Зачем природе право и лево?

Почему большинство людей являются правшами? Действительно ли левши ведут себя иначе, чем правши? Отчего торнадо вращаются против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном? Зачем вообще живой и неживой природе право и лево? Об этом можно прочитать в книге Криса Макмануса «Почему сердце находится слева, а стрелки часов движутся вправо. Тайны асимметричности мира». Ниже предлагаем ознакомиться с отрывком одной из глав, посвященной возникновению асимметрии в организме позвоночных животных.

Левостороннее положение сердца обнаруживается у всех без исключения знакомых нам существ — кошек, собак, коров, лошадей и других млекопитающих, птиц, крокодилов, змей и всех пресмыкающихся, лягушек, жаб и прочих земноводных, а также бесчисленных видов рыб. Асимметрично не только сердце, но и большинство связанных с ним сосудов, тонкую сеть которых сэр Осберт Ситвелл назвал «хрупким алым древом, растущим внутри нас» — вены, подводящие кровь к сердцу, и артерии, несущие ее по всему телу. Невероятная красота кровеносной системы видна на рис. ниже. Конструкция тела со смещенным сердцем создает те же проблемы, с которыми сталкиваются автомобилестроители, — как только принимается решение, что машина будет с левым расположением руля, тут же возникает цепочка следствий: каждая деталь должна соответствовать этому решению, как по необходимости, так и просто из-за ограниченного количества места. Подобным же образом в организмах позвоночных не только сердце смещено к левой стороне, но асимметрично положение и ряда других органов, наиболее подробно описанное применительно к человеку, но характерное и для большинства других позвоночных.

• Кровеносная система здорового добровольца, подвергнутого магнитно-резонансной ангиографии. Сосуды стали видимыми за счет использования контрастного вещества, которое кажется белым; оно начало накапливаться в мочевом пузыре, который виден в центре изображения.

В грудной клетке левое легкое зажато сердцем, и поэтому оно меньше по размеру и имеет только две доли, в отличие от более крупного и трехдольного правого. Аорта, очень крупный сосуд, по которому поток крови идет от сердца, прежде чем устремиться к нижней части тела сквозь диафрагму, сначала направлена вверх и налево. На рис. выше самые заметные органы брюшной полости — это почки, левая, как обычно, немного больше и расположена чуть выше. Печень, самый большой орган брюшной полости, расположена справа, так же, как и желчный пузырь, а на противоположной стороне — намного меньшая селезенка, на рисунке она чуть выше левой почки. Не видны на рисунке желудок, смещенный влево, и двенадцатиперстная кишка, заворачивающаяся вправо, огибая сверху поджелудочную железу, которая тоже расположена справа. Витки тонкого кишечника, на вид беспорядочно спутанные, представляют собой ясную, упорядоченную и очень асимметричную структуру. Тонкий кишечник заканчивается в нижней правой стороне брюшной полости, переходя в слепую кишку толстого кишечника, от которой отходит аппендикс. Далее толстая кишка идет вверх по правой стороне брюшной полости, пересекает ее поверху и опускается вниз к сигмовидной кишке, переходящей в прямую кишку и анус, которые, наряду со ртом, глоткой и пищеводом, являются центральносимметричными частями пищеварительного тракта. Два яичка мужчин также асимметричны, правое обычно больше и расположено выше, что отчасти связано с необходимостью разместить эти органы в довольно странном месте, оставшемся для них в верхней части бедер. Намек на асимметрию мошонки есть у Джойса в «Улиссе», в ответе Блума на заигрывания Зои:

«З о я. Где там твои орешки?

Б л у м. Сбоку. Интересно, что всегда справа. Наверно, потому что тяжелей. Мой портной, Мизайес, говорит, так у одного из миллиона».

Асимметрия органов брюшной полости ведет к тому, что хирургов особенно интересует, какая сторона тела у пациента болит — если, например, боль в правой подвздошной впадине, то диагнозом, скорее всего, будет аппендицит, если в левой — возможен дивертикулез сигмовидной кишки; если боли в правом подреберье, то причиной может быть болезнь желчного пузыря и так далее. Разумеется, некоторые заболевания возникают только в одном из парных органов, классический пример — варикоцеле, когда расширившиеся вены словно клубком опутывают тестикулы, что может привести к бесплодию — и почти всегда поражается левая сторона.

