Почему состав скелета живых организмов зависит от их образа жизни? Чем известковые скелеты отличаются от фосфатных? Что способствовало появлению и развитию скелетов? На эти и другие вопросы отвечает доктор биологических наук Андрей Журавлев.

Если спросить кого-нибудь, что такое скелет, то человек прежде всего представит наш собственный скелет с ребрами, костями — большими, берцовыми, лучевыми, локтевыми и так далее. Некоторые, наверное, задумаются: а череп — это часть скелета или нет, зубы — это часть скелета или нет? Если сказать, что не только зубы и череп, но даже камни в почках или камни в мочевом пузыре — это тоже часть скелета, то все начнут ехидничать — как это может быть. Но на самом деле любые минеральные отложения, которые у нас появляются при жизни, — это все части нашего скелета. Часть из них мы можем использовать с пользой для себя, часть из них, увы, накапливается без пользы для нас. Хотя, кто знает, может, и из них со временем мы научимся извлекать какой-то смысл.

У нас есть скелетные залежи, которые, наверное, наши предки использовали, а мы уже не умеем. В каждом грамме коры нашего головного мозга находится несколько миллионов кристаллов магнетита, такие своеобразные залежи металлолома — не совсем металлолома, конечно, поскольку это все-таки окись железа, а не чистое железо, — и многие организмы умеют этими магнитными микрокристаллами пользоваться. С их помощью киты, пчелы, лососи ориентируются в пространстве.

Скажем, тот же лосось — рыба, что называется, проходная: часть жизни проводит в реке, он там появляется, потом уходит в море, живет несколько лет и всегда возвращается в ту самую реку, откуда он когда-то мальком спустился. Более того, в этой реке, несмотря на ее гигантскую разветвленную сеть, он находит тот самый маленький ручеек, где он когда-то вылупился из икринки на свет, и все это благодаря магнитной карте памяти.

Так же ориентируются черепахи, которые совершают не кругосветные, а «кругоатлантические» движения, — скажем, зеленые черепахи. В свое время стад этих зеленых черепах действительно было огромное количество. Наверное, потрясающее зрелище — видеть всю поверхность океана, на несколько километров покрытую панцирями плывучих черепах. Колумб это еще застал, застали другие испанские конкистадоры, которые по движению черепах как раз и открыли движение Гольфстрим, позволявшее им довольно быстро из Америки возвращаться в Испанию, и они долго хранили это втайне от остальных, благодаря чему Испанская империя процветала. А подсказали черепахи благодаря своим магнитным кристаллам. Мы, увы, их использовать не умеем, проверяли — действительно не умеем.

Скелет — это не только то, что находится в нас, позвоночных. Раковина улитки — это скелет, панцирь рака, панцирь морского ежа — это тоже скелет. Но, что самое удивительное, все это разнообразие скелетов появилось практически одновременно. В начале кембрийского периода произошло событие, которое палеонтологи называют кембрийским взрывом, когда в течение 20–30 миллионов лет — а это по геологическим меркам очень короткий срок — появились все современные типы организмов: и моллюски, и членистоногие, и позвоночные, и иглокожие, и многие другие — все как раз с минеральным скелетом, причем он мог быть различного состава. У нас, позвоночных, это фосфат кальция в чистом виде. У многих беспозвоночных, тех же морских ежей или моллюсков, это кальцит, немного разный по составу — там может быть побольше магния или побольше стронция, в зависимости от этого, соответственно, меняется крепость скелета. Из арагонитового скелета…

Арагонит мы, кстати, очень хорошо знаем, хотя сами его не производим, но очень любим им пользоваться. Потому что арагонитовые кристаллы, благодаря матрице, на которой растет скелет, который создают, скажем, моллюски, получаются в виде таких тонких таблеточек. Эти таблеточки выстраиваются слойка́ми, которые очень хорошо и много раз отражают лучи света. И получается очень красивая блестящая матовая поверхность, которую мы называем перламутром.

Перламутр — это очень крепкий арагонитовый скелет, потому что арагонитовые пластинки выдерживают давление в несколько атмосфер.

Если такую маленькую пластиночку взять и попытаться на нее нажать, то ее непросто сломать, она всего максимум в несколько десятков микрон толщиной, а то и в несколько микрон. Причем, если взять целый скелет, который состоит из многих таких пластинок, окажется, что его тоже очень сложно раздавить. Раковина кажется тоненькой, но на самом деле, чтобы ее сломать, надо прилагать очень мощные усилия. Почему? Потому что каждая такая пластинка на самом деле не является отдельным кристаллом, а она является целой системой мелких кристаллов, кристаллитов, которые проложены очень тонкими органическими слойка́ми.

Все эти кристаллиты тоже состоят из наногранул, которые проложены органическими слойка́ми. И когда на раковину оказывается давление — это не мы делаем, как правило, это делают раки, которые охотятся на двустворок, ломают их клешнями, или какие-нибудь рыбы типа скатов, которые тех же двустворок выкапывают и пытаются их сдавить своими плоскими зубами, — то это оказывается не так просто. Потому что эти кристаллиты начинают свободно разъезжаться, наногранулы в них тоже начинают разъезжаться, и оказывается, что раковина, которая кажется куском камня, на самом деле очень пластична, поэтому не ломается и выдерживает давление в несколько атмосфер, а то и несколько десятков атмосфер. Для того чтобы раздавить известковую раковину, нужны более крепкие фосфатные зубы, как у тех же скатов, или у нас, или у наших предшественников, рыбоподобных, которые выдерживают давление уже не в несколько десятков, а в несколько сотен атмосфер. То есть, чтобы раздавить один зуб, нужно уронить на него танк с пятого этажа, и только тогда он превратится в порошок, если это, конечно, нормальный крепкий зуб, а не поврежденный кариесом.

