Риба, що мала зап’ястя

Чому наші тіла збудовані саме так, а не інакше? Що спільного між людською рукою та крилом мухи? І чому, якщо ми хочемо зрозуміти такий буденний фізіологічний процес, як гикання, нам варто глибше вивчити дихання риб? Обравши своїм вихідним пунктом розповідь про відкриття скам’янілих решток доісторичної істоти, що отримала ім’я тіктаалік, один із провідних світових палеонтологів Ніл Шубін запрошує читачів у захопливу мандрівку 3,5-мільярдною історією людського тіла. Вивчаючи скам’янілості та аналізуючи й порівнюючи фрагменти ДНК, він переконливо показує, що наші руки – це еволюційні нащадки риб’ячих плавників, будова нашої голови загалом не відрізняється від будови голови давньовимерлої риби, а значні частини людського геному можна виявити ще у найдавніших черв’яків та бактерій. Написана легко й доступно, попри колосальну кількість вражаючих наукових фактів, ця книжка безумовно заохочує нас поглянути на себе та світ навколо нас свіжим, проникливішим поглядом. Як грайливо зазначила Sunday Telegraph: «Риба всередині нас» неодмінно б стала книжкою року для Чарльза Дарвіна», якби, додамо, вийшла друком ще за його життя».

Підтримати видання

Переклад Анни Лип'ятських.

Анатомічну лабораторію медичної школи забути неможливо. Уявіть, що ви заходите до кімнати, де впродовж кількох місяців будете розбирати людське тіло – пласт за пластом, орган за органом – усе це заради того, щоб вивчити десятки тисяч нових назв та структур.

Впродовж місяців, що передували моєму першому розтину людського тіла, я готувався до нього, намагаючись уявити те, що побачу, як буду реагувати і що відчуватиму. Та виявилося, що світ моєї уяви аж ніяк не підготував мене до такого досвіду. Мить, коли ми прибрали простирадло і вперше побачили мертве тіло, була не настільки напруженою, як я очікував. Ми мали розітнути грудну клітину, тож спершу її оголили, лишивши голову, руки та ноги загорнутими у просякнуту фіксатором марлю. Тканини тіла виглядали не надто людськими. Оброблене низкою розчинів, воно не кривавило у місцях розрізів, а шкіра і внутрішні органи були схожими на гуму. Мені спало на думку, що труп більше нагадує ляльку, аніж людину. Минуло кілька тижнів, упродовж яких ми досліджували органи грудної клітини та черевної порожнини. Мені здавалося, що я вже став справжнім професіоналом; після дослідження більшості внутрішніх органів у мене з’явилася зухвала самовпевненість, немов я вже все опанував. Я зробив свої перші порізи й розтини, вивчив анатомію більшості головних органів. Усе це відбувалося дуже механічно, відсторонено, по-науковому.

Приємні ілюзії розлетілися вщент, коли черга дійшла до рук. Тільки-но я відгорнув марлю з пальців, вперше побачивши суглоби, подушечки пальців і нігті, мене переповнили емоції, яких я не відчував упродовж попередніх кількох тижнів. Це була не лялька і не манекен – колись це була людина, вона щось носила у своїй руці, когось нею пестила. Зненацька розтин – ще донедавна цілком механічна вправа – став чимось значно глибшим та особистісно-емоційним. До цього моменту я був сліпим – не бачив зв’язку між собою і цим трупом. Я вже діставав із нього шлунок, жовчний міхур та інші органи, але ж яка психічно здорова людина відчує зв’язок із кимось, поглянувши на жовчний міхур?

То що ж такого має у собі рука, що вона здається настільки засадничо людською? Певною мірою відповідь полягає у тому, що рука є очевидним свідченням зв’язку між нами, уособленням того, ким ми є і чого можемо досягнути. Наша здатність хапати, будувати і реалізувати свої задуми криється в цій сукупності кісток, нервів та судин.

