Кит Харрисон - Странности нашей эволюции
Почему мы умеем пожимать плечами
Кости таза прочно сочленяются с нижней частью позвоночника, ведь сильные ноги при отталкивании от земли должны крепко соединяться с туловищем. Между тазом и позвоночником нет никаких промежуточных мягких тканей, поэтому ничто не гасит импульс движения ноги, отталкивание сразу же передает движение вперед позвоночнику, а за ним и всему телу. Передние конечности, в отличие от задних, не настолько важны для движения вперед; они скорее используются для смены направления, а для этого им нужна гибкость. У млекопитающих кости передних ног крепятся к грудной клетке и лопатке, но не жестко, а системой мышц и связок. Отличие легко продемонстрировать тем, что мы можем пожимать плечами, то есть эти сочленения более подвижные, чем сочленения костей таза. У четвероногих млекопитающих соединительные мышцы также служат амортизатором удара передних конечностей о землю во время бега на большой скорости. Поглощение удара уменьшает тряску черепа и глаз, которые во время бега должны зорко следить за окружающей обстановкой. Для нас в этом тоже есть преимущества. Если бы наши плечи крепились непосредственно к позвоночнику наподобие таза, то работать с пневматической дрелью или отбойным молотком было бы просто невозможно — они бы вытрясли из нас все мозги.
Но для древних млекопитающих прочное соединение таза с позвоночником обернулось одной проблемой. Когда одна задняя нога поднималась для того, чтобы сделать шаг вперед, весь таз нужно было приподнимать и наклонять при этом в противоположную ноге сторону. Между тем противоположная задней передняя нога на другом конце туловища заканчивала шаг, а соответствующая лопатка оставалась еще приподнятой. В результате во время ходьбы позвоночник постоянно скручивался вдоль всей своей длины — задняя часть в одну сторону, передняя — в другую. Это похоже на то, как выжимают мокрую тряпку во время мытья полов. Именно из-за этой необходимости скручивать позвоночник во время ходьбы мы теперь можем крутиться верхней частью туловища в разные стороны, стоя на одном месте. Без этой способности мы никогда бы не могли играть, например, в гольф. Другие позвоночные так делать не могут. Кроме того, только млекопитающие с гибким позвоночником и гибким креплением передних конечностей могут ложиться на бок (и вставать из положения лежа на боку). Пресмыкающиеся могут лежать только на своем брюхе.
После того как конечности стали крепиться под туловищем вертикально и двигаться взад и вперед, произошло еще одно изменение в строении тела. Позвоночнику уже не нужно было изгибаться из стороны в сторону, как у рыб; вместо этого он стал изгибаться вверх и вниз. Когда задняя конечность делала шаг вперед, задняя часть позвоночника изгибалась вниз, и благодаря этому передняя конечность касалась земли дальше, чем если бы позвоночник был жестким, а шаг делался только одной ногой. Так увеличилось расстояние, преодолеваемое за один шаг во время ходьбы или бега. Благодаря этой способности млекопитающих изгибать позвоночник в вертикальной плоскости, мы теперь можем нагибаться вперед и дотрагиваться до кончиков пальцев на ногах.
Позже эта способность позвоночника сказалась на развитии одной отдельной группы млекопитающих. Когда четвероногие предки дельфинов и китов «вернулись» в море и снова принялись использовать хвост для плавания, то он уже совершал колебательные движения вверх и вниз, а не из стороны в сторону, как у их предков-рыб.
Почему мы скачем на лошадях, а не на кошках
У гепарда способность изгибать позвоночник поистине достигла высот совершенства. Во время бега его спина изгибается словно лук, сначала вверх, затем вниз. Когда средняя часть позвоночника выгнута вниз, передние ноги простираются далеко вперед, увеличивая общий размах конечностей. Когда передние ноги касаются земли, спина начинает сгибаться в противоположном направлении, то есть вверх, так что вперед теперь устремляются задние ноги.
Из-за большой гибкости позвоночника задние ноги касаются земли даже перед передними. Затем мышцы задних конечностей толкают животное вперед, а мышцы спины распрямляют позвоночник, после чего он снова начинает сгибаться вниз. Эти движения похожи на движения гребца во время олимпийских соревнований: сначала он наклоняется вперед, пока его руки почти не коснутся ног, затем выпрямляет спину и отталкивается назад своими сильными ногами.