Почему одновременно появились известковые и фосфатные скелеты? Одни — для того чтобы защищаться, а другие — чтобы давить. А почему те, кто защищается, в основном известковые, а те, кто давит, в основном фосфатные? Я уже сказал, что эти выдерживают больше давления, эти выдерживают меньше давления. На самом деле это только полуправда. А правда в том, что если организм очень быстро двигается, то у него внутри вырабатывается достаточно большое количество молочной кислоты, соответственно, среда подкисляется, а если среда подкисляется, то известковый скелет начинает быстро растворяться. Фосфатный эту повышенную кислотность выдерживает. Это незначительное, конечно, повышение кислотности, на 1–2 знака, но тем не менее для организма это очень много. То есть известковый скелет растворится, фосфатный скелет не растворится.

На самом деле это проверяли, еще в 60-е годы американские ихтиологи брали лосося и вживляли такие известковые пластинки, после чего пускали обратно поплавать. И эти известковые пластинки очень быстро, в течение нескольких дней, полностью исчезали, оставалась дыра в скелете. А если вживить чужую фосфатную пластинку на ее место — фосфатная выдерживала. То же самое происходит у раков, некоторые из них довольно быстро двигаются — например, раки-богомолы, которые убивают свою добычу, либо протыкая ее своими ногочелюстями, либо убивая ее ударом кувалды — все это происходит за считанные доли миллисекунды. Чтобы развить такую скорость, понятно, что у него тоже выделяется молочная кислота и, притом что у него бо́льшая часть панциря известковая, эти ударные механизмы тоже фосфатные.

Рекомендуем по этой теме:
57658
Динозавры и падение астероида

Если мы вернемся к истокам скелетной жизни и посмотрим, что происходило, то мы действительно увидим, что часть организмов, которая предпочитала пассивный образ жизни, могли быть фильтраторами, слабоподвижными растительноядными организмами, малоподвижными донными хищниками, и им, соответственно, хватало известкового скелета: он менее затратный по отношению к фосфатному. А те, кто быстро двигался, — крупные хищные, членистоногие и наши предшественники, первые позвоночные, — сразу начали строить фосфатный скелет. А дальше получилось, что у членистоногих он внешний, то есть ты можешь, конечно, расти, но до определенного предела, потому что все время надо самому, чтобы вырасти, этот скелет то растворять, то откладывать, то растворять, то откладывать, а когда ты его растворил, тебя очень быстро могут съесть, чем очень многие, скажем, те же рыбы, пользуются. Они знают, примерно вычисляют периоды, когда раки, живущие в той части водоема, где они сами живут, должны линять, — как правило, это происходит сразу, у многих раков практически синхронно. И тут-то начинается пир горой, когда можно их вытащить и съесть, и они ничего сделать не смогут, потому что челюсти у них неминерализованные и очень слабенькие.

Позвоночные, которые начали строить фосфатный скелет внутри, приобрели возможность не только хищничать, как им хочется, но еще и расти в довольно больших размерах.

Потому что самые крупные позвоночные хищники — сейчас таких нет, а, скажем, в мезозойское время были — это гигантские ихтиозавры, плезиозавры, мозазавры, они достигали размеров где-то 12–14 метров. В недавнем прошлом такого же размера достигали акулы, есть такой знаменитый мегалодон — одна из страшилок, о которых любят снимать фильмы, тоже где-то 12–14 метров. Но, когда его изображают 20–30-метровым, это неправда: не мог он до такого размера дорасти, можно посчитать по размерам зубов, которые прекрасно остаются в ископаемой летописи, опять же благодаря тому, что они именно фосфатные — фосфатные зубы прекрасно сохраняются.

То есть этот мир стал скелетным примерно 540–520 миллионов лет назад именно за счет того, что в природе появился хищник — он и стал двигателем прогресса. И если мы посмотрим, что потом происходит вообще в ископаемой летописи, то идет палеозойская эра, потом мезозойская эра, затем кайнозойская эра — и что в это время происходит? Появляется новая, все более подвижная, более быстрая группа хищников и стимулирует — во всяком случае, это происходит в океане — прогресс всего, что в этом океане живет. Поэтому организмы вынуждены лучше защищаться, то есть отращивать себе шипы, бугорки на раковинках, устраивать более сложные замки, которые не пускают никого в эту раковину, а хищники, соответственно, отращивают все более и более мощные зубы. И с каждой эрой, соответственно, становится все меньше малоподвижных организмов, все больше становится самых разнообразных хищников, потому что из хищников можно выстроить очень длинную цепочку, где каждый более крупный хищник ест более мелкого. Это в свое время очень хорошо изобразил на одной из своих картин Питер Брейгель Старший, у него еще приписка на этой картине: «Дивись, сын мой, как более крупные рыбы едят более мелких», а над всеми этими рыбами показан человек с огромным ножом, который, соответственно, суперхищник, и сейчас это действительно так.