02. Опорно-двигательная система

Из этого урока вы узнаете, как разные группы животных решают проблему перемещения с места на место. Движение — универсальное свойство живых организмов, но животные достигли в этом виде деятельности особого мастерства, став и ловкими быстрыми хищниками, и прыткими неуловимыми объектами охоты. Для осуществления этой важной задачи в организме животных сформировалась опорно-двигательная система, которая позволяет живым существам бегать, плавать, летать, ползать, скользить, протискиваться сквозь почву, то есть двигаться с максимальной скоростью к намеченной цели. Из этого урока вы узнаете и о некоторых тайнах человеческого тела, о том, как и из чего сформировался наш собственный скелет, какие движения для нас доступны, а какие — нет. Почему мы такие, какие мы есть?

Опора и движение

На предыдущем уроке мы рассматривали покровы тела. Часто покровы тела сами по себе являются частью опорно-двигательной системы. Например, у членистоногих мышца часто крепится к экзоскелету.

Почему опорно-двигательная система так странно называется? Почему скелет и мышцы человека, совершенно не похожие друг на друга, не выделяют в две различные системы, а относят к единой?

Каков бы ни был орган, за счёт которого осуществляется движение, для успешной работы ему всегда нужна опора. Иногда твёрдого скелета у организма вообще может не быть. Тогда роль опоры может выполнять жидкость, находящаяся под давлением.

Опорно-двигательная система животных (или опорно-двигательный аппарат) — это система органов, обеспечивающая поддержку формы тела, движение и взаимодействие организма с окружающей средой.

Движение простейших

Долгое время самым примитивным считался амёбоидный тип движения — медленное перетекание при помощи ложноножек (рис. 1). Корненожки передвигаются, постоянно изменяя форму тела, однако при изучении выяснилось, что амёбоидный механизм движения очень сложен и вряд ли является примитивным. До конца понять, как именно и за счёт чего движется амёба, пока что не смог никто.

Некоторые простейшие способны медленно ползти, выделяя слизь. Так делают, например, некоторые споровики (рис. 2).

У очень многих простейших имеются специальные органы передвижения — жгутики и реснички. Друг от друга жгутик и ресничка отличаются только длиной, не строением (рис. 3).

На прошлом уроке мы рассмотрели, что у некоторых простейших под мембраной находится специальное скопление белковых нитей. Так вот, жгутики и реснички часто имеют специальные приспособления к заякориванию в этой сети. Любой жгутик или любая ресничка должны быть хоть как-то прикреплены к содержимому клетки. Часто жгутики и реснички связаны между собой, чтобы работать координированно.

Опорно-двигательная система первичноротых и членистоногих

У настоящих многоклеточных животных в той или иной форме появляются мышечные клетки. Уже у кишечнополостных есть эпителиально-мускульные клетки, за счёт которых осуществляется движение (рис. 5).

У плоских червей функцию опоры выполняют внешние растяжимые покровы тела. Мышцы опираются и друг на друга. Опорно-двигательная система такого типа называется кожно-мускульным мешком (рис. 6).

Кожно-мускульный мешок — это единая система покровов и мышц плоских, круглых и кольчатых червей.

В целом она характерна для многих мягкотелых животных. Полости тела, которая могла бы функционировать как опора, у плоских червей нет (рис. 7).

У круглых, или нематод, также присутствует кожно-мускульный мешок. У мелких форм им дело и ограничивается (рис. 8).

А вот у крупных между кожно-мускульным мешком и внутренними органами имеется первичная полость тела (рис. 9).

Часто она заполнена жидкостью, находящейся под давлением, и функционирует как опора. Такая опора называется гидроскелет.

Гидроскелет (гидростатический скелет) — это система поддержания формы тела (и движения) некоторых животных, основанная на сжатии полостной жидкости с помощью сокращения мышечных волокон.

У кольчатых червей, помимо того же кожно-мускульного мешка, также имеется вторичная полость тела, или целом (рис. 10).

Полости целома могут быть заполнены жидкостью, находящейся под давлением, тогда он представляет собой гидроскелет. Помимо всего этого, на теле кольчатых червей часто присутствуют содержащие хитин щетинки (рис. 11). Эти щетинки также способствуют передвижению.

На каждом сегменте могут быть примитивные конечности — параподии, или боковые выросты. Часто щетинки растут как раз из них. Передвижение у крупных форм обычно осуществляется за счёт червеобразного изгибания тела, а у мелких — за счёт движения параподий.

Для членистоногих характерен прочный, содержащий хитин, экзоскелет (наружный скелет). Помимо него, у членистоногих может присутствовать и слаборазвитый внутренний скелет. И к тем, и к другим элементам способны прикрепляться мышцы, которые обеспечивают передвижение этих животных. Конечности членистоногих развитые — членистые (рис. 12).

У крылатых насекомых внутренний скелет исчезает совсем, он слишком тяжёлый для полётов (рис. 13). Однако у них существует вворачивание наружного скелета внутрь тела, образующее места эффективного прикрепления крупных мышц.

При небольших размерах тела экзоскелет имеет некоторые преимущества над эндоскелетом. Если мы возьмём, к примеру, насекомое и млекопитающее одинаковой массы, то насекомое будет гораздо сильнее.

Исчезновение внутреннего скелета и развитие наружного позволило крылатым насекомым освоить такие способы передвижения, как прыжки и полёт. Действительно, расселение крылатых насекомых чрезвычайно эффективно. Они захватили все возможные места обитания во всём мире, исключением является, разве что, море. Однако жёсткий и прочный наружный скелет не растёт вместе с животным. Для роста тела животному необходимо периодически линять, то есть сбрасывать старые покровы и образовывать новые. Естественно, этот процесс чрезвычайно энергозатратный и требует некоторого запаса «материала». Часто членистоногие погибают во время линьки. Только что полинявшие членистоногие очень уязвимы из-за того, что все их покровы чрезвычайно мягкие. Часто такое животное может быть съедено даже своими сородичами.

Опорно-двигательная система позвоночных

Внутренний скелет механически выгоден для животных больших размеров. К тому же, он растёт вместе с животным и его не требуется постоянно образовывать заново. Все абсолютные рекорды размеров и массы тела, скорости передвижения принадлежат позвоночным — современным или вымершим. У всех хордовых внутренний скелет (рис. 14).

В состав костей скелета входят как органические, так и неорганические вещества (рис. 15). Кости обладают большой прочностью. Они могут соединяться либо неподвижно, срастаясь, либо подвижно, при помощи сустава.

Сустав — это подвижное соединение двух и более костей скелета, которое позволяет костям совершать движения относительно друг друга с помощью мышц.

В составе скелета можно выделить следующие части: осевой скелет, скелет конечностей и череп (рис. 16).

Осевой скелет низших хордовых, например ланцетника, представляет собой вытянутый упругий стержень — хорду. Она расположена на спинной стороне тела и тянется от головы до хвоста (рис. 17).

Хорда — это осевой скелетный орган хордовых животных, представленный гибким, прочным стержнем, который проходит вдоль спинной стороны тела под нервной трубкой. 

У круглоротых уже имеется зачаточный позвоночник (рис. 18). Зачатки позвоночника у них представлены парными хрящами — зачатками верхних дуг позвонков. Осевой скелет представлен хордой, окружённой соединительной тканью. Костной ткани в скелете нет. 

У рыб, пресноводных, пресмыкающихся, птиц и млекопитающих позвоночник (позвоночный столб) развит достаточно хорошо. Он состоит из хрящевых, в случае хрящевых рыб, или костных, во всех остальных случаях, позвонков (рис. 19).

Каждый позвонок состоит из тела, верхних и нижних дуг. Концы верхних дуг позвонков, срастаясь между собой, образуют канал, в котором располагается спинной мозг. К концам нижних дуг, направленных в стороны, прикрепляются рёбра (рис. 20).

Среди позвоночных животных хорда сохраняется в течение всей жизни лишь у некоторых видов рыб. Например, среди костных рыб — это белуга, осётр и другие осетровые.

У большинства рыб остаток хорды сохраняется между телами позвонков (рис. 21). Позвоночник рыб состоит из двух отделов: туловищного и хвостового.

Земноводным, в связи с частичным переходом к наземному существованию, была необходима подвижность головы относительно туловища. В скелете появляется шейный отдел, который представлен одним позвонком. Туловищный отдел состоит из семи позвонков с рёбрами. Рёбра оканчиваются свободно. Крестцовый отдел состоит из одного позвонка, с прикрепленными к нему костями таза (рис. 22). Хвостатые амфибии также имеют несколько позвонков в хвостовом отделе.

Позвоночник пресмыкающихся имеет уже пять отделов: шейный, грудной, поясничный, крестцовый и хвостовой. В шейном отделе позвонки соединены подвижно. Они обеспечивают большую подвижность головы относительно туловища — необходимое условие наземного существования. Грудные и поясничные позвонки несут рёбра. У некоторых пресмыкающихся рёбра соединяются с грудиной, образуя грудную клетку. Грудная клетка защищает внутренние органы и избавляет лёгкие от лишнего давления, что обеспечивает лучшее поступление воздуха. Крестцовый отдел состоит из двух позвонков. Хвостовой отдел достаточно хорошо развит, но число позвонков в нём бывает различным (рис. 23).

У змей все отделы позвоночника, кроме хвостового, несут рёбра, концы которых оканчиваются свободно. Грудины у змей нет. В принципе, это позволяет змеям иногда захватывать очень крупную добычу (рис. 24).

Как вы, наверное, помните, птицы — это родственники пресмыкающихся, особенно крокодилов. Позвоночник птиц имеет те же самые пять отделов, которые характерны для пресмыкающихся. В шейном отделе от 5 до 20 позвонков, соединённых подвижно. Сросшиеся грудные позвонки и рёбра, соединенные с грудиной, образуют очень прочную грудную клетку. Грудина многих птиц имеет особый выступ — киль. К этому крупному килю прикрепляются грудные мышцы, активно работающие при полете или при плавании у пингвинов. Конечный грудной позвонок, поясничный, крестцовый и первый хвостовой позвонки срослись, создав мощный сложный крестец, служащий для опоры задних конечностей. Это очень важно, потому что у птиц вся нагрузка при прыжках и ходьбе ложится именно на задние конечности (рис. 25).

