мозг.

Моллюски и спиральная симметрия

Отказ от линьки

Спиральные первично-роты, то есть прежде всего моллюски или иначе мягкотелы, это организмы, отказавшиеся от технологии линьки. У моллюсков есть внешний скелет в виде раковины, но он не сбрасывается, а растёт вместе с организмом, как наш внутренний скелет.

Таким путём можно наращивать только два типа примитивных внешних скелетов: это или конус, или две створки. Конус длинный и для компактности довольно быстро начал закручиваться в спираль. Понятно, что и на других планетах мы найдём оба этих решения — то есть улиток и устриц.

Ограничения раковины

Простота формы позволила создавать достаточно прочные конструкции — большинство хищников не в состоянии сломать раковины. Но это же обстоятельство превратило моллюсков в малоподвижных животных и наложило ограничения на их размер. Но этот запрет не такой сильный, как у линяющих. Есть раковина размером в метр и весом в 200 килограмм. Но это уникум, ракушки обычно довольно мелкие животные.

Головоногие и прорыв в эволюции

Отказ от раковины

Понятно, что имея раковину, затруднительно вести хищный образ жизни. Поэтому на известном этапе эволюционного развития моллюски приняли решение от раковины отказаться. Это резко увеличило их подвижность, но в то же время их не уничтожило. Потому что к этому времени они уже обладали достаточно крупными размерами, развитой нервной системой и сами по себе были самодостаточными для успешной обороны. Такую величину обусловило наличие хорошей системы дыхания. У моллюсков есть жабры, а у сухопутных улиток лёгкие.

Проблема конечностей без скелета

Отсутствие скелета решило много вопросов. Но нет скелета, нет полноценных конечностей. Мягкие щупальца — это отличное решение для водной среды. У многих головоногих они достигли очень высокой степени специализации, включая наличие присосок и крючков. Благодаря развитой нервной системе, она у головоногих очень развита, звери прекрасно управляются с одновременной манипуляцией 8-10 конечностей.

Но на суше щупальца совершенно бесполезны. Кальмар или осьминог на берегу превращается в беспомощную амёбу.

Те моллюски, которые всё-таки выползли на поверхность земли и пришли к сухопутному образу жизни, справедливо стали символом медлительных животных. На одной ноге далеко не уползёшь. Отсутствие скелета перекрыло путь на суше к крупным или хотя бы средним спиральным. Небольшой сухопутной слизи не имеет размера в 15 сантиметров.

Прорыв головоногих

При этом эту ветвь эволюции отработала до конца и достигла впечатляющих успехов. Прорыв был достигнут в классе головоногих.

Во-первых, они создали почти замкнутую кровеносную систему. Это очень важно для терморегуляции, для равномерного снабжения кровью всех органов.

Во-вторых, они почти создали позвоночник. Головоногие сначала отрастили себе раковину, а потом эту раковину редуцировали. У большинства видов небольшая раковина сохраняется внутри тела как рудимент. Но у кальмаров и особенно у каракатиц она часто выполняет функции позвоночника — это большой вытянутый стержень. Ещё немного, каких-нибудь 100 миллионов лет, и появились бы псевдохордовые.

Понятно, что таким образом они всё равно не получили бы жёсткие конечности. Так что и тут достигнут лишь промежуточный результат.

Мозг головоногих

Головоногие отрастили довольно солидный мозг. Про их мозг мы поговорим отдельно. А сейчас отметим, что развитый мозг, а не просто процессор, есть не только у вторичных ротов, но и у некоторых первичных ротов. У осьминога есть элементы сознания. Это очень важный факт, указывающий на глубокую закономерность неограниченного усложнения нервной системы.

Очень интересно сравнить строение мозга головоногих и позвоночных, потому что это два абсолютно разных варианта. Это отдельная большая тема.

Вторичноротые и внутренний скелет

И наконец, вторичные роты. Примитивные вторичные роты, от которых произошли хордовые — это иглокожие. У иглокожих есть зачатки внутреннего скелета, известковые пластинки. Иногда они торчат наружу, как иглы у морского ежа.

