Вход
Зарегистрироваться
Нина Яблонски (Nina G. Jablonski) заведует кафедрой антропологии Университета штата Пенсильвания. Ее научные исследования посвящены эволюции кожи человека, происхождению прямохождения, эволюции и распространению обезьян Восточного полушария, а также палеоэкологии млекопитающих древностью до 2 млн лет. Она участвовала в полевых работах в Китае, Кении и Непале.
Перевод: Н.Н. Алипов, “В мире науки”
Недавние открытия проливают свет на причины отсутствия волосяного покрова у человека и позволяют предположить, что появление безволосой кожи сыграло ключевую роль в развитии других человеческих черт.
Человек — единственный из приматов, не имеющий волосяного покрова. Все другие члены нашей большой семьи покрыты шерстью — будь то черная короткая шерсть обезьяны-ревуна или густой медно-красный балахон орангутана. То же касается и большинства других млекопитающих. У человека имеются волосы на голове и некоторых других участках тела, но даже обладатель самой густой растительности будет казаться практически голым по сравнению с нашими меньшими братьями.
Как же произошла потеря естественного покрова у человека? Над этим вопросом ученые ломали голову не одно столетие. Ответить на него совсем не просто: ископаемые останки наших предков могут указать на многие важные этапы эволюции (например, появление прямохождения), но кожа в таких останках не сохраняется. Тем не менее недавно при изучении ископаемых останков были получены косвенные данные, позволяющие судить о процессе появления безволосой кожи. Эта информация вкупе с открытиями в области генетики и физиологии позволила мне и другим авторам сформулировать аргументированную гипотезу о том, когда и как наши предки лишились волосяного покрова. В соответствии с данным предположением безволосая кожа не только определяет нашу особую внешность, она сыграла важнейшую роль в формировании других человеческих черт — в частности, крупного мозга и речи.
Лишняя одежда.
Для того чтобы понять, почему наши предки утратили шерсть, надо сначала выяснить ее предназначение. Шерсть — это наружный покров тела, характерный только для млекопитающих. Более того, это одна из отличительных черт данного класса: она предохраняет от переохлаждения, травмирования и намокания кожи, от повреждающего действия солнечных лучей, внедрения паразитов и микробов. Кроме того, шерсть помогает замаскироваться от хищников и распознавать представителей своего вида. Наконец, она может служить средством коммуникации: когда у разъяренной собаки шерсть на загривке встает дыбом, это ясный сигнал о том, что нужно отойти от животного подальше.
Несмотря на все важные функции шерсти, у некоторых млекопитающих она почти полностью исчезла. Многие из них ведут подземный или подводный образ жизни. Примером могут быть голые землекопы, живущие большими подземными колониями: шерсть как средство коммуникации для них бесполезна, поскольку в темноте они друг друга не видят, как теплоизолятор также не нужна, потому что для сохранения тепла они просто прижимаются друг к другу. У морских млекопитающих, не выходящих на сушу (например, китов), отсутствие шерстяного покрова делает кожу более гладкой и обтекаемой, что важно при плавании и нырянии. Тепло-изолятором у них служит развитый подкожный жир (ворвань). Отметим, что у полуводных животных (например, выдры) имеется плотная водонепроницаемая шерсть: при плавании в ней задерживается воздух, обеспечивая дополнительную подъемную силу, а на суше она играет защитную роль.
У особенно крупных наземных млекопитающих (слонов, носорогов, бегемотов)
шерсть также отсутствует, что предохраняет их от перегревания. Чем крупнее животное, тем меньше у него отношение площади поверхности кожи к объему тела, и тем хуже идет теплоотдача (напротив, у мелких животных типа мышей это отношение велико, и поэтому им часто приходится принимать меры для сохранения тепла). В плейстоценовую эпоху (2 млн — 10 тыс. лет назад) мамонты и другие предки современных слонов и носорогов были покрыты шерстью, т.к. в условиях холодного климата во время оледенений наружная теплоизоляция помогала сохранять тепло и уменьшать потребности в пище. Однако все современные крупные травоядные обитают в жарком климате, и шерсть для животных такого размера была бы губительной.