Описанное выше расположение органов кажется до банальности нормальным всем, кто хоть немного знает биологию, так что приходится напоминать себе, насколько это нетипично для живых организмов в целом. Значительная асимметрия такого рода в основном свойственна позвоночным. Что касается других животных, то их сердце не смещено влево, а сосудистая система не асимметрична. У земляных червей, например, несколько последовательных сердечных камер в нескольких сегментах тела, точно посередине; точно посередине расположены и симметричные сердца других беспозвоночных. Действительно, организм «рабочей лошадки» генетики, фруктовой мушки дрозофилы почти полностью симметричен (с тем любопытным исключением, что пенис в ходе развития вращается по часовой стрелке). Лишь наше близкое знакомство с позвоночными, чьи крупные тела сходны с нашими, позволяют с легкостью забыть о том, как странно, что сердце находится слева. Как, почему и когда возникла эта странность?

Часть этих «почему» связана с направлением течения жидкостей, проблемами большого размера тела и наличием внутреннего скелета. От прочих животных позвоночные отличаются твердым внутренним скелетом. Мелким животным, особенно живущим в воде, скелет не нужен — взять хотя бы каплю протоплазмы, амебу. Когда организм живет на суше и достигает определенного размера, ему требуется опора, чтобы сопротивляться постоянной силе гравитации. Простые животные, такие как земляные черви, справляются с ней с помощью гидростатического скелета — системы трубочек, в которые нагнетается вода и которые сохраняют свою форму, подобно воздушным шарам. Более крупным животным жесткий скелет необходим, и насекомые, ракообразные и им подобные обзавелись внешним скелетом — твердым наружным хитиновым панцирем, к которому прикрепляются мышцы. До какого-то момента это прекрасно работает, но рост вызывает проблемы — требуется регулярная линька.

Большая проблема, как указал Джон Холдейн в своей знаменитой работе 1928 года «О должном размере», — это возрастающая сложность снабжения кислородом разных частей организма. Частичное решение — это внутренний скелет, свойственный всем крупным животным на Земле, от динозавров до слонов и китов. Самая заметная его часть, по которой все позвоночные и получили это название, — позвоночник, состоящий из серии позвонков. Позвоночник формируется вдоль более примитивной формы скелета, нотохорда, прямого стержня, формирующегося в ходе развития эмбриона позвоночных организмов. Нотохорд обнаруживается не только у позвоночных, но и у таких примитивных организмов, как морские асцидии, которые, как и позвоночные, относятся к хордовым. Внутренний скелет позволил позвоночным вырастать до значительного размера: сначала в воде — рыбам и позже на суше — земноводным, пресмыкающимся, птицам и млекопитающим. К скелету прикреплено множество мышц, позволяющих организму двигаться, и всем им необходима кровь, которую поставляет более крупное и эффективное сердце.

Хотя теоретически можно было бы представить себе эффективное, симметричное и центрально расположенное сердце, на практике большая эффективность означает асимметрию. Сердце — это машина, перекачивающая жидкость, и чем интенсивнее она перекачивается, тем большее значение обретают ограничения, налагаемые гидродинамикой — самими особенностями течения жидкости. Поток не должен быть хаотичным и беспорядочным, то есть следует избегать турбулентности, поскольку при этом растрачивается энергия и повреждаются красные кровяные клетки, что может привести к образованию тромбов. В сердце кровь проходит сквозь несколько клапанов, что позволяет избежать столкновения потоков крови — поступающего в сердце и покидающего его. Поскольку клапаны хиральны и, следовательно, ориентированы вправо или влево, сердце неизбежно должно быть асимметричным. Это хорошо объясняет асимметрию самого сердца, но не дает ответа, почему у позвоночных сердце смещено к одной стороне тела, поскольку порождаемые гидродинамикой проблемы одинаково хорошо решало бы и левое и правое положение сердца. Чтобы понять, почему сердце именно слева, нам придется присмотреться к предкам позвоночных и выяснить, откуда возникла асимметрия живых организмов.

