Позвоночные анамнии и амниоты
Около 320 млн. лет назад на Земле появились земноводные (амфибии) и стали первыми наземными позвоночными животными, однако, связь с водой после выхода на сушу они сохраняют и до настоящего времени.
У современных амфибий яйца (икринки) не имеют плотных оболочек и могут развиваться только в воде или в очень влажной среде. Созревшие личинки по выходу из икринок ведут водный образ жизни и постепенно приобретают вид и особенности своих родителей, ведущих наземный образ жизни.
Характерная особенность всех амфибий – отсутствие плотных кожных покровов, лишь у некоторых видов кожа несколько утолщена (рис. 1, 2).
Рис. 1
Около 300 млн. лет назад климат на Земле начал меняться, становиться более сухим. В связи с этим сократились размеры лесов, водоемов, уменьшились тоже и болота, а пустоши и степи стали расширяться, занимая все большие площади земного шара. Эти изменения не могли, не отразится на развитие растений и животных.
Вдали от воды, в местах недоступных земноводным, стали появляться древние пресмыкающиеся – так называемые рептилии – несомненно, ведущие свое родство от древних земноводных. Разнообразие жизненных условий в различных местах экосистемы было главной причиной возникновения разнообразных видов пресмыкающихся, о чем свидетельствуют их останки из различных областей, находящиеся во многих музеях мира.
Рис. 2
Какие же у них произошли изменения? Прежде всего, на яйцах появилась плотная оболочка на ощупь напоминающими резиновые мячики, но у некоторых видов имеется известковая оболочка, так что их можно было откладывать на суше. Кроме того эти рептилии стали откладывать крупные яйца с большим количеством желтка. Развитие зародыша удлинилось, но зато вылупляться стали не беспомощные личинки, а вполне сформировавшееся животное, отличающиеся от взрослого только меньшей величиной и уже приспособленное к жизни на суше.
Взрослые пресмыкающиеся рептилии, также приобрели необходимые на суше изменения. У них образовались ороговевшая кожа, препятствующая их испарению, однако они остаются холоднокровными животными; температура их тела зависит от температуры окружающей среды.
Более совершенная дыхательная система выработалась у позвоночных, вышедших на сушу, и предопределила целую цепь анатомических последствий их организма. Легочное дыхание позволило им освободить кожу от этой функции, и изолировать друг от друга большой и малый круги кровообращения, отделить венозную кровь от артериальной, и тем самым увеличить уровень энергетического обмена организма. Сердце и артериальные дуги более дифференцированы: имеется – хотя у большинства и неполная – перегородка между левой и правой частями желудочка сердца, из которой выходят три самостоятельных ствола, а не один, как у амфибий. Процесс дыхания стал более активным, легкие приобрели ячеистое строение, т. е. увеличилась их рабочая поверхность.
В связи с обитанием на суше, конечности их пояса более мощные и более прочно укрепленные. Так крестцовых позвонков два, а плечевой пояс, в связи с наличием грудной клетки, связан с осевым скелетом (а не лежит свободно, как у амфибий). Также в скелете этих животных, наряду с появлением ребер, сильно удлинился шейный отдел, и голова стала более подвижной. При схватывании добычи они поворачиваются не всем телом, как это делают земноводные и рыбы, а только голову. Один затылочный мыщелок, который сочленяет череп с позвоночником, позволяет это делать.
Все эти инженерные решения создали возможность одеть икринку особой оболочкой (амниомом), как бы создавая маленький искусственный водоем и делающий развитие зародыша независимым от водной среды. Отсюда фундаментальное разделение позвоночных на низших и «прикованных к воде» и размножающихся икрой анамний (рыб и амфибий) и высших «истинно сухопутных» амниот (пресмыкающихся, млекопитающих и птиц).
Основные черты высших, т. е. наземных позвоночных, наглядно выражены у рептилий. Головной мозг у них относительно более развитый – характерно появление вторичного и мозгового свода – зачатка серой коры больших полушарий.
Было время в мезозое, когда на Земле одновременно существовало до 16 отрядов этого класса рептилий. Сейчас по современной квалификации осталось только четыре:
Отряд 1. Клювоголовые (гаттерия)
Отряд 2. Чешуйчатые
Подотряд 1. Ящерицы
Подотряд 2. Хамелионы
Подотряд 3. Змеи
Отряд 3. Крокодилы
Отряд 4. Черепахи.
