Atklājumi.lv

Ožas nozīme pirmo zīdītāju smadzeņu attīstībā

Kopš skolas laikiem mēs atceramies, ka cilvēkam absolūtā izteiksmē ir lielākas smadzenes, neskaitot vaļus un ziloņus, un lielākas smadzenes no visiem dzīvniekiem proporcionāli ķermeņa svaram. Ir daudz pētījumu par cilvēka smadzeņu lielumu, par primātu smadzeņu attīstību dziļā senatnē u.t.t. Bet kādas smadzenes ir neprimātiem? Latvijas Dabas muzejā antropoloģijas ekspozīcijā var salīdzināt laša smadzenes ar dažādu zīdītāju (cūkas, govs, zirga, cilvēka) smadzenēm. Kā un kāpēc smadzenes attīstījās tieši tā? Kas veicināja smadzeņu attīstību pašā sākumā, pirms vairākiem miljoniem gadu, kad zīdītāju vēl nebija?

Žurnāla Science 20.maija numurā publicēts amerikāņu zinātnieku raksts par smadzeņu pētījumiem.

Sākumā - nedaudz no vēstures. Pirmie sauszemes dzīvnieki – abinieki parādījās apmēram pirms 360-380 milj. gadu, vēlāk no viņiem cēlušies rāpuļi. Izveidojās vairākas līnijas, svarīgākas no tām izrādījās diapsīdi un sinapsīdi. Diapsīdi savā attīstībā deva arhozaurus (tai skaitā – dinozaurus un putnus) un lepidozaurus (ķirzakas, čūskas, krokodilus). Sinapsīdi bija daudzveidīgāki permā un triasā, bet ar laiku izmira, saglabājies tikai viens zars – teriodonti. Zīdītāju senči šajā zarā tiek saukti par mammaloformiem (zīdītājveidīgie). Pašlaik zinātnieki uzskata, ka senāko zīdītāju vecums ir ap 200 milj. gadu.

Pēc skeletiem, atsevišķiem kauliem un zobiem paleontologi rekonstruēja šo seno dzīvnieku ārējo izskatu. Pēc galvaskausu izmēriem var secināt, ka pieauga smadzeņu izmēri. Bet kādas tieši bija smadzenes? Kādas smadzeņu daļas bija labāk attīstītas, kādas – mazāk? To var uzzināt, pētot endokrānus, kas ir galvaskausu smadzeņu daļas iekšējie dobumi, un endokastus, kas ir šo dobumu atlējumi (muzeja ekspozīcijā var redzēt seno cilvēku – pitekantropu, sinantropu, neandertāliešu endokastus). Tikai viena nelaime – lai šos atlējumus dabūtu laukā, galvaskausus vajag sašķaidīt, tātad – iznīcināt. Bet zīdītāju senču galvaskausu atradumi ir pārāk reti un ar to – pārāk vērtīgi, lai tos iznīcinātu.

Mūsdienās paleontologiem un pārējiem biologiem nāk palīgā jaunās tehnoloģijas. Šoreiz amerikāņu paleontologi izmantoja rentgena datortomogrāfiju. Ar šo metodi viņiem izdevās izveidot trīsdimensiju attēlus, kuros varēja redzēt galvaskausu iekšējo uzbūvi. Tika izpētīti 2 zīdītājveidīgo galvaskausi no Ķīnas, kuru vecums ir 200-190 milj. gadu – Morganucodon oehleri un Hadrocodium wui, īsto zīdītāju tuvākie senči. Sevišķi līdzīgs zīdītājiem pēc skeleta un galvaskausa pazīmēm Hadrocodium wui. Izrādījās, ka arī pēc smadzeņu uzbūves šie senie dzīvnieki ir ļoti tuvi zīdītājiem.

Parasti smadzeņu relatīvus izmērus vērtē pēc „encefalizācijas koeficienta" EQ, to aprēķina pēc formulas, kurā izmanto datus par dzīvnieka ķermeņa masu un galvaskausa smadzeņu daļas tilpumu.

Senākiem cinodontiem šīs koeficients bijis 0,16 – 0,23, bet smadzeņu uzbūve liecina par vāju ožas attīstību. Nākamai – cinodontu pamatgrupai EQ=0,32. Morganucodon smadzenes daudz vairāk līdzinājās zīdītāju smadzenēm, jo tās pēc izmēra jau bija 1,5 reizēs lielākās nekā iepriekšējai cinodontu grupai. Visvairāk palielinājās tieši tā daļa, kas atbildēja par ožu. Lielo smadzeņu puslodes kļuvušas izliektas, jo izveidojas jauna garoza - neokortekss, kas nosedza vidējās smadzenes un epifīzi, kā tas ir zīdītājiem. Kaut palielinājās arī smadzenītes, tomēr priekšējas smadzenes par tām bija platākas. Smadzenīšu un mugurkaula smadzeņu palielināšanās liecina par kustību attīstību un labāku to koordināciju.

