Зуби і кістки

П
рактічеські само собою зрозуміло, що зуби виділяються з інших органів своєю винятковою твердістю. Зуби повинні бути міцнішими, ніж шматочки їжі, які з їх допомогою перемелюють (уявіть, як було б різати м'ясо за допомогою губки). Багато в чому зуби тверді як камінь, і це пов'язано з тим, що в них міститься дуже тверда речовина. Цією речовиною, яке називають гідроксіапаті- тому, просочені зсередини як зуби, так і кістки. Воно робить ці органи стійкими до згинання, стискання та інших механічних впливів. Особлива міцність зубів пов'язана з тим, що
їх зовнішній шар, зубна емаль, набагато багатше гідроксіапа- Титом, ніж будь-яка інша структура організму, не виключаючи і кістки. Емаль додає зубам блиск і білизну. Звичайно, емаль - це лише один з шарів, що входять до складу наших зубів. Більш глибокий шар, дентин, теж багатий гидроксиапатитом.
У природі існує чимало організмів, у яких є дуже тверді частини тіла, - це, наприклад, раки або двостулкові молюски. Але вони досягають цього не за рахунок гідроксіа- патіта. У раків і двостулкових твердість деяких органів досягається за рахунок інших матеріалів - хітину і карбонату кальцію відповідно. Крім того, у цих тварин, на відміну від нас, тіло має твердими покривами, що грають роль скелета. У нас же скелет внутрішній.
Внутрішнє розташування того, що міцніше, в наших організмах, у яких у роті є зуби, а всередині всього тіла - кістки, представляет'собой одну з найважливіших особливостей нашої природи. Ми можемо харчуватися, рухатися, дихати, а також включати в обмін речовин ряд мінеральних речовин багато в чому завдяки гидроксиапатиту, що міститься в деяких з наших тканин. За ці здібності нам потрібно дякувати наших спільних з усіма рибами предків. Всі риби, амфібії, рептилії, птахи та ссавці на планеті в цьому відношенні схожі на нас. Всі вони володіють структурами, що містять гідроксиапатит. Але звідки всі ці структури з'явилися?
Тут ми стикаємося з непростою інтелектуальним завданням. Якщо ми дізнаємося, де, коли і як виникли кістки і зуби, то ми зможемо розібратися і в тому, чому вони виникли. Чому у наших предків розвинувся такий тип твердих тканин? Призначалися вони для того, щоб оберігати цих тварин від впливу якихось факторів середовища? Або ж для того, щоб дати їм можливість ефективніше пересуватися? Відповіді на всі ці питання допоможуть знайти копалини, укладені в породах віком близько 500 мільйонів років.

<юз
До найпоширеніших копалин, що мешкали в древніх океанах від 500 до 250 мільйонів років тому, відносяться конодонти. Їх відкрив в тридцятих роках XIX століття український біолог Християн Іванович Пандер, про який піде мова в одній з наступних глав. Конодонти були невеликими морськими тваринами, наділеними рядами своєрідних гострих шипів (самі ці шипи теж називають конодонтов). З часу відкриття Пандера такі шипи знайшли на всіх континентах. На Землі є місця, де, розбивши будь-який камінь, неодмінно можна побачити у великій кількості залишки конодон- тов. Палеонтологи описали сотні різновидів цих копалин.
Але довгий час природа конодонтов залишалася загадкою. Вчені сперечалися про те, що вони собою представляли - викопних тварин, рослини або навіть мінерали. Чи не у кожного була своя улюблена теорія. Доводили, що залишки конодонтов - це фрагменти двостулкових молюсків, губок, хребетних або навіть черв'яків. Ці суперечки припинилися, лише коли серед копалин вдалося знайти не тільки фрагменти, а й залишки цілих конодонтов.
Перший зразок, який дозволив розібратися в цій проблемі, був виявлений професором палеонтології, розбирав матеріали, які зберігалися в підвалі будівлі Единбурзького університету. Один з виявлених ним предметів представляв собою плоский камінь з відбитком тіла стародавнього організму, схожого на міногу. Можливо, ви пам'ятаєте щось про міноги з уроків біології: це примітивні, схожі на риб істоти, які не мають щелеп. Вони харчуються кров'ю і тканинами риб, до тіла яких вони присмоктуються, як п'явки. На цьому плоскому камені в передній частині відбитка в породі сиділи маленькі структури, які здавалися на Подив знайомими. Це були залишки конодонтов. Інші викопні рештки схожих на міног організмів були незабаром