Перше, що впадає в око, коли бачиш руку зсередини, – її компактність. Тенар, підвищення великого пальця кисті, складається з чотирьох різних м’язів. Покрутіть великим пальцем і нахиліть кисть: у цей момент злагоджено працює десять різних м’язів та як мінімум шість кісток. Усередині зап’ястя не менш як вісім маленьких кісточок рухаються одна проти одної. Під час згинання зап’ястя ви користуєтеся кількома м’язами, що починаються біля ліктя, переходять у сухожилля і закінчуються долонею. Навіть найпростіші рухи передбачають складну взаємодію різних структур у межах доволі невеликого простору.

Взаємозв’язок між складною організацією та людською сутністю наших рук здавна викликав захват учених. У 1822 році видатний шотландський хірург сер Чарльз Белл написав класичну працю про анатомію рук. Її назва говорить сама за себе: «Рука, її механізм та найважливіші функції як свідчення вищого замислу». На думку Белла, будова нашої руки досконала, адже вона не тільки складна, а й ідеально пристосована до нашого способу життя. Він був переконаний, що таку довершеність можна пояснити лише божественним походженням.

Одним із провідних учених, які шукали такий божественний порядок у наших тілах, був видатний анатом сер Річард Оуен. Йому пощастило бути анатомом у середині ХІХ століття, коли все ще можна було відкрити нові види тварин у віддалених куточках землі. Що більше незвіданих регіонів нашої планети досліджували європейці, то більше потрапляло в лабораторії та музеї найрізноманітніших екзотичних істот. Оуен описав першу горилу, привезену з експедиції до Центральної Африки. Він вигадав термін «динозавр» для нового типу викопних решток, знайдених серед порід Англії. Дослідження цих чудернацьких створінь дало йому змогу побачити важливі закономірності у, здавалося б, хаосі різноманітних життєвих форм.

Оуен з’ясував, що наші руки й ноги, долоні та ступні впорядковуються у значно ширшу систему. Він побачив те, що було відомо анатомам ще задовго до нього: скелет людської руки має чітку структуру. Одна плечова кістка, дві кістки передпліччя, група з дев’яти маленьких кісточок зап’ястя і п’ять пальців, утворених кількома поступово з’єднаними кістками. Скелет людської ноги має приблизно таку саму будову: одна кістка, дві кістки, багато маленьких кісточок і п’ять пальців. Порівнявши цю схему з різноманітністю скелетів у природі, Оуен здійснив видатне відкриття.

Геніальність Оуена була не в тому, що він зосередився на відмінностях різних скелетів. Він відкрив і згодом популяризував у своїх лекціях та книгах виняткову подібність будови істот, настільки несхожих між собою, як, наприклад, люди й жаби. Усі істоти з кінцівками – чи то крила, ласти, чи руки – улаштовані однаково. Одна кістка – плечова у передніх кінцівках і стегнова у задніх – з’єднана суглобом із двома кістками, які приєднуються до низки дрібних кісточок, що, своєю чергою, з’єднуються з пальцями. Така схема лежить в основі будови всіх кінцівок. Хочете отримати крило кажана? Зробіть пальці дуже довгими. Копито коня? Подовжіть середній палець та скоротіть, а потім і зовсім приберіть усі інші. Як щодо жаб’ячої лапки? Подовжіть кістки ноги та з’єднайте разом деякі з них. Різниця між живими істотами криється у відмінності форм і розмірів їхніх кісток, а також у кількості пальців та кісточок, до яких вони приєднуються. Незважаючи на суттєві зміни функцій і зовнішнього вигляду, загальна схема будови кінцівок лишається незмінною.

Відкриття загальної будови кінцівок було для Оуена тільки початком: досліджуючи черепи, хребти й архітектуру тіл загалом, він помітив таку саму подібність. Існує основоположний принцип будови скелетів усіх тварин: жаби, кажани, ящірки та люди – всього лиш варіації на одну й ту саму тему. І ця тема для Оуена була ні чим іншим, як замислом Творця.