Предки человека утратили шерсть не потому, что жили под землей или под водой, как гласит довольно популярная теория водной обезьяны, либо обладали особо крупными размерами тела.
Очевидно, безволосая кожа прежде всего обеспечивает нам эффективную теплоотдачу, о чем свидетельствует и наша выраженная способность к потоотделению.
Основные положения.
Человек — единственный из приматов, практически лишенный волосяного покрова.
Утрата шерсти была механизмом приспособления к климатическим изменениям, при которых нашим предкам пришлось преодолевать большие расстояния в поисках пищи и воды.
Анализ ископаемых останков и генетические исследования позволяют предположить, когда произошли такие перемены.
Появление безволосой кожи способствовало развитию крупного мозга и абстрактного мышления.
Безволосая кожа человека лучше обеспечивает теплоотдачу, чем покрытая шерстью шкура животных. У млекопитающих кожная жидкость образуется тремя типами желез — сальными, потовыми апокриновыми и потовыми мерокриновыми. У большинства видов в наружном слое кожи (эпидермисе) имеется большое количество апокриновых желез, расположенных у основания волосяных фолликулов и выделяющих маслянистую жидкость, смачивающую волосы. Ее испарение, представляющее собой один из способов теплоотдачи, происходит с поверхности шерсти. Однако чем больше такой жидкости выделяется, тем менее эффективными становятся испарение и теплоотдача, т.к. шерсть становится сальной и спутанной. Напротив, в эпидермисе человека преобладают мерокриновые железы, залегающие близко к поверхности кожи и выделяющие через микроскопические поры водянистый пот. Такой способ гораздо эффективнее, поскольку испарение происходит с поверхности кожи, а водянистая жидкость испаряется быстрее
Предки человека утратили шерсть не потому, что жили под землей или под водой, как гласит довольно популярная теория водной обезьяны , либо обладали особо крупными размерами тела.
Очевидно, безволосая кожа прежде всего обеспечивает нам эффективную теплоотдачу, о чем свидетельствует и наша выраженная способность к потоотделению.
Пришлось попотеть.
Для большинства млекопитающих, и даже не обязательно особо крупных, теплоотдача бывает сопряжена с большими трудностями, особенно если они обитают в областях с жарким климатом и вырабатывают много тепла при продолжительной ходьбе или беге. Таким животным необходима надежная регуляция температуры ядра тела, с тем чтобы не наступило перегревание внутренних органов, и особенно головного мозга.
У млекопитающих сформировались разные способы защиты от перегревания: собаки в жару часто дышат, кошки более активны в прохладное вечернее время, а у некоторых антилоп кровь сбрасывается из артерий в сосуды полости носа, где охлаждается при дыхании. Однако у приматов, в том числе у человека, главный способ теплоотдачи — потение. При этом на поверхность кожи выделяется жидкость, при испарении которой кожа охлаждается. Испарение — чрезвычайно эффективный механизм теплоотдачи, предупреждающий перегревание головного мозга и других органов.
Однако выделяющаяся на поверхность кожи жидкость бывает разной. У млекопитающих она образуется тремя типами кожных желез — сальными, потовыми апокриновыми и потовыми мерокриновыми. У большинства видов преобладают сальные и апокриновые железы, расположенные у основания волосяных фолликулов. Смесь их секретов образует маслянистую пенистую жидкость, смачивающую волосы (типичный пример — взмыленная лошадь на скачках). При ее испарении организм охлаждается. Однако, как показали 20 лет тому назад Эдгар Фолк (G. Edgar Folk, Jr.) и его сотрудники из Университета штата Айова, по мере того как шерсть животного из-за выделения маслянистой жидкости становится все более мокрой и спутанной, эффективность теплоотдачи снижается: испарение происходит с поверхности волос, а не кожи. При особенно интенсивной нагрузке теплоотдача существенно падает, животному необходимо много пить, а вода не всегда бывает доступна. Именно поэтому покрытые шерстью млекопитающие при длительной или тяжелой интенсивной нагрузке в жаркий день могут погибнуть от перегревания.