Долгое время не удавалось распознать в окаменелостях предшественников позвоночных. Существует огромное количество более поздних ископаемых, начиная с силурийского периода (около 430 миллионов лет назад), есть и несколько экземпляров ордовикского времени (около 480 миллионов лет назад), но более ранняя каменная летопись почти пуста. Впрочем, не так давно в Китае были найдены ископаемые возрастом около 550 миллионов лет — на данный момент это старейшие известные позвоночные. Их отличают характерные для позвоночных черты — череп, жаберные щели, плавники и крупное сердце — но вместе с тем они достаточно примитивны и еще не имеют челюстей, так же как и некоторые ныне живущие позвоночные. Как же возникли эти древние существа? Это сложная и требующая специальных знаний история, и здесь я могу лишь кратко очертить ее. Надо также признать, что история эта все еще пишется, и некоторые детали неизбежно изменятся в ближайшие несколько лет.

Древнейшие животные, вероятно, первоначально были одноклеточными, а позднее возникли многоклеточные — такие как губки. Далее появляется рот и нервная система, возникают организмы, живущие на субстрате — прикрепившись вертикально к скалам. Они засасывают пищу вместе с водой, переваривают ее в полости тела и выплевывают непереваренные остатки через рот. Следующий шаг в нашей истории очень важный. В какой-то момент появились организмы, которые вместо пассивного ожидания пищи перешли от вертикального положения к горизонтальному и стали ползать по морскому дну в активных поисках еды. Существа, находившиеся в вертикальном положении, прикрепившись к скалам, обладали радиальной симметрией, то есть формой напоминали банки или бутылки, у которых легко различить верх и низ, но поскольку в сечении они округлы, невозможно определить, где у них передняя, задняя, левая или правая стороны. Но как только они легли горизонтально на дно, прежние верх и низ оказались передней и задней частями, при этом рот оказался спереди. Наличие силы тяготения также означало, что у этих организмов появились новые верх и низ (рис. ниже). Как только возникает верх, низ, перед и зад, появляется и возможность для определения левой и правой сторон, поскольку это возможно лишь тогда, когда определены направления верхниз и перед-зад. На этой стадии, однако, левая и правая стороны еще идентичны, организм проявляет билатеральную симметрию и принадлежит к таксону двусторонне-симметричных (Bilateria)*.

Простейшие потомки первых двусторонне-симметричных — плоские черви, но в числе других — самые разные черви, включая земляных; членистоногие, включающие ракообразных, насекомых, пауков и вымерших трилобитов; моллюски, в том числе устрицы, слизни, улитки, кальмары и осьминоги; и, конечно, позвоночные. Однако — и это поворот в самом буквальном смысле слова — двусторонняя симметрия, которую мы видим в руках и ногах людей и других позвоночных, возможно, не та же самая двусторонняя симметрия, которая отличает древних двусторонне-симметричных и современных червей.

Здесь стоит остановиться на некоторых специальных терминах, используемых в описании животного. Возьмем собаку. Начнем с носа, с передней части, которая на латыни называется anterior, задняя, где хвост — posterior, вместе они образуют антериально-постериальную ось. Ноги и живот у собаки снизу, на латыни эта сторона называется ventral — вентральной, а противоположная, верхняя — dorsal, дорсальной. Таким образом, определяется дорсально-вентральная ось, перпендикулярная антериально-постериальной. Третье измерение, левая и правая сторона проявляются лишь после того, как заданы антериально-постериальная и дорсально-вентральная оси, под прямым углом к этим осям. Большинство животных, будь то рыбы, лягушки, змеи, летучие мыши или ленивцы, можно описать в этих координатах.

• Процесс, который Джеффрис назвал «плевротетизмом»: в ходе него радиальносимметричный организм ложится набок, движется вперед и становится двусторонне симметричным

Хотя может показаться, что проще использовать обыденные определения — верх, низ, перед и зад, это оказывается проблематичным, когда приходится описывать наши собственные тела. Когда люди встали на ноги, все в теле повернулось под прямым углом, за исключением головы, которая наклонена вперед на шее. «Впереди» значит антериально применительно к собаке, но вентрально к человеческому телу, «вверху» — дорсально, если речь о собаке, но антериально в грудной клетке и брюшной полости человека. Поэтому далее я буду придерживаться недвусмысленных терминов «антериальный», «постериальный», «дорсальный» и «вентральный», несмотря на не слишком привлекательный облик этих слов.