Невдовзі після того, як Оуен опублікував результати своїх досліджень у класичній монографії «Про природу кінцівок», Чарльз Дарвін надав чудове пояснення цим фактам. Причина, з якої крило кажана та людська рука мають спільну схему будови, криється в тому, що вони походять від одного предка. Те саме стосується людської руки і пташиного крила, людської ноги і жаб’ячої лапи – будь-якої істоти, що має кінцівки. Проте між теоріями Оуена й Дарвіна є одна суттєва різниця: теорія Дарвіна дає змогу робити дуже точні передбачення. Виходячи з його тверджень, ми можемо очікувати, що описана Оуеном структура має історію, яку можна простежити аж до істот, що взагалі не мали кінцівок. Але куди нам варто звернутися, щоб простежити цю історію? Тут у пригоді стане риба та скелет її плавника.

Погляньмо на риб

У часи Оуена й Дарвіна прірва між плавниками риб і кінцівками наземних істот видавалася неподоланною. На перший погляд, плавники та кінцівки не надто схожі між собою. Зовні плавники більшості риб облямовані перетинкою. Наші кінцівки не мають нічого подібного, як і кінцівки будь-яких наявних нині наземних істот. Якщо ми розітнемо плавник і зазирнемо всередину, щоб розглянути будову скелета, то порівняти наші кінцівки з тим, що ми побачимо, буде анітрохи не легше. Більшість риб не має нічого, що можна було би зіставити з оуенівською схемою: кістка – дві кістки – багато кісточок – пальці. Основою кінцівок наземних хребетних є одна довга кістка – плечова у передніх кінцівках і стегнова у задніх. У риб скелет має цілком інший вигляд. В основі типового риб’ячого плавника міститься чотири чи й більше кісточок.

У середині ХІХ століття анатоми вперше познайомилися із загадковими рибами з південних континентів. Один із перших таких видів відкрили німецькі вчені, які працювали в Південній Америці. На вигляд це була звичайнісінька риба з плавниками та лускою, але за горлом у неї містилися два великі судинні мішки – легені. І все ж таки ця істота мала луску та плавники! Першовідкривачі були настільки спантеличені, що назвали її Lepidosiren paradoxa – «парадоксальне земноводне, вкрите лускою». Інші риби з легенями,  влучно названі «дводишними», незабаром були знайдені в Африці й Австралії. Дослідники Африки привезли одну з таких Оуенові. Деякі вчені, зокрема Томас Гакслі та анатом Карл Ґеґенбаур, по суті, вважали дводишних риб проміжною ланкою між земноводними та рибами. А місцеві жителі вважали, що така риба дуже смачна.

Тривіальна, на перший погляд, будова плавників цих риб справила на науку колосальний вплив. В основі плавників дводишних риб лежить тільки одна кістка, що прикріплюється до лопатки. Для анатомів подібність була очевидною: верхня частина людської руки складається з плечової кістки, що приєднується до лопатки. Тобто дводишні риби – це риби із плечовою кісткою. Не менш цікаво, що це не абиякі риби, а саме риби, які мають легені. Невже звичайний збіг?

Коли низка цих видів стала відомою у ХІХ столітті, ключі до розгадки стали надходити й з інших джерел. Як можна здогадатися, йдеться про рештки стародавніх риб.

Одна з найперших таких скам’янілостей була знайдена біля берегів півострова Ґаспе у Квебеці в породах віком близько 380 мільйонів років. Риба отримала важку для вимови назву Eusthenоpteron (еустеноптерон). Еустеноптерон мав дивовижну суміш рис земноводних та риб. Із описаної Оуеном схеми кінцівок (кістка – дві кістки – багато кісточок – пальці) в еустеноптерона були перші два елементи (кістка – дві кістки), але в плавнику. Тобто в деяких риб плавники за будовою подібні до кінцівок наземних хребетних. Оуенівський архетип не був божественною та вічною частиною всього живого. Він мав свою історію, і ця історія крилася в породах девонського періоду – віком між 390 і 360 мільйонами років. Це важливе відкриття визначало нову програму й задало цілком новий напрямок пошуків: десь у породах девонського періоду варто шукати свідчення появи пальців.