виявлені в породах, здобутих в Південній Африці, а через деякий час - також в породах з заходу Сполучених Штатів. У всіх цих істот була одна виняткова риса - в роті у них були цілі комплекти того, що давно вже було відомо під назвою "конодонти". Висновок напрошувався сам собою: конодонти були зубами. Це були зуби стародавніх біґосів організмів, схожих на міног.
У розпорядженні палеонтологів протягом півтора століття були найдавніші копалини зуби, але ніхто не знав напевно, що це саме вони. Щоб пояснити, чому так сталося, потрібно коротко розповісти, як зберігаються залишки древніх організмів. Тверді частини тіла, такі як зуби, можуть зберігатися без особливих зусиль. М'які частини, такі як м'язи, шкіра, внутрішні органи, зазвичай розкладаються і не зберігаються у вигляді викопних решток. Музейні сховища наповнені безліччю копалин скелетів, раковин і зубів, але серед них можно'найті лише деякі особливо цінні зразки викопних решток м'яких тканин. У тих рідкісних випадках, коли від м'яких тканин залишаються хоча б якісь копалини сліди, це зазвичай відбитки або зліпки. Палеонтологічний літопис переповнена зубами конодонтов, але майже 150 років знадобилося на те, щоб знайти відбитки їхніх тіл. У цих тіл була ще одна примітна особливість. У них зовсім відсутні тверді кістки. Це були м'якотілі організми з твердими зубами.
Протягом багатьох років палеонтологи сперечалися про те, чому взагалі з'явилися тверді внутрішні скелети, що містять гідроксиапатит. Для вчених, переконаних, що скелет почався з щелеп, хребта або захисних покривів, конодонти стали чимось на зразок зайвого зуба в роті. Мабуть, першими твердими структурами, що містять гідроксиапатит, були саме зуби. Тверді кістки виникли не щоб захищатися від інших організмів, а щоб харчуватися ними. З цього-то і в са-
ПДОМ справі почалася війна всіх проти всіх серед наших вод-них предків і родичів. Спочатку просто ті, хто поболь- lUei харчувалися тими, хто поменше, а потім почалася гонка озброєнь. Ті, хто поменше, виробляли захисні покриви, ті, хто побільше, - збільшені щелепи, щоб прокушувати ці покриви, і так далі.

Зуби і кістки принципово змінили умови боротьби за існування.
Все стає ще цікавіше, якщо звернутися до представників найдавніших копалин, наділених костистої головою. Перейшовши до верствам кілька менш стародавнім, ніж ті, в яких містяться найбільш ранні конодонти, ми побачимо, що собою представляли скелети перших організмів, у яких в голові були тверді кістки. Це були так звані остракодер- ми - схожі на риб істоти, що жили близько 500 мільйонів років тому. Їх залишки знаходять в гірських породах по всьому світу від Арктики до Болівії. Зовні Остракодерми нагадували гамбургери з м'ясистим хвостами.
Головний область Остракодерми є щось на зразок великого диска, покритого костистим щитом, що нагадує обладунки. Якби я дістав з шухляди в музейному сховищі зразок такого викопного і показав його вам, ви б відразу помітили одну дивну рису: голова Остракодерми блищить приблизно так само, як наші зуби або риб'яча луска.
Одна з головних радостей вченого пов'язана з тим, що в світі природи є невичерпні запаси дивного і дивного. Прекрасним прикладом цього можуть служити Остракодерми, ці стародавні безщелепні тварини. Вони відносяться до найдавніших істот, наділеним костистої головою. Якщо розрізати викопні рештки черепа Остракодерми, залити в зріз парафін, покласти під мікроскоп і розглянути, нашим очам постане щось не схоже ні на одну знайому нам тканину. Покрови цього черепа виглядають по суті точно так же, як наші власні зуби. Зовні вони теж покри-