Палеонтология полна загадок. Находки немногочисленны и разрозненны, часто они раздавлены, смещены и разломаны толщей горных пород, под которыми находились сотни тысяч лет; мягкие ткани сохраняются крайне редко, а окаменелости зачастую указывают не на какую-то определенную предковую форму, но лишь на промежуточные стадии. Палеонтолог Дик Джеффрис из Лондонского музея естественной истории, долгие годы работающий над проблемой происхождения позвоночных, так говорит о своем подходе к множеству противоречивых данных: «Это словно кроссворд. Если достаточное количество фактов подходит к этим очень сложным ископаемым, я надеюсь, что я прав. Любое отдельное утверждение будет лишь предположительным, но, если они вместе хорошо соответствуют друг другу, я надеюсь, что конечный вывод верен». Чтобы заметить все следы и повороты истории, нужен ум любителя кроссвордов или, скорее, поклонника игры го.

Дик Джеффрис смог соединить их в замечательную и удивительную теорию, которая, прямо сказать, все еще вызывает споры, хотя объясняет множество чрезвычайно сложных феноменов. Главная идея Джеффриса состоит в предположении глубокой и очень древней связи между ныне живущим полухордовым существом Cephalodiscus и хрупким ископаемым Cothurnocystis, принадлежащим к группе древних иглокожих, известной как cornutes (рис. ниже).

• Схема тела современных Cephalodiscus и давно вымерших Cothurnocystis

Но если Cephalodiscus симметричен, то Cothurnocystis асимметричен в самой высокой степени. На одном конце его тела рот и два шипа — это голова, хотя похоже, что животное передвигается хвостом вперед. Джеффрис долго пытался реконструировать, как двигался Cothurnocystis, и в итоге предположил, что он вытягивал свой жесткий, но мускулистый длинный хвост, ударяя им, словно кнутом, что позволяло ему зарыться в ил и удерживаться на месте, а затем вытащить себя из ила и переместиться.

Первоначально всего лишь элегантная догадка, основанная на изящной реконструкции хвоста, выполненной из картона и резиновой ленты, была основательно подкреплена, когда в 1995 году Вутер Зюдкамп обнаружил в одном из карьеров Германии замечательный кусок сланца. В камне возрастом 390 миллионов лет и площадью всего в треть квадратного метра сохранилось не менее четырех окаменевших митратов Rhenocystis, родственных Cothurnocystis. Два из них оставили ясные следы, видимые на камне, и следы эти подтверждали идею Джеффриса, что двигались эти животные задом наперед, как это показано на следующем рисунке.

• Реконструкция способа передвижения животного Rhenocystis, родственного Cothurnocystis

Самое поразительное в Cothurnocystis — это асимметрия. Откуда она могла взяться, если эти существа развились из двусторонне-симметричных? Идея Джеффриса поражает своей простотой и одновременно совершенной эксцентричностью. Он называет этот процесс дексиотетизмом. Предположительно, предок Cothurnocystis просто свалился на правый бок и стал ползать по-другому. Иначе говоря, то, что изначально было левым и правым, стало дорсальным и вентральным, а прежние дорсальное и вентральное сделались левой и правой сторонами. Рис.ниже — объясняющая процесс схема, нарисованная самим Джеффрисом.

• Процесс, который Джеффрис называет «дексотетизмом» и в ходе которого двусторонне-симметричный организм, предок Cephalodiscus, становится асимметричным организмом, таким как вымерший Cothurnocystis и современные иглокожие и хордовые, к числу которых принадлежат и позвоночные

А следующий рисунок демонстрирует, как правое, левое, дорсальное и вентральное поменялись местами.

• Схема, показывающая, как согласно теории Джеффриса правое и левое становятся вентральным и дорсальным

Пребывание на правом боку должно было быть, мягко говоря, неудобным. Все отверстия тела с правой стороны открывались в ил, и лучше было бы держать их постоянно закрытыми. Так же и все щупальца с правой стороны оказывались погруженными в ил, и лучше было бы обойтись без них. Для любого ползающего, плавающего, бегающего или летающего организма асимметрия конечностей также вызывала бы проблемы, так как неизбежно заставляла бы его двигаться кругами. Поэтому за миллионы лет потомки Cothurnocystis утратили характерную «сапогообразную» форму и сделались стройнее, симметричнее и более гладкими. Или, по крайней мере, приобрели такой облик, потому что внешняя симметрия важна для выживания. Другое дело — внутренняя асимметрия, не столь практически важная для организма, сохранявшаяся в потомках Cothurnocystis. Двусторонняя внешняя симметрия поэтому наложилась на внутреннюю асимметрию. Мы сами — потомки организмов, подобных Cothurnocystis, и теория Джеффриса состоит в том, что в этих врожденных асимметриях и заключается причина того, что сердце у нас слева, печень справа и так далее.

* Изложенная гипотеза о цепочке симметрийных усложнений (нарушений симметрии) в процессе эволюционного развития многоклеточных эукариотов представляется вполне реалистичной и плодотворной. По всей вероятности, дальнейшее ее развитие будет связано с включением в отдельные этапы филогенеза, сопряженных с развитием билатеральности спиральных конструкций внутренних органов, формирующихся в ходе морфогенеза. — Прим. науч. ред.

• Книгу Криса Макмануса «Почему сердце находится слева, а стрелки часов движутся вправо. Тайны асимметричности мира» (перевод Г. П. Дейниченко) представляет издательство «Бомбора».
• До недавних пор даже объяснить разницу между «право» и «лево» условному инопланетянину было бы проблематично — настолько «земными» казались эти привычные понятия. Но и без таких абстрактных проблем вопросов хватает. Почему большинство людей являются правшами? Действительно ли левши ведут себя иначе, чем правши? Как связаны доминирующие руки с некоторыми нарушениями речи, такими как заикание? Почему сердце почти всегда находится с левой стороны тела, а человеческий организм состоит из аминокислот с левой хиральностью? Почему два полушария головного мозга настолько разные? Отчего торнадо вращаются против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном? Почему одна треть мира ездит на автомобиле слева, а две трети — справа? Из-за чего европейское письмо идет слева направо, а арабское и иврит — справа налево? Зачем вообще живой и неживой природе право и лево?
• На какие-то вопросы наука уже нашла ответы, но с некоторыми парадоксами асимметрии в природе, теле и культуре по-прежнему увлекательно борется. Нам кажется, что стремление к симметрии — это приближение к идеалу, к красоте, однако именно асимметрия нормальное состояние природы. Профессор Крис Макманус, видный исследователь хиральности, приглашает отправиться в увлекательное путешествие — через медицину, психологию, физику и историю культуры — в поисках ответов на загадочные ассиметрии, формирующие наш мир.

На нашем сайте читайте также:

• Из-за глобального потепления у птиц быстрее растут клювы и крылья

Polit.ru

• Расскажите об этом своим друзьям!

• Пожаловавшейся на плохую дорогу россиянке власти предложили купить вертолет
  
  Власти иногда просто шокируют своими ответами на обращения граждан. Например, руководство села Студеновка в Воронежской области в ответ на жалобу местной жительницы на плохие дороги предложило… приобрести ей вертолет.
• Матрёна Зимняя: избавьтесь от старых и ненужных вещей
  
  22 ноября – Матрена Зимняя. В этот день на Руси провожали осень и начинали подготовку к зиме. Какие есть приметы и традиции у народного праздника?
• С 2025 года в России усложнится выход на пенсию
  
  Пенсия в следующем году будет связана с новыми условиями. Речь идет о выходе на заслуженный отдых по возрасту и условий, которые были введены в рамках пенсионной реформы 2019 года.
• Врач назвал плохой сон возможным началом деменция
  
  Эксперт по медицине Надежда Чернышова предупредила о том, что бессонница в пожилом возрасте может свидетельствовать о начале деменции.
• Стали известны города с наименьшим первоначальным взносом по ипотеке
  