Название этого класса позвоночных животных – рептилии – происходит от греческого слова «Reptare», что в переводе на русский язык означает «ползать на брюхе». Пресмыкающиеся – это название происходит от слова пресмыкать, т. е. тащить по земле, тащиться ползком.
Однако название этой группы высших позвоночных животных рептилиями или пресмыкающимися неверно, т. к. к таким волочащим свое тело животным можно причислить только змей и некоторых черепах и ящериц. А вот крокодилы, вараны и многие ящерицы бегают, высоко приподнимая свое тело на ногах. Некоторые сухопутные черепахи также не волочат тело. Некоторые ящерицы, агамы и игуаны способны пробегать большие расстояния на одних только задних ногах. Поэтому этот класс высших наземных позвоночных (амниот) будем называть яйценесущими или завридами, или просто заврида.
Также легочное дыхание, увеличив объем грудной полости делает череп узким, но более высоким, и размещает жевательную мускулатуру сверху, а не сзади и таким образом освобождает для мозговой ткани большее место. Такое расположение жевательных мышц позволяет им лучше удерживать схваченную добычу.
Современные обряды яйценосных заврид
На основе того, как трансформировался исходный крышевидный череп, высших позвоночных, как современных, так и вымерших, выделены три группы: анапсиды, диапсиды, синапсиды. Такое разделение дополнительно выделяет их характерные особенности.
У анапсидной группы черепа массивные и лишены облегчающих их конструкцию «впадины окон». Имеются только пять отверстий: по два для глаз и одно теменное (рис. 3).
Рис. 3
Рис. 4
Такие черепа у черепах и ряда вымерших заврид, например, у парейазавра (рис. 4). У диапсид конструкцию черепа облегчают два «височных окна», от краев которых отходят челюстные мышцы и две «скуловых дуги», – верхняя и нижняя (рис. 3). К этой группе принадлежат все остальные яйценесущие завриды, как ныне живущие, так и вымершие.
К сипансидной группе относятся все животные, у которых одно височное окно и одна скуловая дуга (рис. 3).
Высшим позвоночным требовалось приспособить тело от иссушения, обогащение дыхания кислородом воздуха, хождение по твердому субстрату, способность размножаться вне воды, усложнить форму поведения.
Древние яйценесущие завриды известны из верхнепермского периода девона – стегоцефалы. По ряду признаков они еще очень близки к панцироговым амфибиям. Их череп представлял сплошную костную коробку с пятью отверстиями для глаз, ноздрей и теменного органа. Шейный отдел позвоночника был слабо оформлен, крестец имел только один позвонок, в плечевом поясе, сохранялся клейструм – кожная кость, свойственная рыбам; конечности короткие и широко расставленные, среди них трехметровая – сеймурия (рис. 5). С начало, это были небольшие, похожие на ящериц хищники, но постепенно начали появляться все более крупные древние завриды, которые все чаще переходили на растительную пищу. В начале триаса появились псевдозухии также похожие на ящериц (см. там же).
Рис. 5
К древнейшим завридам относятся котилозавры по ряду признаков еще очень близких стегоцефалам и достигли расцвета в средней перми и в дальнейшем уступили место более высокоорганизованным и специализированным группам, которые приобрели большую подвижность; скелет их стал более легким но и более прочным. Конечности стали длиннее, таз к двум и более крестцовым позвонкам. В печевом поясе исчезла кость клейтрум. Сплошной панцирь черепа подвергся частичной редукции. В связи с более дифференцированной мускулатурой челюстного аппарата в височной области черепа возникли окна и разделяющие их костные мосты – дуги, служившие для прикрепления сложной системы мускулов. Зубы клиновидные, сидящие на челюстях и на небе, челюстной сустав состоит из нескольких костей (рис. 6).
Рис. 6
Существенное изменение у высших позвоночных произошли по способу размножения. При размножении рыб и земноводных половые клетки выметываются в воду и там происходит оплодотворение этой икры. У яйце несущих видов оплодотворение возникает, когда половые клетки самцов вводятся копулятивным органом в яйцевод самки и те приникают в яйцевую клетку, т. е. у них имеет место внутреннее оплодотворение.
