Зубы и кости — что крепче?

Практически само собой разумеется, что зубы выделяются из других органов своей исключительной твердостью. Зубы должны быть крепче, чем кусочки пищи, которые с их помощью перемалывают (представьте, каково было бы резать мясо с помощью губки). Во многих отношениях зубы тверды как камень, и это связано с тем, что в них содержится очень твердое вещество. Этим веществом, которое называют гидроксиапатитом, пропитаны изнутри как зубы, так и кости. Оно делает эти органы устойчивыми к сгибанию, сжатию и другим механическим воздействиям. Особая прочность зубов связана с тем, что их наружный слой, зубная эмаль, намного богаче гидроксиапатитом, чем любая другая структура организма, не исключая и кости. Эмаль придает зубам блеск и белизну. Конечно, эмаль — это лишь один из слоев, входящих в состав наших зубов. Более глубокий слой, дентин, тоже богат гидроксиапатитом.

В природе существует немало организмов, у которых есть очень твердые части тела, — это, например, раки или двустворчатые моллюски. Но они достигают этого не за счет гидроксиапатита. У раков и двустворчатых твердость некоторых органов достигается за счет других материалов — хитина и карбоната кальция соответственно. Кроме того, у этих животных, в отличие от нас, тело обладает твердыми покровами, играющими роль скелета. У нас же скелет внутренний.

Внутреннее расположение того, что покрепче, в наших организмах, у которых во рту есть зубы, а внутри всего тела — кости, представляет собой одну из важнейших особенностей нашей природы. Мы можем питаться, двигаться, дышать, а также включать в обмен веществ ряд минеральных веществ во многом благодаря гидроксиапатиту, содержащемуся в некоторых из наших тканей. За эти способности нам нужно благодарить наших общих со всеми рыбами предков. Все рыбы, амфибии, рептилии, птицы и млекопитающие на планете в этом отношении похожи на нас. Все они обладают структурами, содержащими гидроксиапатит. Но откуда все эти структуры появились?

Здесь мы сталкиваемся с непростой интеллектуальной задачей. Если мы узнаем, где, когда и как возникли кости и зубы, то мы сможем разобраться и в том, почему они возникли. Почему у наших предков развился такой тип твердых тканей? Предназначались ли они для того, чтобы оберегать этих животных от воздействия каких-то факторов среды? Или же для того, чтобы дать им возможность эффективнее передвигаться? Ответы на все эти вопросы помогут найти ископаемые, заключенные в породах возрастом около 500 миллионов лет.

К самым распространенным ископаемым, обитавшим в древних океанах от 500 до 250 миллионов лет назад, относятся конодонты. Их открыл в тридцатых годах XIX века российский биолог Христиан Иванович Пандер, о котором пойдет речь в одной из последующих глав. Конодонты были небольшими морскими животными, наделенными рядами своеобразных острых шипов (сами эти шипы тоже называют конодонтами). Со времени открытия Пандера такие шипы нашли на всех континентах. На Земле есть места, где, разбив любой камень, непременно можно увидеть в большом количестве остатки конодонтов. Палеонтологи описали сотни разновидностей этих ископаемых.

Но долгое время природа конодонтов оставалась загадкой. Ученые спорили о том, что они собой представляли — ископаемых животных, растения или даже минералы. Едва ли не у каждого была своя излюбленная теория. Доказывали, что остатки конодонтов — это фрагменты двустворчатых моллюсков, губок, позвоночных или даже червей. Эти споры прекратились, лишь когда среди ископаемых удалось найти не только фрагменты, но и остатки целых конодонтов.