конодонти

alt = "" > конодонтов (зліва) і остракодерм (праворуч). Від конодонтов вченим були довгий час відомі тільки окремі зуби (які в свою чергу теж називають конодонтов). Потім, коли були виявлені залишки цілих організмів, вдалося розібратися, що набори цих зубів працювали разом, розташовуючись рядами в роті древніх м'якотілих біґосів. У остракодерм голова була покрита костистим щитом. При великому збільшенні зовнішній шар цього щита виявляється що складається з безлічі нагадують зуби структур. Реконструкцію ряду зубів конодонтов люб'язно надали доктор Марк Пернелл (Лестерський університет) і доктор Філіп Донохью (Брістольський університет).
ти емаллю. Весь щит, що покриває голову Остракодерми, як ніби складений з тисяч крихітних зубів, що злилися воєдино. Цей костистий череп - один з найдавніших, відомих палеонтологам, - цілком складається з зубів. Спочатку зуби виникли, щоб кусати видобуток, але потім тварини стали використовувати своєрідний різновид зубів і для захисту від ворогів.

П
оявленіе зубів не тільки знаменувало собою початок нового способу існування, але і відкривало новий шлях для розвитку органів. Зуби розвиваються за рахунок взаємодії двох шарів тканини в нашій шкірі. В основі цього процесу лежать контакт цих шарів, поділ клітин і подальша зміна форми шарів, в ході якого їх клітини виробляють різні білки. Зовнішній шар виділяє речовини, на основі яких утворюється емаль, а внутрішній шар формує дентин і м'які тканини зуба. Поступово, після закладки базової структури зуба, формуються деталі - горбки, ямки і жолобки, за формою яких можна відрізняти один від одного різні види ссавців.
Ключем до розвитку зуба служить взаємодія цих двох шарів тканини: зовнішнього тонкого шару клітин і внутрішнього, більш пухкого шару. В результаті взаємодії в них утворюються складки, і обидва шару виділяють речовини, на основі яких і формується орган (тобто зуб). Виявляється, зовсім такі ж процеси дозволяють формуватися всередині шкіри і безлічі інших структур, наприклад лусці, волоссю, пір'ю, а також потових і навіть молочних залоз. У всіх цих випадках два шари вступають в контакт, утворюють складки і виділяють певні білки. Більш того, батареї перемикаються в різних тканинах генів, які забезпечують розвиток всіх цих органів, теж багато в чому схожі.
Цей приклад нагадує історію багатьох технічних досягнень людства. Після того як була винайдена технологія лиття пластмас, її стали використовувати для виготовлення всього на світі, від автомобілів до дитячих іграшок. З зубами історія була багато в чому схожа. Після того як у тварин вперше з'явився спосіб, що дозволяє формувати зуби, модифікації цього способу стали застосовуватися для формиро-

Зуби, молочні залози, пір'я і волосся - все це розвивається в результаті взаємодії двох шарів шкіри.

вання безлічі різних органів, що закладаються всередині шкіри. На прикладі остракодерм ми бачили, як далеко може заходити застосування цього способу. Багато в чому ще далі воно зайшло у птахів, рептилій і людей. У всіх цих істот ніколи б не виникли пір'я, луски або молочні залози, якби колись у їхніх предків не виникли зуби. Видозмінений механізм формування зубів дозволив розвивати багато інших важливих структури шкіри. Між такими різними органами, як зуби, пір'я і молочні залози, є цілком реальна глибока історична зв'язок.
У чотирьох розділах ми з вами говорили про способи вивчати історію появи і розвитку органів у самих різних живих істот. У першому розділі ми розглянули спосіб, що дозволяє передбачати, в яких саме древніх гірських породах ми можемо знайти в викопному вигляді найдавніші форми наших власних органів. У другому розділі йшлося про те, як простежити історію розвитку певних елементів скелета, починаючи від риб і закінчуючи людьми. У третьому розділі було показано, як працює у різних організмів та складова їх тіла, яка дійсно передається у спадок, а саме ДНК, і як формуються органи відповідно до записаним на ДНК рецептом. Тут, в четвертому розділі, ми розглянули загальну основу таких різних органів, як зуби, молочні залози і пір'я, і ​​переконалися, що біологічні механізми, що лежать в основі їх розвитку, є варіанти одного і того ж. Вдивляючись в риси глибокого подібності, що об'єднує органи і тіла різних живих організмів, ми починаємо переконуватися, що все розмаїття життя на Землі являє собою лише варіації на одну й ту ж тему.