При таком способе яйцеклетку стало возможным одеть яйцевыми и зародышевыми оболочками (амниоталь), которые формируются при ее прохождении по яйцеводу самки, после того как произошло ее оплодотворение (рис. 7), а питание зародыша происходит за счет желтка яйца. В момент откладывания яиц в них находится заметно развитые зародыши, а последние стадии их формирования происходят вне организма матери. Они «дозревают», в каком-нибудь укромном месте, где достаточно влаги и тепла, и выжидают вылупления молоди из яиц.
Схема развития яйцевых оболочек у степной черепахи в различных отделах яйцевода: 1- яйцеклетка; 2 – белковая оболочка; 3 – волокнистая оболочка; 4 – скорлуповая оболочка.
Рис. 7
В этом «продвинутом» способе размножения организм самки является как бы инкубатором, поскольку здесь непосредственной связи зародыша с организмом матери, вплоть до выхода детеныша из яйца не происходит.
Наряду с откладыванием яиц у заврид существует и яйцеживорождение, при котором яйценосности происходят внутриутробно, в половых путях, а детеныши вылупляются из яиц в организме матери самки, и сразу после этого выводятся из нее во внешнюю среду и далее они ведут уже вполне самостоятельное жизненное существование.
Наконец, у некоторых видов заврид (гадюки, ящеры) формируются так называемая желточная или примитивная плацента, т. е. им свойственно настоящее живорождение. При этом кровеносные сосуды желточного мешка тесно сближены с сосудами маточного отдела яйцевода и питание эмбриона идет частично за счет организма матери. Зародыш полностью развивается внутриутробно в этой примитивной плаценте, а после рождения самостоятельно кормится в безопасном укрытии от непогоды и хищников.
Таким образом, амнеоты освоили два способа размножения с самых древних времен: неполное и полное внутриутробное развитие эмбриона в яйце, а также внутриутробное развитие в примитивной желточной плаценте, т. е. живорождение.
В отложениях пермотриасовой системы, на всех материках, включая и Антарктиду, найдены многочисленные фрагменты окаменевших костей, и даже полные скелеты, особой группы животных – так называемой звероподобной.
Более ста миллионов лет эти животные жили на Земле, и природой было определено выступить в своем эволюционном развитии на более перспективный путь. Звероподобные приобрели многие черты будущих млекопитающих, и стали их прародителями.
У одного из отрядов звероподобных череп совершенно такой же, как у современных хищных зверей, и соответствует черепу собак или волков. На их челюстях губы не монотонно однообразные колышки, как у яйценесущих заврид, а разделены на резцы, клыки и коренные. Обладая такими зубами, они впервые в истории Земли стали жевать свою пищу. Кроме них этого не мог делать никто из животных. Поэтому этих животных стали называть – зверозубые.
Самых примитивных звероподобных палеонтологи обнаружили в отложениях карбона и определили в отряд «Пеликозавров», как непосредственных родственников котилозавров.
Так они обладали двояковыгнутыми позвонками и брюшными ребрами, зубы их сидели в альвеолах, а внешностью походили на ящериц и имели размера – 1–2 м. У них намечалась, хотя и небольшая, дифференциация зубов с двумя крупными клыками (рис. 8).
Рис. 8
Пеликозаврами без сомнения были, существами вполне холоднокровными, но первые опыты по температурному контролю своего тела они начали.
Многие приобрели так называемый «парус» – высокие отростки позвоночника с остовом из мягких тканей, где между отростками проходили кровеносные сосуды. Парус служил для быстрого поглощения или отдачи тепла и был примитивным теплорегулятором.
В средней перми пеликозавров сменили более высоко организованные животные – так называемые зверозубые. Зубы у них были явственно дифферинцированны; появилось вторичное костное небо обеспечивающее дыхание во время еды.
Единый затылочный мыщелок сочленяющий череп с позвоночником, разделился на два, и шея стала более подвижной. Нижняя челюсть, в основном была представлена зубной костью. Положение конечностей тоже изменилось. Локоть переместился назад, а колено вперед, и в итоге конечности начали занимать положение под туловищем, а не по бокам.