Человек не только лишен шерсти, но вдобавок обладает огромным количеством (2–5 млн) мерокриновых потовых желез, способных вырабатывать до 12 л водянистого пота в сутки. Эти железы располагаются не у волосяных фолликулов, а у поверхности кожи, и выделяют свой секрет через микроскопические поры. Сочетание безволосой кожи и водянистого пота, испаряющегося непосредственно с поверхности кожи, а не с кончиков волос, создает условия для чрезвычайно эффективной теплоотдачи. В работе Дэниела Либермана (Daniel E. Lieberman) из Гарвардского университета и Денниса Брэмбла (Dennis M. Bramble) из Университета штата Юта, опубликованной в журнале Sports Medicine за 2007 г., было показано, что теплоотдача у человека настолько эффективна, что в жаркий день он победил бы лошадь в марафонском беге.
Покрытое шерстью млекопитающее.
Человек.
Среди многих гипотез, пытающихся объяснить происхождение безволосой кожи человека, наибольшей популярностью и поддержкой пользуется так называемая теория водной обезьяны, в соответствии с которой человек в своей эволюции прошел через стадию водной среды обитания. Теория была впервые высказана в 1960 г. английским зоологом сэром Алистером Харди (Alister Hardy). Затем она нашла горячего сторонника в лице писательницы Элейн Морган (Elaine Morgan), пропагандирующей ее как в лекциях, так и в печатных произведениях. Беда лишь в том, что эта теория явно неверна.
В соответствии с теорией водной обезьяны, примерно 5–7 млн лет тому назад смещение тектонических пластов в области Большого Африканского Рифа в Восточной Африке привело к тому, что древние предки человека оказались отрезанными от привычной среды обитания — тропических лесов. В результате им в течение около миллиона лет пришлось приспосабливаться к полуводному образу жизни в болотах, на побережьях и поймах рек. Как утверждает Морган, о наличии такого водного периода свидетельствуют некоторые особенности человека, свойственные водным и полуводным млекопитающим, но не обитателям саванн. К таким особенностям относятся безволосая кожа, сниженное число апокриновых потовых желез и подкожные отложения жира. Эта теория не выдерживает критики по меньшей мере по трем причинам. Во-первых, разные виды водных млекопитающих существенно различаются по выраженности отмеченных Морган особенностей. Значит, между характером среды обитания и, например, степенью оволосения прямой зависимости нет. Во-вторых, изучение ископаемых останков показывает, что древние водоемы кишели крокодилами и бегемотами. В таком соседстве шансов выжить у наших беззащитных предков практически не было. Наконец, в-третьих, теория водной обезьяны включает слишком много сложностей: наши предки должны были перейти от наземного образа жизни к полуводному, а потом снова к наземному. Как указывает исследователь из Университета Индианаполиса Джон Лэнгдон (John H. Langdon), гораздо проще объяснить полученные при исследовании ископаемых останков данные тем, что гоминиды всегда жили на суше, а толчком к появлению безволосой кожи были изменения климата, приведшие к замене лесов на саванны. В науке же, как известно, самое простое объяснение обычно оказывается самым правильным.
Эволюционный стриптиз
Человек — единственный из приматов, лишенный шерсти, но обладающий большим количеством ме-рокриновых потовых желез. Значит, в те времена, когда расходились эволюционные пути, ведущие к человеку и ближайшему из ныне живущих наших родственников шимпанзе, какое-то событие должно было способствовать формированию особенностей кожного покрова. Вполне естественно, что таким событием могло быть изменение климата.
Анализ ископаемых останков животных и растений позволил воссоздать условия среды обитания древних существ. Было установлено, что около 3 млн лет тому назад на Земле началось глобальное похолодание, что привело к уменьшению количества осадков в Восточной и Центральной Африке — области обитания наших предков. При этом леса, в которых жили древние гоминиды, превратились в саванны, а фрукты, листовые овощи, корнеплоды и семена — излюбленная пища австралопитеков — стали встречаться все реже и не столь повсеместно. То же касалось и источников воды. В связи с этим нашим пращурам пришлось сменить свой беззаботный образ жизни на гораздо более активное добывание пищи и воды, для чего порой приходилось преодолевать значительные расстояния.
