Почему у человека нет хвоста: как потеря органа 25 миллионов лет назад помогла нам встать на ноги

У большинства современных млекопитающих есть хвост. Рыбы используют его для поступательного движения вперед, птицы управляют с его помощью направлением полета, а наземные животные применяют этот орган для удержания равновесия, отпугивания паразитов и передачи зрительных сигналов другим особям.

Человек и его ближайшие родственники — шимпанзе, бонобо, гориллы, орангутаны и гиббоны — лишены внешнего хвоста. Этот анатомический признак отличает группу человекообразных приматов от абсолютного большинства других млекопитающих.

Причина исчезновения хвоста долгое время оставалась предметом научных споров. Современные данные палеонтологии, генетики и биомеханики показывают, что это изменение произошло за десятки миллионов лет до появления первых людей и прямо повлияло на устройство всего нашего тела.

Хвост у эмбриона человека и строение копчика

Организм человека начинает формировать хвост на ранних стадиях внутриутробного развития. На четвертой и пятой неделях беременности человеческий эмбрион имеет четко выраженный хвостовой отдел. По длине он составляет примерно десятую часть всего зародыша и содержит зачатки будущих позвонков, кровеносные сосуды и нервную трубку.

К концу восьмой недели включается генетическая программа разрушения этих тканей. Клетки хвоста получают химический сигнал, прекращают деление и начинают распадаться. Лейкоциты поглощают остатки разрушенных клеток, и хвостовой выступ полностью исчезает под кожным покровом.

В результате этого процесса в нижней части позвоночника формируется копчик. Он состоит из трех, четырех или пяти мелких костей, сросшихся во взрослом возрасте в единый неподвижный костный сегмент.

Копчик нельзя назвать бесполезной частью тела. К нему прикрепляются связки и группа мышц, образующих дно малого таза. Эти мышцы удерживают на месте мочевой пузырь, кишечник и репродуктивные органы.

Когда человек падает на спину и ударяется копчиком, он повреждает именно эту точку крепления. При ушибе или трещине копчика любое движение мышц таза — при ходьбе, наклонах, изменении позы на стуле или кашле — вызывает резкую боль, которая может сохраняться месяцами.

Время исчезновения: что говорят окаменелости

Существует популярная ошибка: считать, что человек потерял хвост после того, как встал на ноги и вышел из лесов на открытые пространства саванны. Изучение ископаемых скелетов полностью опровергает эту точку зрения.

Разделение предков современных обезьян на две группы произошло между 25 и 30 миллионами лет назад, на стыке геологических эпох олигоцена и миоцена. Одна ветвь дала начало мартышковым: макакам, павианам и мартышкам, сохранившим хвосты. Вторая ветвь привела к возникновению человекообразных приматов, у которых хвост редуцировался.

Палеонтологи определяют наличие или отсутствие хвоста у древних животных по строению крестца — участка позвоночника, расположенного между тазовыми костями.

У животных с хвостом крестец переходит в серию свободных хвостовых позвонков. На этих позвонках всегда есть костные выступы, к которым крепятся мышцы, двигающие хвост во всех направлениях.

У бесхвостых существ крестец резко сужается к нижнему концу и заканчивается гладкой костью без суставных площадок для крепления хвоста.

Первые четкие подтверждения утраты хвоста найдены в Кении при раскопках ископаемого примата Ekembo heseloni. Это существо жило от 18 до 20 миллионов лет назад. Экембо весил от 15 до 40 килограммов. Передние и задние конечности у него имели одинаковую длину, а позвоночник оставался подвижным, что типично для четвероногих животных.

Однако крестец экембо был устроен так же, как у современных человекообразных приматов: он не имел костных соединений для хвоста.

Сходное строение тазовых костей обнаружено у другого ископаемого примата — Nacholapithecus, жившего 15 миллионов лет назад. Таким образом, хвост полностью исчез у наших предков задолго до того, как они начали передвигаться на двух ногах.

Причины потери: смена способа движения и биологическая цена

Главным фактором утраты хвоста стало изменение способа передвижения древних приматов по кронам деревьев.

Мартышковые обезьяны имеют небольшую массу тела — обычно от двух до десяти килограммов. Они быстро бегают по верхним сторонам веток и совершают дальние прыжки через пустое пространство между деревьями. В момент прыжка или быстрого поворота хвост служит органом стабилизации: животное перемещает его в сторону, удерживая туловище от переворачивания.

Предки человекообразных приматов пошли по пути постепенного увеличения размеров тела. Взрослая особь весом в несколько десятков килограммов не может быстро бегать по тонким веткам, потому что ветви ломаются под ее тяжестью.

Эти животные выработали другой способ передвижения:

1. Они перестали прыгать с ветки на ветку.
2. Они начали двигаться медленно и осторожно, перенося вес тела постепенно.
3. Они научились распределять массу тела сразу на несколько точек опоры, держась за разные ветви четырьмя конечностями одновременно.
4. Они начали перемещаться не только по верхней стороне толстых стволов, но и подвешиваться снизу, доставая зрелые плоды на самых краях кроны.

При таком медленном и аккуратном лазании необходимость в быстром балансировании исчезла. Хвост перестал участвовать в координации движений.

В живой природе любой неиспользуемый орган становится статьей нецелесообразных расходов организма.

Хвост состоит из костей, мышечной ткани, нервных окончаний и кровеносных сосудов. На его формирование в период роста и поддержание работоспособности во взрослом возрасте животное вынуждено ежедневно тратить часть энергии, полученной с пищей.

Если орган не дает очевидных преимуществ при добыче еды или защите от опасностей, естественный отбор перестает отсеивать особей с мутациями, вызывающими его уменьшение.

Кроме того, крупный хвост представлял прямую опасность для тяжелых приматов, спускавшихся на землю для поиска пищи или перехода между рощами. Хищные животные могли легко схватить убегающую особь за хвост. Обезьяны с укороченным или отсутствующим хвостом оказались менее уязвимыми при нападениях наземных хищников.

Физика хвоста: инерция массы и механические особенности

В современной физике и механике подвижный хвост животных классифицируют как инерционный придаток.

Принцип его работы основан на физическом законе сохранения момента импульса: если система не подвергается внешнему воздействию, ее общий вращательный импульс остается постоянным.

Когда животное оступается или меняет направление движения, его корпус начинает вращаться в одну сторону. Чтобы погасить это вращение, мышцы хвоста с силой смещают массу хвоста в противоположную сторону. В результате корпус поворачивается в обратном направлении, и устойчивость восстанавливается.

Исследователи из Мичиганского университета под руководством доктора Талии Мур провели серию экспериментов и математических расчетов для создания механических роботов, использующих хвост для равновесия. Ученые выяснили, какие характеристики делают этот орган наиболее производительным при минимальном весе.

Расчеты показали, что однородный орган не дает нужной управляемости. Хвост должен иметь строго определенное внутреннее строение:

• У основания позвонки должны быть короткими, чтобы обеспечивать быстрый поворот органа в любом направлении;
• В средней части позвонки должны быть максимально длинными, так как именно этот отдел отвечает за вынос массы на расстояние от тела и создание вращательного момента;
• На конце позвонки снова должны становиться мелкими и легкими, чтобы не создавать лишнего сопротивления при движении.

Именно такое соотношение длины костей встречается у большинства млекопитающих, активно использующих хвост для координации движений.

У некоторых видов встречаются узкоспециализированные формы хвоста. Например, у морского конька хвост имеет в поперечном разрезе не круглую, а квадратную форму. Он образован четырьмя плоскими костными пластинами, окружающими внутреннюю ось.

При попытке согнуть или перекрутить такой хвост грани пластин смещаются относительно друг друга и заклинивают в крайних положениях. Это защищает сосуды и нервы внутри хвоста от сдавливания и позволяет морскому коньку удерживаться на стеблях растений при сильных движениях воды, прикладывая меньше мышечных усилий, чем потребовалось бы органу с круглым сечением.

Последствия для скелета человека и прямохождение

Исчезновение хвоста освободило анатомические ресурсы, которые впоследствии сделали возможным хождение на двух ногах.

У четвероногих животных с развитым хвостом мышцы под названием levator ani и coccygeus протянуты от костей таза к хвостовым позвонкам. Их единственная задача — поднимать хвост, опускать его и отводить в стороны.

Когда хвост уменьшился и исчез, эти мышцы потеряли прежнюю точку крепления. В ходе эволюции они изменили направление своих волокон, растянулись горизонтально поперек нижней части таза и соединились друг с другом.

Так возникло мышечное дно таза — сплошной мышечный слой, закрывающий нижний выход из тазовой полости.

Это изменение оказалось критически важным для перехода к прямохождению.

У четвероногого животного сила тяжести направлена вниз — перпендикулярно позвоночнику. Внутренние органы опираются на широкие ребра и брюшную стенку.

Когда человек встал вертикально, вектор воздействия силы тяжести на внутренние органы повернулся на 90 градусов. Желудок, печень и кишечник оказались непосредственно над выходом из таза.

Если бы мышцы таза продолжали управлять движениями хвоста, они не смогли бы создать надежную нижнюю опору. Под весом внутренних органов происходило бы их регулярное смещение и выпадение наружу через тазовое кольцо.

Плотный мышечный каркас, развившийся на месте бывшего хвостового аппарата, стал естественной опорой, принявшей на себя всю вертикальную нагрузку.

Если бы хвост остался: практические аспекты

Если представить, что у человека сохранился развитый хвост, это дало бы ряд изолированных двигательных преимуществ:

• Человек легче сохранял бы равновесие при ходьбе по обледенелым или скользким поверхностям;
• При переноске тяжестей хвост мог бы служить дополнительной точкой опоры в положении стоя;
• Мышцы хвоста помогали бы удерживать небольшие предметы при занятых руках.

Однако постоянное присутствие этого органа создало бы масштабные инженерные и бытовые проблемы при нынешней плотности населения и техническом оснащении общества.

Во-первых, возникла бы необходимость в полной переделке мебели. Все современные стулья, офисные кресла, диваны, а также сиденья в автобусах, поездах и самолетах рассчитаны на плотное прилегание крестцового отдела позвоночника к спинке. Человек с хвостом не смог бы сидеть на ровном стуле: основание хвоста сдавливалось бы весом собственного тела, что приводило бы к нарушению кровотока и сдавливанию нервов. Каждому стулу потребовалось бы сквозное отверстие в нижней части спинки.

Во-вторых, усложнилось бы проектирование одежды. Вся поясная одежда — брюки, шорты, нижнее белье — требовала бы наличия специальных вырезов, молний или застежек.

В странах с холодным климатом хвост стал бы источником регулярного переохлаждения и обморожений. Это орган с большой площадью поверхности и удаленной сетью капилляров. Чтобы защитить его зимой, людям пришлось бы использовать плотные утепленные чехлы, ограничивающие подвижность.

В-третьих, хвост существенно повысил бы уровень бытового травматизма. В условиях современных городов с автоматическими дверями, турникетами метро, лифтами и тесным общественным транспортом крупная выступающая часть тела регулярно подвергалась бы защемлениям и переломам.

Наконец, наличие хвоста сделало бы невозможным использование существующих систем автомобильной безопасности. Автомобильные кресла и ремни безопасности проектируются с расчетом на удержание таза и спины на единой жесткой плоскости. Наличие подвижного костного отростка в основании спины при ударе сзади приводило бы к тяжелым травмам нижнего отдела позвоночника.

Заключение

Отсутствие хвоста у человека — это результат цепочки эволюционных событий, начавшихся около 25 миллионов лет назад:

1. Предки человекообразных обезьян увеличились в размерах и сменили быстрый бег по ветвям на медленное и осторожное лазание с распределением веса на все конечности.
2. Необходимость в инерционном балансировании отпала, и естественный отбор перестал поддерживать генетическую структуру, отвечающую за рост хвоста.
3. Организм сократил энергетические затраты на питание и развитие ненужного органа, снизив одновременно риск нападения хищников.
4. Мышцы, ранее управлявшие хвостом, перестроились и сформировали мышечную диафрагму таза.
5. Это укрепление позволило предкам человека миллионы лет спустя перейти к постоянному прямохождению без угрозы смещения внутренних органов.

Копчик современного человека остается прямым свидетельством этих анатомических преобразований, подтверждающим наше родство с другими приматами и объясняющим особенности строения человеческого скелета.