Усложнение кожных покровов стало играть важную роль, если она не ороговевшая, а мягкая с многочисленными и однообразными железами. Железы превращаются в дополнительный орган выделения – потовые железы, которые являются еще и терморегулятором. Пот, испаряясь охлаждает поверхность тела, а если эти волоски достаточно густые, то создается волосяной теплоизолирующий покров – шерсть.
Среди древних зверозубых был циногнатус (рис. 9) из раннего триаса. Длиной 2 м, череп с хорошо развитыми зубами разной формы, напоминающий собачий. Были губы и щеки, а следовательно слюнные железы. Доказано, что имелись «усы – виброссы» – осязательные волоски на морде (это установлено потому как кровеносные сосуды проходили на черепе). Циногнатус был хищником, его тело покрывала шерсть, а на брюхе самки имелись молочные железы, а следовательно их детеныши были живорожденными и питались молоком матери.
Рис. 9
Рис. 10
Это были более высоко организованной группой животных, т. к. коэффициент цефализации (отношение веса мозга к весу тела) заметно выше, чем у современных яйце несущих заврид.
Поэтому этих примитивных животных будем называть млекопитающие или звери, их необходимо отнести в ранг классификации этих животных и ко второй эволюционной ветви позвоночных.
Среди них были специализированные растительноядные формы вроде дицинодонт (рис. 10), достигавшего размера быка и имевшего выступающие «моржевые клыки» в верхней челюсти. Крупные хищники – такие как и горгонопс, чем-то похожая на саблезубого тигра, а так же мелкая Двиния – похожая на мелкую всеядную крысовидную форму, с шерстяным покровом, а следовательно теплокровную (см. тамже).
Таким образом обе ветви амнеот начали восхождение к вершинам эволюционного развития одновременно и параллельно на разных этапах своего пути. 300 млн., где успех сопутствовал то одним то другим.
У зверей синапсидный тип черепа с одним височным окном, от краев которого отходят челюстные мышцы и одна скуловая дуга с чешуйчатыми и заглазничными костями.
Первыми успеха добились звери (рис. 11), из – за своих более прогрессивных черт, которые мы перечислили выше. И они господствовали на протяжении всего карбона. Однако в триасе яйце несущие завриды выходят на первые роли, которых принято называть динозаврами. Этому способствовало отказ от использования для передвижения передних конечностей, а только задних, т. е. двуногохождение.
Рис. 11
У динозавров тело было приподнято над землей, т. е. снизу корпуса, гораздо выше, чем у современных заврид, с их широко расставленными конечностями. Об этом свидетельствуют сохранившиеся следовые дорожки – такие же как у птиц и зверей. Прямохождение выработалось у этих древних животных уже у самых первых их представителей (псевдозухии в перми рис. 6). Отказавшись от использования пояса передних конечностей и перестроив опорный таз в триасе, динозавры выработали высокоскоростное двуногохождение, что также позволило наращивать размеры своего тело до 30 тонн.
Двуногость открыли завридам путь к 130 миллионолетнему владычеству на суше, в воздухе и воде. Было много четвероногих растительноядных динозавров, но их предки двуногие, опустившиеся на четвереньки. Но двуногость позволила преобразовать передние конечности в летущие крылья, освоить полноценный активный полет и полностью захватить воздушное пространство.
Однако, на наш взгляд, яйценосный способ размножения сыграл в успехе динозавров, в тот период, более существенную роль т. к. он более продуктивен, чем живородность. Плодовитость у заврид от одного яйца, до несколько десятков, а у зверей от одного, и редко до десяти детенышей у мелких животных.
Совершенство яйценосного размножения позволило динозаврам быстро заселить всевозможные экологические ниши: наземные, воздушные, водные попутно производя разнообразные формы и виды, расселяясь по всему земному шару – от Антарктики, до Антарктиды.
Черепахи освоили морские просторы и пресные воды. Это своеобразные животные, характерным признаком, который является наличие костно-рогового панциря или костно-кожистого из спинного и брюшного щитов (рис. 12).
Рис. 12
В большей степени черепахи связаны с сушей и появляются на свет из яйца, согретого теплом земли. Одни один раз в несколько лет, другие – по несколько раз в году. Одни откладывают сотни яиц, другие – два или пять.