Примерно в это же время гоминиды стали употреблять мясо, о чем свидетельствуют обнаруженные каменные орудия и разрубленные кости животных при раскопках древностью около 2,6 млн лет. Животная пища значительно питательнее растительной, но встречается гораздо реже, поэтому плотоядным животным приходилось преодолевать гораздо большие расстояния, чем травоядным. В связи с этим древние гоминиды-охотники в результате естественного отбора постепенно утрачивали «обезьяньи» (характерные для живших на деревьях австралопитеков) черты, их нижние конечности удлинялись и становились приспособленными к ходьбе и бегу, что помогало им не только добывать пищу, но и не попадаться в когти хищников.
Наши предки приходят в движение
На ископаемых останках древних гоминидов следы кожи не сохраняются, однако на основании других данных можно косвенно судить об эволюционных сроках появления безволосой кожи. Древние предшественники человека, такие как австралопитеки, видимо, вели оседлый образ жизни (как современные обезьяны), т.к. обитали в лесах, изобилующих растительной пищей и источниками воды. Однако по мере того, как леса сменялись саваннами, нашим более близким предками Homo ergaster пришлось преодолевать в поисках пищи и воды все большие расстояния, тем более что в их рационе стала появляться мясная пища. Homo ergaster, появившийся около 1,6 млн лет тому назад, возможно, был первым гоминидом с безволосой кожей и преимущественно мерокриновыми потовыми железами – т.е. особенностями, обеспечивающими эффективную отдачу вырабатываемого при повышенной мышечной активности тепла
Однако платой за такую повышенную активность стала постоянная опасность перегревания. Начиная с 1980-х гг. исследователь из Ливерпульского университета им. Джона Мурса (Великобритания) Питер Уилер (Peter Wheeler) провел и опубликовал серию исследований, в которых смоделировал температурный режим предков человека, выходящих из саванны. В этих работах было показано, что переход на ходьбу и бег сопровождался такой теплопродукцией в мышцах, при которой для теплоотдачи понадобилось повысить активность мерокрино-вых потовых желез и избавиться от чрезмерного волосяного покрова.
Когда же произошли такие перемены? В окаменелых останках предков человека кожа не сохраняется, однако можно ориентировочно вычислить, когда гоминиды перешли на характерные для современного человека виды двигательной активности. В работах, проведенных независимо Либерманом и исследователем из Университета Джонса Хопкинса Кристофером Раффом (Christopher Ruff), было показано, что примерно 1,6 млн лет тому назад у древнего представителя нашего рода Homo ergaster развились относительно современные пропорции тела, что должно было позволить продолжительную ходьбу и бег. Более того, особенности строения голеностопного, коленного и тазобедренного суставов свидетельствовали о том, что такая двигательная активность действительна была свойственна Homo ergaster. Значит, появление безволосой кожи и преимущественно мерокриновых потовых желез — приспособлений, позволявших вести новый, более активный образ жизни, — должно было происходить около 1,6 млн лет тому назад.
Косвенные указания на то, когда именно произошел переход к безволосой коже, были получены при исследовании генов, ответственных за кожную пигментацию. В 2004 г., Алан Роджерс (Alan R. Rogers) и его сотрудники из Университета штата Юта изучили нуклеотидную последовательность одного из таких генов у человека — MC1R. Было показано, что некий его вариант, всегда присутствующий у темнокожих африканцев, появился примерно 1,2 млн лет тому назад. Поскольку, как считается, у древних предков человека кожа была розовой и покрыта черными волосами (как и у шимпанзе), можно предположить, что темный цвет кожи появился вследствие утраты шерсти, защищающей от солнечного излучения. Таким образом, данные Роджерса позволяют ориентировочно определить сроки формирования безволосой кожи.
Борьба с жарой
Безволосая кожа — не единственный способ приспособления к изнуряющей жаре тропиков, в которой пришлось жить нашим предкам. У них развились, в частности, длинные конечности, что способствовало повышению отношения поверхности к объему, следовательно, теплоотдаче. Видимо, такая тенденция наблюдается и в наши дни. Лучшим примером могут быть особенности народов Восточной Африки, в частности племени динка из Южного Судана. Наверняка нельзя считать случайным тот факт, что у представителей этого народа, живущего в одном из самых жарких регионов Земли, особенно длинные руки и ноги.