Почти все вторичные роты и только вторичные роты — это животные с внутренним скелетом. Это решило все проблемы на сотни миллионов лет вперёд и обеспечило им огромное превосходство над первичной ротой. Это было ясно с самого начала, и не стоило париться. Но эволюция — это опора, которая лезет во все щели. Тему надо было отработать, и её отработали. Вряд ли там появится что-то новое хотя бы через миллиард лет. Там будет постоянное хождение по кругу, потому что это системная ошибка.

Иглокожие и пятилучевая симметрия

Радиальная симметрия

Иглокожи вообще не двусторонне симметричные. Они пятисторонне симметричные. У них радиальная симметрия, и у всех пятилучевая. Вроде бы морские ежи не пятисторонние. Но если приглядеться, то они пятисторонние. Это хорошо видно по их челюстям, состоящим из пяти частей.

Галлотурии, морские огурцы — двусторонне симметричный червяк маскируется. Несмотря на двусторонне симметричное расположение многих органов, это пятисторонне симметричное животное. Это доказано, это медицинский факт. У древних видов галлотурии хорошо видна пятилучевая симметрия.

Личиночные стадии

Личинки и морских звёзд, и морских ежей двусторонне симметричны. А откуда у них тогда взялась пятисторонность? Радиальная симметрия характерна для полипов и некоторых грибневиков. Вероятно, это редукция, атавизм, не характерный для первичных ротов.

Нечётность и количество конечностей

У первичных ротов есть псевдорадиальная симметрия, например, осьминог с его восьмью щупальцами, расположенными кругообразно. Но если внимательно присмотреться, это двусторонне симметричное животное. А тут вообще нечётное число конечностей.

Более того, эта нечётность видна в строении окончаний конечностей позвоночных. Пять пальцев — это базисное число. Пальцев может быть меньше, если они редуцировались, но никогда больше. У панд и у некоторых лемуров есть псевдошестой палец. На самом деле это аномальное развитие обтянутой кожи и косточки запястья.

Происхождение пятипалости

Считается, что количество пальцев определялось количеством лучей в основании плавников рыб. И первые амфибии имели иногда большее количество пальцев — шесть или даже семь. На это указывают сохранившиеся окаменелости. Получается, что пятипалость — это достаточно случайное событие. Но не совсем понятно, почему выжили именно пятипалы. Ведь никаких особых преимуществ пятипалость не дает.

Вероятно, пятипалов с самого начала было гораздо больше. А больше их было потому, что пятёрочка была прошита в самих основаниях вторичной роты.

Тройные манипуляторы иглокожих

Какой самый примитивный тип конечностей, впервые появившийся у вторичной роты? Это игольчатые манипуляторы у морских ежей и звёзд, так называемые педицелярии. Они часто имеют не две, а три створки. Найдите такой орган у первичной роты. Возможно, в виде аномалии он может где-то и встречается, но вот так с ходу я не могу припомнить.

Посмотрите на очень специализированные конечности многих ракообразных. Там везде двусторонняя симметрия, и все конечности имеют раздваивающиеся, а не расстраивающиеся отростки.

Голова как пятая конечность

Глубокая пятилучевая симметрия

И обратите внимание, что у вторичной роты радиальная симметрия лежит глубоко внутри. На личиночной стадии морские звёзды двусторонне симметричны, а затем внезапно переходят в пятилучевой симметрии. Кстати, некоторые звёзды имеют меньшее или большее количество лучей, но никогда меньше трёх.

Хотя галлотурии вот такие червяки и являются. Но следите за руками. У галлотурий есть личиночная стадия, а все личиночные стадии иглокожих, так же как и ракообразных — это маленькие медузки. Они двусторонне симметричны, но дальше галлотурии не превращаются в пятисторонних. Они продолжают внешне быть двусторонне симметричными, но уже псевдодвусторонними, потому что у них очень глубоко внутри в самом базисе прошита пятисторонность.

Они не могут от неё отказаться, хотя она им совершенно не нужна. Она им не нужна на личиночной стадии, она не нужна для взрослой особи. Но они её полюбили и не могут от неё отказаться, хотя никаких внешних преимуществ это, естественно, не даёт.