Первый образец, который позволил разобраться в этой проблеме, был обнаружен профессором палеонтологии, разбиравшим материалы, которые хранились в подвале здания Эдинбургского университета. Один из обнаруженных им предметов представлял собой плоский камень с отпечатком тела древнего организма, похожего на миногу. Возможно, вы помните что-то о миногах из уроков биологии: это примитивные, похожие на рыб существа, не имеющие челюстей. Они питаются кровью и тканями рыб, к телу которых они присасываются, как пиявки. На этом плоском камне в передней части отпечатка в породе сидели маленькие структуры, которые казались на удивление знакомыми. Это были остатки конодонта. Другие ископаемые остатки похожих на миног организмов были вскоре обнаружены в породах, добытых в Южной Африке, а через некоторое время — также в породах с запада Соединенных Штатов. У всех этих существ была одна исключительная черта — во рту у них были целые комплекты того, что давно уже было известно под названием "конодонты". Вывод напрашивался сам собой: конодонты были зубами. Это были зубы древних бесчелюстных организмов, похожих на миног.

В распоряжении палеонтологов в течение полутора веков были древнейшие ископаемые зубы, но никто не знал наверняка, что это именно они. Чтобы объяснить, почему так случилось, нужно вкратце рассказать, как сохраняются остатки древних организмов. Твердые части тела, такие как зубы, могут сохраняться без особого труда. Мягкие части, такие как мышцы, кожа, внутренние органы, обычно разлагаются и не сохраняются в виде ископаемых остатков. Музейные хранилища наполнены множеством ископаемых скелетов, раковин и зубов, но среди них можно найти лишь немногие особо ценные образцы ископаемых остатков мягких тканей. В тех редких случаях, когда от мягких тканей остаются хотя бы какие-то ископаемые следы, это обычно отпечатки или слепки. Палеонтологическая летопись переполнена зубами конодонтов, но почти 150 лет потребовалось на то, чтобы найти отпечатки их тел. У этих тел была еще одна примечательная особенность. В них совершенно отсутствовали твердые кости. Это были мягкотелые организмы с твердыми зубами.

В течение многих лет палеонтологи спорили о том, почему вообще появились твердые внутренние скелеты, содержащие гидроксиапатит. Для ученых, убежденных, что скелет начался с челюстей, позвоночника или защитных покровов, конодонты стали чем-то вроде лишнего зуба во рту. По-видимому, первыми твердыми структурами, содержащими гидроксиапатит, были именно зубы. Твердые кости возникли не чтобы защищаться от других организмов, а чтобы питаться ими. С этого-то и в самом деле началась война всех против всех среди наших водных предков и родственников. Вначале просто те, кто побольше, питались теми, кто поменьше, а затем началась гонка вооружений. Те, кто поменьше, вырабатывали защитные покровы, те, кто побольше, — увеличенные челюсти, чтобы прокусывать эти покровы, и так далее. Зубы и кости принципиально изменили условия борьбы за существование.

Все становится еще интереснее, если обратиться к представителям древнейших ископаемых, наделенных костистой головой. Перейдя к слоям несколько менее древним, чем те, в которых содержатся самые ранние конодонты, мы увидим, что собой представляли скелеты первых организмов, у которых в голове имелись твердые кости. Это были так называемые остракодермы — похожие на рыб существа, жившие около 500 миллионов лет назад. Их остатки находят в горных породах по всему свету от Арктики до Боливии. Внешне остракодермы напоминали гамбургеры с мясистыми хвостами.

Головная область остракодермы представляет собой что-то вроде большого диска, покрытого костистым щитом, напоминающим доспехи. Если бы я достал из ящика в музейном хранилище образец такого ископаемого и показал его вам, вы бы сразу заметили одну странную черту: голова остракодермы блестит примерно так же, как наши зубы или рыбья чешуя.

Одна из главных радостей ученого связана с тем, что в мире природы есть неисчерпаемые запасы удивительного и поразительного. Прекрасным примером этого могут служить остракодермы, эти древние бесчелюстные животные. Они относятся к древнейшим существам, наделенным костистой головой. Если разрезать ископаемые остатки черепа остракодермы, залить в срез парафин, положить под микроскоп и рассмотреть, нашим глазам предстанет нечто не похожее ни на одну знакомую нам ткань. Покровы этого черепа выглядят по сути точно так же, как наши собственные зубы.