Благодаря своему гибкому позвоночнику гепард развивает большую скорость, но, к счастью для нас, не все млекопитающие придерживаются именно такого способа передвижения. Если бы спина лошади во время движения изгибалась точно так же, как у гепарда, то скакать на ней было бы все равно что ездить на катапультируемом сиденье.
Лошади и другие копытные животные во время передвижения практически сохраняют горизонтальное положение позвоночника. В отличие от гепардов, они не приспособлены к быстрым забегам на короткие дистанции; в процессе эволюции они приспособились к продолжительной скачке на открытой местности. Гепард действительно бегает быстрее всех остальных животных, развивая скорость свыше 100 километров в час, но только на очень коротком расстоянии. Лошадь же может равномерно бежать несколько часов подряд. Этому способствует ряд особенностей ее тела.
Задняя конечность человека, собаки и лошади (в разном масштабе). Видны различные способы опоры о землю: полной стопой (человек), на цыпочках (собака и кошка) и на вытянутом пальце (лошадь).Во-первых, ноги лошади удлинились, ее стопа вытянулась, а пятка поднялась очень высоко от земли. Многие млекопитающие, подобно ей, передвигаются постоянно на пальцах, но эволюция на этом не остановилось. Пальцы лошади тоже постепенно вытягивались, пока она не стала стоять на самых кончиках, словно балерина.
Вместе с удлиненными конечностями такая поза еще больше увеличивает длину шага и уменьшает затраты энергии на передвижение. То, что нам кажется коленом задней ноги у лошади, направленным назад, на самом деле является ее постоянно приподнятой пяткой, располагающейся примерно посередине ноги. Настоящее колено у лошади находится рядом с туловищем, и оно направлено вперед, как и следовало ожидать. То, что кажется коленом на передней ноге лошади, это на самом деле запястье. Настоящий локоть, как и у нас, направлен назад; он тоже располагается высоко рядом с туловищем.
Во-вторых, конечности лошади стали легче с утратой некоторых костей. На всех четырех ногах сохранился только один средний палец, а другие остались в рудиментарном состоянии. В стопе количество костей сократилось, а две кости голени превратились в одну. Уменьшение веса играет немалую роль в скорости, ведь каждый раз, как лошадь делает шаг, особенно во время бега, ей нужно поднять ногу и передвинуть ее вперед. Чем тяжелее нога, особенно в области стопы, тем больше усилий требуется для ее перемещения. Ногу же с малым весом поднимать и перемещать легче и быстрее.
В-третьих (но по той же причине), мощные и тяжелые мышцы ног располагаются не в районе костей, движениями которых они заведуют. У нас икроножные мышцы, которые бывают очень сильно развитыми, находятся ближе к концу наших ног, и во время ходьбы нам приходится каждый раз поднимать их. У лошади же все мощные мышцы расположены в верхней части ноги, в задней части туловища или в районе плеча. Эти мышцы связаны с нижними костями ноги легкими и прочными сухожилиями. Сокращаясь, мышцы натягивают сухожилия, и те, словно веревки, тянут кости ног. В результате лошадь с тонкими и легкими ногами может без устали непрерывно скакать на протяжении долгого времени.
Иногда сухожилия помогают совершать движения непосредственно благодаря своей природной упругости, и наиболее известное среди них — так называемое ахиллово сухожилие, идущее от пяточной кости. У кенгуру оно очень длинное, и его упругость помогает животному прыгать. Высота прыжка кенгуру зависит не столько от намеренного сокращения мышц, сколько от естественного сокращения сухожилий. Так кенгуру быстро передвигается без лишней траты энергии, подобно тому как человек на батуте высоко подпрыгивает не столько благодаря своим ногам, сколько благодаря пружинам.
Скорость и утрата пальцев
Ноги современной лошади стоят на кончиках третьих пальцев. Такое строение конечностей было у их предков уже примерно 5 миллионов лет назад, после того как те покинули леса и приспособились к жизни на равнинах.
Сокращение количества пальцев у носорога, хищного динозавра аллозавра, оленя и лошади (в разном масштабе).У многих нынешних животных, особенно у копытных млекопитающих, пальцев меньше, чем у их далеких предков. Носороги передвигаются на трех пальцах, а коровы и олени на кончиках двух, хотя они выглядят как одно копыто, расщепленное пополам (эти животные называются парнокопытными). Сокращение количества пальцев наблюдается не только у млекопитающих. Тираннозавр и его многочисленные родственники ходили на трех пальцах, а среди птиц у нелетающего страуса остались только два пальца.