У современного человека длина конечностей существенно колеблется. Видимо, по мере расселения наших предков из тропической Африки в более прохладные регионы форма тела под влиянием внешних факторов менялась.
Решение — на поверхности.
Ответить на вопрос о том, как образовалась безволосая кожа, сложнее, чем понять, когда и зачем она появилась. Определить гены, обеспечивающие ее формирование, сложно, т.к. за структуру и функции кожи отвечают многие гены. Тем не менее при сравнении нуклеотидной последовательности ДНК разных животных (нуклеотиды — это как бы «буквы», из которых состоит генетический код) удалось получить определенные подсказки. Так, оказалось, что одно из существенных различий между геномами человека и шимпанзе касается именно генов, отвечающих за свойства кожи. Их человеческие варианты кодируют белки, придающие нашей коже особенную прочность и водостойкость, что имеет первостепенное значение при отсутствии защитного слоя шерсти. Видимо, появление таких генов способствовало развитию безволосой кожи, поскольку устраняло ее потенциальные недостатки.
Удивительные защитные свойства нашей кожи обусловлены строением ее внешнего слоя — рогового слоя эпидермиса. Его устройство можно сравнить с кирпичной кладкой, где кирпичиками служат роговые чешуйки (погибшие плоские клетки эпителия — кератиноциты, содержащие кератин и некоторые другие вещества), а цементным раствором — межклеточные липиды.
Большинство генов, определяющих развитие рогового слоя, довольно древние, и их последовательности у разных позвоночных сходны. Значит, раз у человека они отличаются, можно предположить, что данные отличия оказались важными для выживания. Эти гены кодируют особые белки эпидермиса человека, в частности уникальные разновидности кератина и инволюкрина. В настоящее время в нескольких лабораториях исследуются конкретные механизмы образования данных белков.
Для того чтобы определить причины тонкости и редкого расположения волос у человека, проводятся исследования эволюции кератина. В статье Роланда Молла (Roland Moll) из Марбургского университета (Германия) от 2008 г. было показано, что кератин волос у человека гораздо более хрупок, чем у других животных, что и обусловливает ломкость наших волос. Данный факт позволяет предположить, что у человека кератин был не столь важен для выживания, как у других приматов, отчего в процессе эволюции и утратил свою прочность.
Еще один волнующий генетиков вопрос заключается в том, почему в коже человека так много мерокриновых потовых желез. Почти наверняка можно предположить, что это обусловлено изменениями генов, определяющих судьбу неспециализированных эпидермальных стволовых клеток эмбриона. На ранних стадиях внутриутробного развития группы таких клеток в особых участках кожи взаимодействуют с клетками нижележащих слоев дермы (слоя кожи, расположенного под эпидермисом), образуя так называемые ниши эпидермальных стволовых клеток. В них сигнальные белки, вырабатываемые под контролем специальных генов, направляют дифференцировку стволовых клеток в сторону волосяных фолликулов, мерокриновых, апокриновых или сальных желез или просто слоев эпидермиса. В настоящее время многие коллективы изучают механизмы образования и поддержания ниш эпидермальных стволовых клеток. Эти работы должны пролить свет на факторы, направляющие развитие эпидермальных стволовых клеток, и на механизмы формирования мерокриновых потовых желез у человека.
О вшах и людях.
В последние годы внимание ученых, занимающихся эволюцией кожи, все больше привлекает обычная вошь. В 2003 г. Марк Пейджел (Mark Pagel) из Университета Редин-га (Великобритания) и Уолтер Бод-мер (Walter Bodmer) из Оксфордской больницы им. Джона Радклиффа предположили, что появление безволосой кожи было необходимо для того, чтобы избавиться от вшей и других гнездящихся в шерсти переносчиков болезней и демонстрировать здоровую кожу. Другие же авторы исследовали головных и платяных вшей с целью определить, как скоро после утраты шерсти наши предки стали носить одежду.
Платяная вошь питается кровью, но живет в одежде. Значит, по времени появления платяной вши можно судить о давности первых одеяний. В свою очередь, приблизительная оценка времени возникновения вида возможна на основании сравнения нуклеотидных последовательностей генов разных организмов. Такое сравнение позволяет утверждать, что головная вошь паразитировала на человеке уже к моменту его появления, но платяная вошь появилась гораздо позже. Эти данные свидетельствуют о том, что человек ходил абсолютно голым около миллиона лет
Не совсем голые.