Пятилучевость у всех вторичных ротов

И вот это и есть главная фишка, отличающая две группы двусторонне симметричных животных. Вторичные роты — это псевдодвусторонние. У них частично в самых основаниях, в самых первых строчках кода прошита пятисторонность. И из этого вытекает другое фундаментальное отличие вторичных ротов: у них есть голова.

Голова у первичных ротов

Как это ни парадоксально, но у подавляющего числа типов первичных ротов головы нет. Смотрите: головоногие — головы нет, ракушки — головы нет, ракообразные — головы нет, есть головогрудь. И то же самое у пауков. Единственная крупная группа первичных ротов, у которых есть голова — это насекомые.

Действительно, легко различимая голова есть у множества видов насекомых, например, у ос, богомолов и так далее. Но на самом деле это не совсем голова. Это передняя часть туловища, отделившаяся от него в результате дальнейшей специализации.

Легко назвать головой и переднюю часть пиявки или улитки. Там находятся рот и основная часть органов чувств, глаза, антенны и так далее. Но это ещё не делает голову головой. С точки зрения строения внутренних органов, она не отделена от туловища и там нет мозга. Мозг, или точнее ганглии, находятся в туловище, а в голове находится только их передний узел, анализатор чувств и узел, ответственный за жевание и глотание.

Таракан живет без головы 9 дней и умирает от истощения — ему нечем есть. Это орган зрения и пищеварения, но не общего контроля. Вообще, голова насекомых — это орган лишь аналогичный голове вторично-ротов.

Строение морской звезды и голова позвоночных

Что особенного в строении морской звезды? Внутренние её конечности есть элементы туловища, в них расположены внутренние органы, например кишки. Число которых таким образом пятикратно увеличено. Поэтому морские звёзды могут не только регенерировать конечности, но одна конечность может регенерировать остальное туловище четырьмя конечностями.

Это объясняет очень сложное строение пятой конечности вторично-ротов, головы, и одновременно показывает, что это именно конечность, а не выделившийся сегмент туловища. Голова вторично-ротов — это особый агрегат, отделённый от остального тела.

Если говорить о человеке как организме, то это голова. Голова — это и есть тело человека. А собственно тело — это не тело человека, а тело головы, обеспечивающая её жизнедеятельность.

Гематоэнцефалический барьер

Голова отделена от остального тела гематоэнцефалическим барьером. Его имеют все позвоночные животные. Этот барьер был обнаружен в конце XIX века. Биологи вводили в кровеносную систему крысы краситель, и внезапно оказалось, что все ткани крысы окрашиваются, а голова нет. То есть крыса синяя, а голова у неё по-прежнему белая или серая.

Гематоэнцефалический барьер — это сложнейшая многоступенчатая система. Фактически у позвоночных два типа кровеносных сосудов — в голове и в других частях тела. Они по-разному устроены. Там колоссальная система фильтров, избирательно перекрывающая или наоборот стимулирующая поступление различных веществ в мозг. Причём механизмы ввода и вывода разные.

Барьер предохраняет мозг от 99% видов вредоносных микроорганизмов и изолирует от влияния нейромедиаторов, не предназначенных для попадания в нервную ткань. Само наличие этой системы делает голову фактически особым организмом, изолированным от остального тела.

Количество конечностей первичных и вторичных ротов

Почему у первичных ротов много конечностей

Но мы не ответили, почему у первичных ротов конечности 6 и более, а у вторичных ротов 4 или 5? Это обстоятельство невозможно объяснить простой случайностью, слишком фундаментально.

Вероятно, дело в том, что первичные роты — это жёстко двусторонне симметричные животные. И для этой схемы наиболее естественно развиваться, наращивая количество сегментов. Отсюда появление многоножек — примитивные членистоногие, наращивающие длину, воспроизводя подобно червям одинаковые сегменты.

Да и сами черви круглые и кольчатые. Запомните, человек не имеет к червям никакого отношения. Это тупиковая ветвь эволюции первичных ротов. Может быть, он произошёл от самых примитивных плоских червей, которые уже из-за своего названия червями считать не совсем корректно. Но это не доказано.