У 1920-х породи принесли нові сюрпризи. Молодому шведському палеонтологові Ґуннару Саве-Содербергу випала неймовірно щаслива нагода досліджувати східне узбережжя Ґренландії на наявність скам’янілостей. На той час цей регіон був цілковитою terra incognita, але Саве-Содерберг збагнув, що тут містилися значні поклади порід девонського періоду. Він був одним із найкращих польових палеонтологів усіх часів, який завдяки невтомному духу шукача та неймовірній увазі до деталей зміг упродовж своєї недовгої кар’єри відкрити важливі викопні рештки. (На жаль, він трагічно помер від туберкульозу в молодому віці, невдовзі після приголомшливого успіху своїх польових досліджень). Під час експедицій між 1929-м та 1934-м команда Саве-Содерберга відкрила те, що на той час назвали вкрай важливою «відсутньою ланкою». Газети всього світу тріумфально повідомляли про це відкриття, в редакційних статтях аналізували його значущість, його висміювали в карикатурах. Рештки, про які йдеться, були справжньою мозаїкою: у них були риб’ячі голова та хвіст і водночас сформовані кінцівки – вони мали пальці, а хребці були надзвичайно подібними до хребців земноводних. Після смерті Саве-Содерберга його колега Ерік Ярвік описав ці рештки та назвав один із нових видів Ichthyostega soderberghi (іхтіостега содерберга) на честь свого друга.

Та для нашої історії іхтіостега – це трохи розчарування. Звісно, за багатьма рисами будови голови і хребта вона й справді була досить дивовижною проміжною формою, проте дуже небагато могла сказати про походження кінцівок, адже, як і всі земноводні, вже мала пальці. Інша істота, якій свого часу не приділили належної уваги, допоможе здійснити справжній прорив через кілька десятиліть після того, як Саве-Содерберг повідомив про її відкриття. Ця тварина з кінцівками залишалася загадкою до 1988 року, коли моя колега-палеонтолог Дженні Клек, про яку йшлося у першому розділі, повернулася до місць, де працював Саве-Содерберг, і відшукала там додаткові скам’янілі зразки. Ця істота, яка ще в 1920-х отримала назву Acanthostega gunnari (її описали за фрагментами, відкритими Саве-Содербергом), мала повний набір кінцівок із пальцями. Та й цього разу трапився сюрприз: Дженні встановила, що кінцівки акантостеги мали форму плавника, майже як ласти в тюленя. Це наштовхнуло її на думку, що найперші кінцівки наземних хребетних з’явилися для того, щоб допомагати тваринам плавати, а не ходити. Ця здогадка була суттєвим зрушенням, але питання так і не вирішилося: акантостега мала цілком сформовані пальці та справжнє зап’ястя, і не мала плавникової перетинки. Кінцівки акантостеги, хоч і були примітивними, та це були повноцінні кінцівки наземної істоти. Тож, аби з’ясувати, як з’явилися руки та ступні, зап’ястя й щиколотки, треба було заглиблюватися ще далі в минуле. Так тривало до 1995 року.

Відкриття зап’ясть та пальців риб

У 1995 році ми з Тедом Дешлером щойно повернулися до нього додому у Філадельфію, об’їздивши всю центральну Пенсильванію в пошуках місць, де в процесі дорожньо-будівельних робіт нещодавно проводилися підриви скель. Ми знайшли чудове місце на 15-й трасі, що на північ від Вільямспорта, де Пенсильванський департамент транспорту створив велике урвище у піщанику віком близько 365 мільйонів років. Піщаник висаджували динамітом, й уздовж траси залишилось багато великих уламків. Для нас це було ідеальним місцем для полювання на скам’янілі рештки, і ми зупинилися, щоб дослідити ці брили, більшість з яких були за розміром, як маленька мікрохвильова піч. На поверхні деяких із них траплялася риб’яча луска, тож ми вирішили захопити кілька шматків до Філадельфії. Коли ми приїхали до Теда додому, його чотирирічна донька Дейзі вибігла зустріти тата і запитала, що ми знайшли.