Конодонт (слева) и остракодерма (справа). От конодонтов ученым были долгое время известны только отдельные зубы (которые в свою очередь тоже называют конодонтами). Затем, когда были обнаружены остатки целых организмов, удалось разобраться, что наборы этих зубов работали вместе, располагаясь рядами во рту древних мягкотелых бесчелюстных. У остракодерм голова была покрыта костистым щитом. При большом увеличении наружный слой этого щита оказывается состоящим из множества напоминающих зубы структур. Реконструкцию ряда зубов конодонта любезно предоставили доктор Марк Пернелл (Лестерский университет) и доктор Филип Донохью (Бристольский университет).

Снаружи они тоже покрыты эмалью. Весь щит, покрывающий голову остракодермы, как будто составлен из тысяч крошечных зубов, слившихся воедино. Этот костистый череп — один из самых древних, известных палеонтологам, — целиком состоит из зубов. Первоначально зубы возникли, чтобы кусать добычу, но затем животные стали использовать своеобразную разновидность зубов и для защиты от врагов.

Зубы, железы и перья

Появление зубов не только знаменовало собой начало нового способа существования, но и открывало новый путь для развития органов. Зубы развиваются за счет взаимодействия двух слоев ткани в нашей коже. В основе этого процесса лежат контакт этих слоев, деление клеток и последующее изменение формы слоев, в ходе которого их клетки производят различные белки. Наружный слой выделяет вещества, на основе которых образуется эмаль, а внутренний слой формирует дентин и мягкие ткани зуба. Постепенно, после закладки базовой структуры зуба, формируются детали — бугорки, ямки и желобки, по форме которых можно отличать друг от друга разные виды млекопитающих.

Ключом к развитию зуба служит взаимодействие этих двух слоев ткани: наружного тонкого слоя клеток и внутреннего, более рыхлого слоя. В результате взаимодействия в них образуются складки, и оба слоя выделяют вещества, на основе которых и формируется орган (то есть зуб). Оказывается, совершенно такие же процессы позволяют формироваться внутри кожи и множеству других структур, например чешуе, волосам, перьям, а также потовым и даже молочным железам. Во всех этих случаях два слоя вступают в контакт, образуют складки и выделяют определенные белки. Более того, батареи переключающихся в разных тканях генов, обеспечивающих развитие всех этих органов, тоже во многом сходны.

Этот пример напоминает историю многих технических достижений человечества. После того как была изобретена технология литья пластмасс, ее стали использовать для изготовления всего на свете, от автомобилей до детских игрушек. С зубами история была во многом похожая.

Зубы, молочные железы, перья и волосы — все это развивается в результате взаимодействия двух слоев кожи.

После того как у животных впервые появился способ, позволяющий формировать зубы, модификации этого способа стали применяться для формирования множества разных органов, закладывающихся внутри кожи. На примере остракодерм мы видели, как далеко может заходить применение этого способа. Во многих отношениях еще дальше оно зашло у птиц, рептилий и людей. У всех этих существ никогда бы не возникли перья, чешуи или молочные железы, если бы когда-то у их предков не возникли зубы. Видоизмененный механизм формирования зубов позволил развивать многие другие важные структуры кожи. Между такими разными органами, как зубы, перья и молочные железы, есть вполне реальная глубокая историческая связь.

В четырех главах мы с вами говорили о способах изучать историю появления и развития органов у самых разных живых существ. В первой главе мы рассмотрели способ, позволяющий предсказывать, в каких именно древних горных породах мы можем найти в ископаемом виде древнейшие формы наших собственных органов. Во второй главе речь шла о том, как проследить историю развития определенных элементов скелета, начиная от рыб и заканчивая людьми. В третьей главе было показано, как работает у разных организмов та составляющая их тела, которая действительно передается по наследству, а именно ДНК, и как формируются органы в соответствии с записанным на ДНК рецептом. Здесь, в четвертой главе, мы рассмотрели общую основу таких разных органов, как зубы, молочные железы и перья, и убедились, что биологические механизмы, лежащие в основе их развития, представляют собой варианты одного и того же. Вглядываясь в черты глубокого сходства, объединяющего органы и тела разных живых организмов, мы начинаем убеждаться, что все разнообразие жизни на Земле представляет собою лишь вариации на одну и ту же тему.

Поиск по сайту: