зачем человеку пять пальцев на руке
Почему у человека пять пальцев, а не, скажем, четыре или шесть?
У человека на руках и ногах по пять пальцев, потому что именно столько пальцев было у обезьян, от которых мы произошли, а обезьяны унаследовали пятипалые конечности от своих предков, и так далее, вплоть до древних амфибий, живших более 300 миллионов лет назад. По-видимому, общий предок всех современных наземных позвоночных имел пятипалые конечности. Иными словами, пятипалая конечность — это примитивное, исходное строение конечности для всех наземных позвоночных. У большинства видов, включая человека, это строение сохранилось по сей день.
У некоторых позвоночных произошло уменьшение числа пальцев или даже полная их утрата, иногда вместе с самими конечностями. Обычно это происходило у тех животных, которым по каким-то причинам некоторые пальцы начинали мешать, становились «лишними». Например, у предков лошадей на среднем пальце развилось большое копыто, сам палец сильно увеличился, а остальные пальцы стали не нужны, они только мешали росту среднего пальца, и постепенно исчезли. У предков человека, видимо, не возникало таких ситуаций, чтобы какие-то пальцы стали «лишними». Поэтому они все и сохранились.
Вопрос, стало быть, сводится к тому, почему у общего предка всех современных наземных позвоночных конечность была именно пятипалой. Ученые на сегодняшний день считают, что никаких специальных причин для этого не было. Пятипалая конечность не имеет каких-то принципиальных конструктивных преимуществ по сравнению с четырех- или шестипалой. По-видимому, пятипалость закрепилась в эволюции позвоночных чисто случайно.
Среди древнейших ископаемых четвероногих, как выяснили палеонтологи, были формы с другим числом пальцев: например, у ихтиостеги было по семь пальцев на задних ногах (передние не сохранились), у акантостеги было по восемь пальцев на передних лапах и как минимум столько же — на задних. Ноги произошли от плавников рыб, пальцы — от лучей этих плавников, а число плавниковых лучей у тех рыб, от которых произошли наземные позвоночные, было изменчивым.
По всей видимости, у древнейших наземных четвероногих число пальцев на ногах тоже варьировало. Случайно получилось так, что именно пятипалые формы дали начало всему разнообразию современных четвероногих, а животные с иным числом пальцев вымерли. Но они вымерли, скорее всего, не потому, что у них было неудачное число пальцев, а по каким-то совершенно иным причинам, в связи с какими то другими, более существенными «недостатками» своего строения. В принципе, вполне могло «повезти» не пятипалым, а, скажем, семипалым древним амфибиям. И тогда, может быть, у людей сейчас было бы по семь пальцев на руках.
Почему у нас пять пальцев?
Дарья Сергеева. Статья-победитель конкурса научно-популярных статей «Био/мол/текст» — 2014
«Что может быть любопытнее того, что пригодная для хватания рука человека, роющая лапа крота, нога лошади, ласт дельфина и крыло летучей мыши построены по тому же самому образцу и содержат одинаковые кости с одним и тем же относительным расположением?» — писал Чарльз Дарвин в «Происхождении видов». То, как формируется конечность, стало понятнее с развитием методов эмбриологии, но механизмы, управляющие развитием пальцев, ещё долго оставались неясными.
Каким образом взаимодействие нескольких молекул может привести к созданию сложных структур, интересовались не только биологи, но и математики. В 1952 году Алан Тьюринг, английский математик, известный работами в области криптографии и информатики, опубликовал работу под названием «Химические основы морфогенеза». Тьюринг заметил, что многое в природе можно описать с помощью математики, в частности возникновение и развитие органов. В своей статье он привёл математическую модель, в которой два вещества (морфогена) могут создавать разнообразные сложные структуры путём самоорганизации. В качестве морфогенов выступают различные молекулы, вырабатывающиеся в развивающемся организме, способные воздействовать на окружающие клетки и определять их дальнейшее развитие.
В основе модели Тьюринга лежит реакционно-диффузионный механизм, который заключается в следующем. Два вещества распространяются в тканях с разной скоростью и взаимодействуют друг с другом. Первое вещество — активатор. Оно усиливает производство самого себя, а также активирует выработку второго вещества — ингибитора. Ингибитор, в свою очередь, подавляет активность первого вещества. Совместно они могут организовывать сложные узоры из полос и пятен, часто встречающиеся в живой природе. Пятна на шкуре гепарда, полосы зебры и причудливые рисунки на раковинах моллюсков — все они возникают в результате действия механизмов, которые описываются математической моделью, предложенной Тьюрингом.