Показуючи Дейзі одну із брил, ми раптом зрозуміли, що з неї стирчить шматок плавника великої риби. Під час пошуків ми цього зовсім не помітили. І, як ми згодом з’ясували, це був не звичайний риб’ячий плавник – усередині він мав чимало кісток. Працівники лабораторії витратили близько місяця, щоб дістати плавник із каменя – і коли це врешті сталося, ми вперше побачили рибу, чий скелет відповідав схемі Оуена. Ближче до тулуба була одна кістка. До неї прикріплювалися ще дві. Від плавника убік простягалося близько восьми кісток. За всіма ознаками це була риба, яка мала пальці.

Плавник мав повноцінну перетинку, луску і навіть характерну для риб лопатку, але глибоко всередині містив кістки, що відповідали «стандартним» кінцівкам. На жаль, нам вдалося віднайти тільки окремий плавник. Тож ми мали відшукати місце, де можна було б знайти неушкоджені тіла цих істот. Єдиний плавник не дав би змоги відповісти на справді важливі запитання: як ця істота використовувала свої плавники і чи були у її плавниках кістки й суглоби, що працюють, як людські. Відповідь міг дати тільки повністю збережений скелет.

Його пошуки забрали у нас майже десять років. І не мені першому вдалося збагнути, що саме було у нас перед очима. Першим це спало на гадку двом професійним препараторам скам’янілостей – Фреду Маллісону та Бобу Маcеку. Використовуючи стоматологічне обладнання, препаратори зішкрібають породу з уламків, які ми знаходимо під час експедицій, і в такий спосіб звільняють викопні рештки. Щоб перетворити велику брилу, яка містить скам’янілості, на елегантний, доступний для досліджень зразок, препараторам часом потрібні місяці чи навіть роки.

Під час експедиції 2004 року ми знайшли на острові Елсмір три шматки порід девонського періоду. Кожен був за розміром із ручний багаж і містив рештки тварини з пласкою головою: один я відшукав попід льодом на дні кар’єру, інший знайшов Стів, а на третій ми натрапили під час останнього тижня експедиції. У польових умовах ми дістали кожну з голів, залишивши достатньо неушкодженої породи довкола, щоб уже в лабораторії дослідити їх на наявність інших частин тіла. Потім зразки вкрили гіпсом для транспортування. Коли у лабораторії знімаєш з решток гіпсову обгортку – це схоже на відкриття капсули часу. Там фрагменти нашого життя в арктичній тундрі, як і польові нотатки та записи, присвячені зібраним зразкам. Коли ми розколюємо оболонку, то можна навіть вловити запахи тундри, які вириваються звідти назовні.

Фред у Філадельфії і Боб у Чикаго працювали над двома різними шматками породи приблизно в один і той самий час. Із одного з цих арктичних уламків Боб витягнув особливу маленьку кісточку, що була частиною плавника великої риби (тоді ми ще не назвали її тіктааліком). Що ж відрізняло цю кубічної форми кісточку від будь-якої раніше відомої кісточки риб’ячого плавника? Наприкінці вона мала суглоб із заглибленнями для чотирьох інших кісток. Інакше кажучи, ця кісточка моторошно нагадувала кістку зап’ястя; на жаль, плавники у зразку, з яким працював Боб, надто погано збереглися, щоб сказати напевне. Додаткове підтвердження надійшло за тиждень із Філадельфії. Фред, який чаклував над своїм шматком, дістав із нього цілий плавник. Саме на потрібному місці, там, де закінчуються кістки передпліччя, у плавнику була та сама кісточка. І до цієї кісточки приєднувалося ще чотири. Ми оторопіло дивилися на першоджерело частини нашого власного тіла, знайдене у тілі риби віком 375 мільйонів років. Перед нами була риба, яка мала зап’ястя.