  В городе Челябинске для покупки двухкомнатной квартиры по программе семейной ипотеки с 50% первоначальным взносом требуется наименьшая сумма среди крупных российских городов.
• Дженнифер Лопес заподозрили в романе с телохранителем
  
  Американскую певицу и актрису Дженнифер Лопес заподозрили в романе с телохранителем, которого она наняла после расставания с актером Беном Аффлеком. Об этом пишет RadarOnline.
• Кейт Уинслет рассказала о съемках знаменитой сцены из «Титаника»
  
  Фильм Джеймса Кэмерона «Титаник» до сих пор популярен среди любителей кино. Фанаты спорят, мог ли Джек спастись вместе с Роуз, забравшись на дверь рядом с ней.
• Актер из сериала «Глухарь» с третьей попытки отдал мошенникам 5,7 млн рублей
  
  Актер из сериала «Глухарь» Николай Трифилов стал жертвой мошенников. Об этом сообщает Telegram-канал Mash.
• Светлане Немоляевой стало плохо на съемочной площадке
  
  Народная артистка РСФСР, звезда фильма «Служебный роман» Светлана Немоляева почувствовала себя плохо во время съемок фильма «Буратино».
• Врач рассказала, что нужно съесть перед сном, чтобы быстрее заснуть
  
  Теплое молоко может помочь подготовиться ко сну. Оно содержит аминокислоту триптофан, благоприятно воздействующую на нервную систему.
• Бабушка Полина расскажет о народных поверьях и праздниках
  
  Вместе с Полиной Рожновой, блогером Яндекс Дзен, можно с интересом полистать русский народный календарь. Полина Константиновна, например, знает, почему 3 ноября девушки искали особый лист. Этот лист посеребрен морозом. И если этого листочка дотянуться, то девушке прибавится красоты. И обязательно встретиться молодой человек, который увидит в девушке свою суженую.
• Медики рассказали, как легко определить биологический возраст
  
  Таким тестом, как отметили специалисты Республиканского Центра общественного здоровья и медицинской профилактики Уфы, можно определить не только биологический возраст, но и общее состояние здоровья. Проверить надо будет в рамках теста баланс тела.
• Ученые доказали, что Интернет положительно влияет на пожилых
  
  К такому выводу пришли мужи науки. Благотворно Сеть влияет на самооценку, удовлетворенность жизнью, здоровье и снижение симптомов депрессии у людей в 50+.
• Учитель на уроке высказался о теракте на Крымском мосту и получил срок
  
  Преподаватель истории и обществознания выразил свое мнение об инциденте на Крымском мосту во время урока и был осужден за это.
• Россиянам посоветовали в Михайлов день проявить к другим доброту
  
  21 ноября – Михайлов день. Этот народный праздник посвящен архангелу Михаилу – главному защитнику и покровителю воинов. Что можно и нельзя делать в этот день и и какой была чудесная помощь новгородцам от Михаила?
• Россиянам посоветовали выходить на пенсию позже ради увеличения выплаты
  
  Сенатор Ольга Епифанова раскрыла, какие способы могут помочь россиянам увеличить свою пенсию.
• В Крыму студенческим семьям с первенцем будут давать сертификаты в 1 млн рублей
  
  Глава Крыма Сергей Аксенов объявил, что планирует предоставлять студенческим семьям в регионе жилищные сертификаты на сумму в 1 миллион рублей при рождении первого ребенка. Соответствующий законопроект уже направлен на согласование.
• Мошенники начали отправлять россиянам подарки, чтобы получить секретный код
  
  В России появилась новая схема мошенничества с взломом аккаунтов на госуслугах: киберпреступники отправляют цветы или другие подарки жертве, после чего запрашивают у нее "код подтверждения доставки", который фактически дает доступ к порталу госуслуг.
• Собака пришла из ниоткуда и спасла потерявшуюся в тайге сибирячку
  
  В тайге, заблудившись при сборе брусники, оказалась жительница севера Иркутской области по имени Галина.
• Мужчине подарили полёт на самолёте, который разбился
  
  В Словении разбился самолет, на борту которого находились три человека. Легкомоторное судно совершало обзорный полет и разбилось из-за туманной погоды.