Несмотря на то что мы превратились в безволосых обезьян, остатки растительности у нас кое-где сохранились. Поэтому любая теория происхождения безволосой кожи должна объяснять и биологический смысл существования таких остатков. Волосы в подмышечных впадинах и в паху, очевидно, нужны для распространения феромонов (химических веществ, вызывающих определенные поведенческие реакции у других особей) и для увлажнения этих областей при движениях. А вот волосы на голове, как ни покажется странным, спасают от перегревания: между кончиками волос и кожей создается неподвижный слой воздуха, остающийся в жаркий солнечный день относительно прохладным. Жесткие курчавые волосы особенно эффективны, т.к. увеличивают толщину упомянутого слоя воздуха. Об эволюции волосяного покрова на голове известно пока недостаточно, но вполне вероятно, что у предков современного человека были именно жесткие курчавые волосы, а потом, по мере миграции человека из тропических областей Африки, появились и другие виды волос.
Что же касается волос на теле, то вопрос состоит в другом: почему у представителей одних этнических групп их почти нет, а представители других групп покрыты внушительной растительностью? Меньше всего волос на теле у жителей тропических регионов, однако и у представителей более северных областей оволосение на теле далеко не столь развито, чтобы обеспечивать сколько-нибудь значимую теплоизоляцию. Очевидно, что степень оволосения зависит, в частности, от уровня в крови тестостерона: у мужчин, независимо от этнической принадлежности, волос на теле больше, чем у женщин. Многие объясняют это половым отбором. Согласно одним гипотезам, женщины предпочитают мужчин с густыми бородами и обильной растительностью на теле потому, что эти черты сочетаются с большей силой и плодовитостью, другие же гипотезы выдвигают на первый план влечение мужчин к женщинам с более «детской» внешностью.
Данные гипотезы, конечно, интересны, но не проверены в исследованиях на современном человеке. Не доказано, например, что мужчины с обильным оволосением сильнее и плодовитее. Таким образом, о причинах различий в выраженности волос на теле у человека пока можно лишь гадать.
Безволосая кожа оказалась не только полезным приспособительным механизмом: она повлияла на всю последующую эволюцию человека. Утрата волосяного покрова и появление большого количества мерокриновых потовых желез способствовали развитию самого чувствительного к температуре органа — головного мозга. Если у австралопитека его объем составлял около 400 куб. см (примерно как у шимпанзе), то у Homo ergaster мозг был уже в два раза больше. За последующий миллион лет объем мозга человека увеличился еще на 400 и более куб. см, достигнув современных размеров. Разумеется, такому развитию мозга способствовали многие факторы, например повышение калорийности пищи, обеспечивающее энергетические потребности данного органа. Однако одну из основных ролей безусловно сыграло появление безволосой кожи.
Отсутствие волос сказалось и на социальном поведении наших предков. Хотя мы технически способны поднимать или опускать волосы (для этого у основания волосяных фолликулов расположены мелкие мышцы), волоски на нашем теле настолько мелкие, что мы не можем так демонстративно вздымать шерсть дыбом, как разъяренные собака, кошка или шимпанзе. Нет у нас и опознавательной раскраски (или маскировки), как у зебры, леопарда и других животных. Можно предположить, что такие типичные человеческие особенности, как краска стыда и сложная мимика, развились именно взамен способов социальной коммуникации с помощью шерсти. Точно так же косметика, татуировки, ритуальные раскраски и другие формы украшения кожи могут быть свойственны в том или ином виде всем народам потому, что компенсируют сигнальные функции утраченной шерсти — сообщение о принадлежности к одной и той же группе, месте в этой группе и других социальных признаках. Для передачи эмоций и намерений мы стали использовать мимику и жесты, для более тонкой передачи информации — речь. С такой точки зрения безволосая кожа не только обеспечила нам теплоотдачу, но и сделала нас людьми.
Сообщение изменено: eugene-march, 04 Июль 2010 - 17:15.
Наверх
