Эволюция позвоночника. Вклад различных живых организмов
Что такое позвоночник?
Позвоночник – одно из самых удивительных и удачных в техническом отношении изобретений природы. Формирование позвоночника происходило постепенно. У так называемых беспозвоночных организмов (морские звезды и др.) его не было. Затем началось образование внешнего скелета (раковины моллюсков), потом появилась хорда – «мягкий» позвоночник древних организмов. Хорда имеется у некоторых современных видов, например у осетровых рыб. И наконец, позвоночник эволюционировал до современного варианта, который можно наблюдать у млекопитающих. (Рисунок 1).
Рисунок 1. Беспозвоночные организмы – морская звезда и осьминог
На заре появления жизни водным организмам позвоночник был не особенно нужен. Они могли сохранять свою форму благодаря связкам и уплотнению мягких тканей. Например, медуза может обходиться без жестких соединений. В процессе эволюции увеличивались размеры животных, скорость их движения в воде, и это предполагало создание какого-то прочного основания. На высокой скорости движения медузу просто разорвет на части. Именно поэтому и стали возникать структуры различной степени жесткости. Одним из первых вариантов повышения жесткости организма было создание связок, то есть более плотных малоэластичных участков ткани.
Они позволяли компенсировать механические нагрузки и сохранять целостность организма. Раковина моллюсков – простой пример одного из следующих вариантов природного устройства «наружного каркаса». Раковину можно рассматривать как некий пробный внешний скелет. Что касается более современных живых существ, то как оставшиеся в море (дельфины, киты, акулы и пр.), так и обитающие на суше (млекопитающие, земноводные, птицы) именно благодаря позвоночнику победили в эволюционной гонке. Позвоночник позволяет прочно прикрепить к туловищу голову, руки и ноги (плавники, ласты, крылья), оставив при этом конечностям большую степень свободы. Скелет служит опорным каркасом для важных внутренних органов, успешно сопротивляясь внешним воздействиям – как действию среды, при высокой скорости движения пытающейся «разорвать» тело, так и нападениям хищников (Рисунок 2).
Рисунок 2. Позвоночник человека
Строение позвоночника с механической точки зрения
Чем интересен человеческий позвоночник?
Во-первых, он является отличной опорой для тела, во-вторых, служит основой прочной костной «коробки» – грудной клетки, предназначенной для защиты таких важных для жизни органов, как сердце и легкие. Позвоночник состоит из мощных костных образований – позвонков. Внутри позвонков проходит канал, в котором находится спинной мозг. Можно представить себе позвонки в виде коротких толстых трубок, соединенных мягкими резиновыми шайбами-дисками.
Поперечные отростки позвонков в грудном отделе имеют специальную суставную площадку для соединения с ребрами. Ребра соединяются на передней поверхности грудной клетки не друг с другом, а со специальной костью – грудиной. Эта кость играет роль своеобразного твердого щита, защищающего наше сердце и легкие (Рисунок 3).
Рисунок 3. Грудина
Со стороны спины позвонки имеют специальный вырост – остистый отросток. Это остатки шипастого гребня (как у ящеров), предназначенного для защиты спины. Ведь со стороны земли нападения ждать не приходилось – большинство хищников были крупнее, чем млекопитающие. Поэтому, прижавшись к земле, можно было защитить мягкий живот и выставить жесткую спину. На боковых поверхностях позвонков также имеются суставные и поперечные отростки. Они нужны для формирования межпозвонковых суставов и прикрепления мышц и связок (Рисунок 4). Два соседних позвонка с межпозвонковым диском и связочным аппаратом называют Позвоночным Двигательным Сегментом (ПДС).
Рисунок 4. Строение позвонков и ПДС (позвоночного двигательного сегмента)
Условно позвоночник делится на несколько отделов: шейный с 7 шейными позвонками; грудной с 12 грудными позвонками; поясничный с 5 поясничными позвонками; крестцовый с 5 сросшимися крестцовыми позвонками; копчиковый с 1–3 сросшимися копчиковыми позвонками, являющимися остатками хвоста (Рисунок 5).
Рисунок 5. Отделы позвоночника
Позвонки каждого отдела имеют отличия. Шейные позвонки самые маленькие и наиболее подвижные – это позволяет голове двигаться с максимальной свободой. Чем легче поворачивается голова, тем больше человек видит вокруг – как опасных хищников, так и добычи для пропитания. Масса позвонков по направлению к поясничному отделу постепенно возрастает: в сравнении с шейным позвонком поясничный крупнее в пять раз (Рисунок 6).
Рисунок 6. Шейный и поясничный позвонки
Грудные позвонки имеют специальную площадку для прикрепления ребер, защищающих грудную клетку с легкими и сердцем. Из-за этого они менее подвижны. Поясничные позвонки самые мощные, так как вес всего тела приходится на них (Рисунок 6). Сросшиеся крестцовые позвонки представляют собой толстую крепкую кость, являющуюся надежным основанием для позвоночника и жесткой опорой для тазобедренных суставов. Маленькие копчиковые позвонки считаются рудиментом, то есть исчезающим признаком – остатком хвоста. Они подвижны, например, во время родов они могут сдвигаться, расширяя выход из таза. Но никакого практического значения в нашей жизни копчиковые позвонки уже не имеют (Рисунок 5