Отсюда большое количество конечностей у первичных ротов. Поскольку для маленьких организмов увеличение числа конечностей — это плюс, меньше шести их не бывает.

Фундаментальность количества конечностей

В общем, конечно, случайность, что у пауков, например, 8 конечностей, а у насекомых 6 — могло быть наоборот. У них могло быть одинаковое число конечностей. Но с точки зрения строительства организма после его зарождения, количество конечностей — это фундаментальное свойство. В зависимости от этого происходит сортировка клеток на самых ранних этапах развития эмбриона.

Поэтому если уж выпало определённое количество конечностей, далеко от этого организму уйти уже трудно.И только в сторону редукции, а не увеличения.

Редукция конечностей у крупных животных

Понятно, что для крупного сухопутного животного лишние конечности — только обуза. Представьте лошадь с шестиногами. Особого увеличения скорости это не даст, а вес увеличит сильно. В общем, шестиноги будут проигрывать в скорости раза в два.

При этом схема движения с шестью конечностями очень ограничена. Представьте лошадь, перешедшую на галоп. Для медленного перемещения тоже шестиногость ни к чему.

Представьте слона с шестью ногами. Ему надо кормить две лишних ноги. А какой смысл? Устойчивости это не прибавляет, скорости тоже. А общую массу тело повышает.

Поэтому если бы крупные первичные роты вышли на сушу и развились в крупные организмы, количество их конечностей бы неизбежно уменьшилось за счёт редуцирования.

Четырёхконечность вторичных ротов

С другой стороны, четыре конечности вполне хватает и небольшим животным. Многоконечность — это атавизм в первичных ротах, обусловленный продольным строением их тела. Вторичные роты — это животные с немного другим типом симметрии, смешанным. Если первичные роты — это чёт, то вторичные роты — нечёт, но неотчётливый.

Поэтому для них сегментированное увеличение конечностей было большой проблемой. Они их наращивали кругообразно. Например, некоторые афиуры удвоили число конечностей — их стало не пять, а десять. У некоторых морских звёзд пятьдесят конечностей. Но переход на двусторонню симметрию заблокировал подобное увеличение конечностей.

Выводы о внеземных организмах

Вторичноротость инопланетян

Подытожив сказанное, можно заключить, что инопланетяне всё-таки скорее всего будут вторично-ротами.

Во-первых, вторичная ротость выворачивает зародыша на изнанку и обеспечивает возникновение внутреннего покрова, внутреннего скелета.

Во-вторых, вторичная ротость косвенно указывает на мягкую прошивку двусторонней симметрии, что в дальнейшем облегчает возникновение второй системы внутренних органов, причём крайне узкоспециализированной головы. Настоящие головы вырастут на передней части туловища.

Конечности пришельцев

Количество пальцев на руке пришельцев — это, конечно, как повезёт, но подозреваю, что процентов 50 будут пятипалами. И, конечно, расположены они будут по типу варежки по схеме щипцов 4+1. Четыре одинаковых пальца не обязательно, а варежка обязательно. А как ещё сделать манипулятор, способный захватывать мелкие предметы и их потом метко кидать? Только так.

Почему пятилучевая симметрия

Вопрос, почему базисным числом оказалась именно пятёрочка? Пятилучевая звезда легко переворачивается, если падает на спину. С четырьмя лучами ей это делать трудно. Больше пяти — пользы особой нет, но и вреда нет. Пусть будет, если особь жизнеспособная.

Нет иглокожего пятилучевика — нет дальнейшей продуктивной эволюции. Таков сценарий.

Заключение

На этом завершим нашу лекцию. Мы рассмотрели фундаментальные принципы строения жизни на Земле и пришли к выводу, что эти же принципы будут действовать и на других планетах. Эволюция не творит чудеса — она находит оптимальные решения и использует их везде. Инопланетяне не будут ни кардинально другими, ни просто копиями человека. Они будут результатом той же игры природы, по тем же правилам, со слегка другими параметрами.

189. Дети звезд. Лекция №12 по астроломии