Большая часть птиц — это активно летающие создания. Таким животным огромное преимущество дает облегчённый скелет. Кости птиц лёгкие, многие из них полые внутри.

Позвоночник млекопитающих состоит из всё тех же пяти отделов. Шейный отдел у них почти всегда состоит из семи позвонков. Одним из исключений являются ленивцы. Грудной отдел их включает от 10 до 24 позвонков. Поясничный — от 2 до 9. А крестцовый — от 1 до 9. В хвостовом отделе число позвонков сильно варьирует: от 4, у некоторых обезьян и человека, до 46 (рис. 26).

Скелеты парных конечностей всех четвероногих животных имеют сходное строение. Свободные передние (верхние) конечности состоят из плеча (плечевая кость), предплечья (лучевая и локтевая кости) и кисти (кости запястья и пясти, фаланги пальцев). Плечевая кость передней конечности прикрепляется к грудной клетке с помощью пояса передних конечностей. У некоторых животных он состоит из ключиц и лопаток, у других только из лопаток (т. к. ключицы отсутствуют).

Свободные задние (нижние) конечности состоят из бедра (бедренная кость), голени (большеберцовая и малоберцовая кости) и костей стопы (предплюсна, плюсна, фаланги пальцев). При помощи пояса нижних конечностей (тазового пояса), который состоит из двух тазовых костей, сросшихся с крестцовым отделом позвоночника, задние конечности прикрепляются к позвоночнику. Каждая тазовая кость образована сросшимися подвздошной, лобковой и седалищной костями.

Череп состоит из мозгового и лицевого отделов. В мозговом отделе располагается головной мозг. Мозговой отдел образован парными теменными и височными костями, а также непарными затылочной, лобной, клиновидной и решётчатой (всего 8 костей).

Реконструкция облика по скелету

В газетах, журналах, сети Интернет мы постоянно можем видеть картинки и рисунки динозавров или других ископаемых животных. Каким образом люди узнают, как эти животные выглядели, ведь мягких тканей от них не сохранилось? Дело в том, что внешний облик животного часто можно реконструировать по его скелету. Сначала кости очищают от окружающей породы и моют. Хрупкие кости укрепляют при помощи специальных наполнителей. Затем кости, как мозаику, собирают вместе, получая, таким образом, скелет. По форме и размерам отдельных костей часто можно догадаться, как животное держало голову и конечности. По шишкам, углублениям и шероховатым поверхностям костей можно говорить о месте прикрепления тех или иных мышц и об их форме. Например, по костным буграм и гребням на черепе видно, что крупные мышцы поддерживали тяжёлую голову или приводили в движение мощные челюсти. Всё это помогает специалистам-художникам как бы облечь плотью череп или скелет. Масса скелета изменяется непропорционально размерам тела животного. Чем крупнее животное, тем большую долю от его общего веса занимает вес скелета. У мелких млекопитающих, например бурозубки, масса скелета составляет всего 8 % массы тела (рис. 27).

У слонов и бегемотов — целых 20 % массы тела (рис. 28).

Опорно-двигательные системы различных позвоночных довольно-таки сходны. Различия между ними связаны в основном со средой обитания. Сходный образ жизни и условия среды обитания иногда приводят к тому, что у скелетов неродственных друг к другу животных появляются сходные образования. Такой случай называется конвергенцией. Например, киль у летающих птиц и костный гребень на грудной кости летучих мышей — это случай конвергенции (рис. 29).

Список литературы

1. Латюшин В. В., Шапкин В. А. Биология. Животные. 7 класс. — Москва: Дрофа, 2011.

2. Н. И. Сонин, В. Б. Захаров. Биология. Многообразие живых организмов. Животные. 8 класс. — Москва: Дрофа, 2009.

3. Биология: 8 класс: базовый уровень: учебник / В. В. Пасечник, С. В. Суматохин, З. Г. Гапонюк; под ред. В. В. Пасечника. — Москва: Просвещение, 2023. — (Линия жизни).

Проверьте себя

1. Какие виды движения вам известны?

2. В чем биологический смысл движения живых организмов? Сравните особенности жизненной стратегии прикрепленного и свободно живущего (пассивно или активно перемещающегося) живого организма.

3. Из каких компонентов состоит опорно-двигательная система Простейших?

4. Сравните опорно-двигательную систему Хордовых и Членистоногих. В чём состоит их сходство и различие?

5. О чём свидетельствует сходство в строении скелета всех позвоночных животных?

6. Обсудите с друзьями и родными, как строение опорно-двигательной системы связано со средой обитания живых организмов.

Список использованных источников

Рис. 1–4, 7, 8, 12–19, 22, 24, 27, 28, 29а, 29б. Изображения используются согласно лицензии Shutterstock/FOTODOM.
Рис. 5, 6, 9–11, 20, 21, 23, 25, 26. Иллюстратор Лайтарук Е. Б.