Neokorteksa attīstība seniem zīdītājiem bija saistīta ar somatosensorām funkcijām. Mūsdienu primitīvajiem zīdītājdzīvniekiem, piemēram, oposumiem, lielākā neokorteksa daļa ir tieši somatosensorā garoza. Tā ir atbildīga par signālu vākšanu un atbildes reakcijām caur sensoriem, kas atrodas pa visu ķermeni un bieži saistīti ar matu folikulām. Paleontologi uzskata, ka sākumā matiem bija taktilā (taustes) funkcija, bet kā termoregulācijas līdzekli dzīvnieki matus (vilnu) sāka izmantot daudz vēlāk, līdz ar siltasinības attīstību. Ne Morganucodon, ne Hadrocodium pārstāvjiem pagaidām nav konstatētas matu (vilnas) paliekas, bet viņu tuvākajam radiniekam, bebram līdzīgam zīdītājveidīgajam Castorocauda bija biezs kažoks, līdzīgs mūsdienu zīdītāju kažokam. Tas runā par labu tam, ka arī Morganucodon un Hadrocodium tāds varēja būt. Raksta autori domā, ka neokorteksa attīstība zīdītājveidīgajiem bija cieši saistīta ar kažoka un ožas attīstību.

Morganucodon, zīdītājveidīgo senču smadzenes ir laba ilustrācija zīdītāju progresīvās evolūcijas sākotnējam etapam, kad smadzeņu palielināšanās bija saistīta ar ožas, taustes un kustību koordinācijas attīstību. Izmaiņas iekšējās auss uzbūvē liecina arī par dzirdes uzlabošanos.

Hadrocodium bijis labāk attīstījies zīdītājveidīgo pārstāvis un tuvākais „īsto" zīdītāju radinieks, tas raksturo nākamo smadzeņu attīstības etapu. Encefalizācijas koeficients 0,5 nozīmē, ka salīdzinoši ar Morganucodon smadzenes palielinājās vēl pusotras reizēs un sasniedza izmērus, raksturīgus dažiem „īstajiem" zīdītājiem. Pieaugums noticis galvenokārt uz ožas sīpoliņu un ožas garozas rēķina. Tas nozīmē, ka smadzeņu progresīvās evolūcijas otrais etaps arī bija saistīts ar ožas attīstību.

Morganucodon, kā visiem rāpuļiem, vidējās auss sīkie kauliņi (āmurītis un laktiņa) bija apakšžokļa sastāvā. Hadrocodium šie kauliņi atdalīti no apakšžokļa, un tā ir vienā no galvenajām noteicošajām zīdītāju pazīmēm. Autori nav pārliecināti, ka āmurīša un laktiņas atdalīšanās no apakšžokļa bija saistīta ar dzirdes radikālo uzlabošanos, jo pati vidējās auss uzbūve Morganucodon un Hadrocodium pārstāvjiem ir līdzīga. Autori norāda uz faktu, ka, spriežot pēc oposumu embrionālās attīstības, šīs svarīgās galvaskausa izmaiņas varēja būt tikai lielo smadzeņu ožas garozas palielināšanās blakusefekts.

Smadzeņu progresīvās evolūcijas trešais etaps atbilst pārejai no Hadrocodium tipa augstākiem zīdītājveidīgiem uz īstajiem zīdītājiem. Šajā etapā oža ir jau labi attīstīta, par to liecina izmaiņas režģu kaulā: uz tā veidojas deguna gliemežnīcas, kas atbalsta izaugušo ožas epitēliju.

Jaunie dati liecina par attīstītas ožas nepieciešamību, kas bija galvenais stimuls smadzeņu attīstībai zīdītāju veidošanās procesā. Ir zināms, ka tieši zīdītājiem oža attīstīta vislabāk salīdzinoši ar visiem pārējiem sauszemes dzīvniekiem. Iespējams, pašā sākumā tas bija saistīts ar pielāgošanos nakts dzīves veidam. Triasa beigās – juras sākumā sinapsīdi pilnīgi zaudēja diapsīdiem konkurencē par „dienas" nišām. Izdzīvot izdevās tikai tiem, kuriem, pārejot uz nakts dzīves veidu attīstījās perfekta oža orientācijai tumsā.

Attēlā: Primitīvā zīdītāja Hadrocodium galvaskauss un dzīvnieka kopējais izmērs, salīdzinājumā ar papīra saspraudi. Avots: Karnegi Dabas vēstures muzejs/ Marks Klingers.

Avoti un literatūra:

Timothy B. Rowe, Thomas E. Macrini, Zhe-Xi Luo. Fossil Evidence on Origin of the Mammalian Brain // Science. 2011. V. 332. P. 955–957.

http://www.astrobio.net