В 1979 году Стюарт Ньюман и Гарри Фриш из Государственного университета штата Нью-Йорк (State University of New York) впервые высказали идею, что реакционно-диффузионный механизм участвует в формировании пальцев у позвоночных. Но до настоящего момента не было известно, какие именно молекулы играют роль морфогенов Тьюринга. Недавнее исследование, выполненное научной группой под руководством Джеймса Шарпа (J. Sharpe) из Центра геномной регуляции (Centre for Genomic Regulation) в Барселоне, позволило найти главных участников процесса формирования пальцев. Анализируя экспрессию генов и используя математическое моделирование, авторы работы смогли доказать, что предложенная Тьюрингом модель действительно управляет развитием пальцев.
Исследователи знали, что, по модели Тьюринга, морфогены формируют полосатый «узор» — они должны быть активны либо в зонах, которые станут пальцами, либо между ними. Транскрипционный фактор Sox9 оказался главным кандидатом на роль такого морфогена. Уже на ранних стадиях развития конечности Sox9 создаёт паттерн из пяти полос в области, где будут формироваться пальцы. Биологи сравнили клетки зачатка конечности мыши, где ген белка Sox9 бывает активен или не активен. И нашли две другие группы генов — Bmp и Wnt, которые также образуют паттерн из полос в области будущих пальцев.
Таким образом, в формировании пальцев участвуют три морфогена: Sox9, Bmp и Wnt. Bmp активирует транскрипционный фактор Sox9 в зонах, где формируются хрящевые зачатки костей пальцев. Wnt ингибирует Sox9 в клетках в промежутках между будущими пальцами; впоследствии эти клетки разрушаются. Исследователи рассмотрели различные схемы взаимодействия трёх молекул и выбрали ту из них, которая лучше всего моделирует периодический паттерн морфогенов. В своей модели они также учли влияние фактора роста клеток соединительной ткани — фибробластов (FGF)* и транскрипционного фактора Hoxd13** — белка, без которого число пальцев может увеличиться.
Фактор FGF концентрируется на кончиках будущих пальцев, что увеличивает расстояние между зонами экспрессии Wnt и Sox9. Это объясняет, почему наши пальцы немного расходятся, а не расположены параллельно друг другу (см. рисунок слева).
Что произойдёт, если убрать того или иного участника процесса? Моделирование показало, что при удалении гена Bmp из системы пальцы не будут формироваться. Если отключить морфоген Wnt, между пальцами не появятся промежутки. Если же одновременно убрать гены Bmp и Wnt, то число полос, соответствующих зонам будущих пальцев, уменьшится. Чтобы проверить это, биологи поставили эксперименты на изолированных зачатках конечности мыши. Для этого они использовали вещества, блокирующие сигнальные пути Bmp и Wnt. Во всех случаях эксперименты подтвердили прогнозы, сделанные с помощью моделирования.
Итак, число пальцев зависит от физических закономерностей, описывающихся моделью Тьюринга: скорости, с которой молекулы-морфогены распространяются по ткани; силы их взаимодействия и скорости роста зачатка конечности. Если молекулы диффундируют быстрее, промежуток между пальцами увеличится и пальцев станет меньше. Если зачаток конечности будет больше на 20%, появится место ещё для одного пальца. Такое явление часто встречается и среди животных, и среди людей и называется полидактилией. Настроив древние механизмы развития пальцев на нужную волну, наш общий предок обеспечил всему человечеству счастливую жизнь с пятью пальцами и появление десятичной системы счисления, которая стала основой математики.
Результаты работы испанские исследователи опубликовали в августовском номере журнала «Science» за 2014 год.
Комментарии к статье
* Факторы роста фибробластов, или FGFs, относятся к семейству белков, участвующих в процессе образования новых кровеносных сосудов, в заживлении ран и эмбриональном развитии.
** Hoxd13 — белок, регулирующий транскрипцию генов во время формирования конечностей.
Почему у человека пальцев именно по пять на руках и ногах
На самом деле такое количество пальцев характерно не только для человека. Это примитивное, исходное строение конечности характерно для всех наземных позвоночных. У людей по пять пальцев на руках и ногах, потому что столько же было у наших древних обезьяноподобных предков. Те унаследовали такое количество от своих предков и так далее, вплоть до амфибий, населявших Землю более 300 млн лет назад.
Пятипалая конечность не имеет особых преимуществ перед конечностью с другим количеством пальцев: например, четырьмя или шестью. Ученые считают, что пятипалость у большинства видов позвоночных, включая человека, закрепилась в процессе эволюции случайно. Вполне могло «повезти», к примеру, восьмипалым амфибиям, и тогда у нас могло быть по восемь пальцев.
Впрочем, не обошлось без исключений. Например, у лошадей за счет исчезновения четырех пальцев из пяти уменьшилась площадь опоры конечностей, что стало одним из приспособлений к скоростному передвижению. У предков человека «лишних» пальцев не обнаружилось, поэтому сохранились все.
Бывает, что у позвоночных на одной конечности возникают «дополнительные» пальцы, но это, скорее, исключение. Например, у Эрнеста Хемингуэя все кошки были с полидактилией, и их многопалые потомки до сих пор живут на территории Дома-музея писателя в Ки-Уэсте (штат Флорида). У большинства из них по шесть, семь, а у некоторых даже по восемь пальцев. Американский генетик Сьюалл Райт однажды вывел морскую свинку с 44 пальцами на всех четырех лапах. Правда, она долго не прожила.
Происходят сбои и у людей. У европеоидов с дополнительными пальцами рождается один человек из 3000, у африканцев — один из 300. Причем у последних обычно удваивается мизинец, а у европейцев — большой палец. Хотя теоретически «дополнительным» может стать любой.
Как правило, многопалость является генетической аномалией. А за счет того, что она передается по доминантному типу, в некоторых семьях встречается во многих поколениях. Так, французский естествоиспытатель Пьер-Луи Моро де Мопертюи описал наследование полидактилии у предков и потомков одного берлинского врача, у бабушки которого было по шесть пальцев на каждой руке и ноге. Столько же передалось его матери, а затем ему самому и двоим из его пятерых детей. Бывают и более внушительные родословные с полидактилией. Например, описан случай, когда многопалость прослеживалась на протяжении шести поколений.
Эктродактилия — другая врожденная аномалия развития. Она, напротив, характеризуется отсутствием или недоразвитием одного или нескольких пальцев. Это тоже наследственное заболевание, которое иногда сочетается с расщеплением губы, незаращением неба и другими дефектами.
Встречаются и другие варианты — синдактилия, когда несколько пальцев не разъединяются в процессе эмбрионального развития и остаются сращенными; брахидактилия, когда пальцы сильно укорочены; клинодактилия, когда они искривлены. Все это обусловлено генетически.
Наука и технологии 2 марта, 2020 621 просмотр
Почему у людей по пять пальцев на каждой руке?
Пять пальцев человек унаследовал от своих предков, которые появились более 350 миллионов лет назад. Похоже, пятипалость является базовой для всех позвоночных, начиная с древнейших амфибий. Некоторые группы животных позднее утратили пальцы или всю конечность. Но у наших предков такой необходимости не возникло. Самая первая конечность появилась у хордовых рыб. Конечно, пальцев, какими мы их представляем, у нее не было. Первые пальцы появились у древнейших четвероногих, вышедших уже на сушу.
Появление пальцев — это просто мутация, показывающая изменчивость генов. Исследователь из Чикаго, профессор Нил Шубин и его команда, показали, что два гена —hoxa13 и hoxd13 — ответственны за формирование лучей рыбьих плавников и пальцев человека. У рыб эти гены засыпают, и появляется плавник, а у четвероногих и человека они продолжают работать, формируя пальцы. Так что появление пальцев является обычным сбоем древнего рыбьего генома, который оказался таким полезным, что природа решила не исправлять свою «программную ошибку» в дальнейшем и закрепила ее. С медицинской точки зрения, открытие этих генов подтверждает гипотезу о том, что пороки развития плода в период внутриутробного развития происходят не только по вине генетических мутаций, но и за счет изменения работы последовательностей ДНК.
Пять пальцев у человека – чистая случайность. Палеонтологи говорят, что у древнейших ископаемых встречалось и другое число пальцев на конечностях. Например, у ихтиостеги было по 7 пальцев на задних ногах, а у акантостеги было по 8 пальцев на передних лапах и как минимум столько же — на задних. Ноги произошли от плавников, пальцы — от лучей этих плавников, а число плавниковых лучей у рыб, от которых произошли сухопутные позвоночные, было различным. То, что пятипалые приматы выжили, а шестипалые животные вымерли – опять же случайно. Что бы выжить в природе, нет разницы, сколько на конечности будет пальцев. Ни 4, ни 5, ни 6 преимуществ не даёт. У некоторых позвоночных число пальцев на конечностях при эволюции уменьшилось либо произошла их полная утрата. Например, у предков зебр средние пальцы превратились в копыта. А остальные редуцировались. Киты, вернувшись в морскую среду, и вовсе утратили все пальцы.
А что, если бы у людей было больше, чем пять пальцев на руках? Конечно, такое случается на самом деле. Рождаются люди с полидактилией – шестью и более пальцами на руках и ногах. Но это удел единиц, а не всего человечества. Известно, что самыми важными у нас являются большой и указательный пальцы. Ими осуществляются основные манипуляции. Если бы у человека вырос дополнительный палец, то мы могли бы играть на более сложных музыкальных инструментах, быстрее печатать и крепче хватать предметы.
Однако есть такая теория, как «закон конечности».Он предусматривает оптимальное количество конечностей, которые необходимы телу для взаимосвязи с миром с учетом его размера. Например, если конечности длиннее тела, то их должно быть шесть. Это мы видим на примере насекомых. Чем они короче, тем больше их должно быть. Это нам показывают многоножки. Человеку, чтобы обхватить ладонь, требуется пять пальцев. Хотя некоторые неврологи считают, что пальцев у нас много. Нам бы вполне хватило и трех-четырех пальцев для необходимых манипуляций.
Видео на английском языке, включите субтиры.
А вы знаете, почему у человека именно пять пальцев на руках и ногах?
На самом деле такое количество пальцев характерно не только для человека. Это примитивное, исходное строение конечности характерно для всех наземных позвоночных. У людей по пять пальцев на руках и ногах, потому что столько же было у наших древних обезьяноподобных предков. Те унаследовали такое количество от своих предков и так далее, вплоть до амфибий, населявших Землю более 300 млн лет назад.
Пятипалая конечность не имеет особых преимуществ перед конечностью с другим количеством пальцев: например, четырьмя или шестью. Ученые считают, что пятипалость у большинства видов позвоночных, включая человека, закрепилась в процессе эволюции случайно. Вполне могло «повезти», к примеру, восьмипалым амфибиям, и тогда у нас могло быть по восемь пальцев.
Впрочем, не обошлось без исключений. Например, у лошадей за счет исчезновения четырех пальцев из пяти уменьшилась площадь опоры конечностей, что стало одним из приспособлений к скоростному передвижению. У предков человека «лишних» пальцев не обнаружилось, поэтому сохранились все.
Бывает, что у позвоночных на одной конечности возникают «дополнительные» пальцы, но это, скорее, исключение. Например, у Эрнеста Хемингуэя все кошки были с полидактилией, и их многопалые потомки до сих пор живут на территории Дома-музея писателя в Ки-Уэсте (штат Флорида). У большинства из них по шесть, семь, а у некоторых даже по восемь пальцев. Американский генетик Сьюалл Райт однажды вывел морскую свинку с 44 пальцами на всех четырех лапах. Правда, она долго не прожила.
Происходят сбои и у людей. У европеоидов с дополнительными пальцами рождается один человек из 3000, у африканцев — один из 300. Причем у последних обычно удваивается мизинец, а у европейцев — большой палец. Хотя теоретически «дополнительным» может стать любой.
Как правило, многопалость является генетической аномалией. А за счет того, что она передается по доминантному типу, в некоторых семьях встречается во многих поколениях. Так, французский естествоиспытатель Пьер-Луи Моро де Мопертюи описал наследование полидактилии у предков и потомков одного берлинского врача, у бабушки которого было по шесть пальцев на каждой руке и ноге. Столько же передалось его матери, а затем ему самому и двоим из его пятерых детей. Бывают и более внушительные родословные с полидактилией. Например, описан случай, когда многопалость прослеживалась на протяжении шести поколений.