Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Чтобы узнать о рыбьем придатке, см. Рыбий плавник .
Пингвин Гумбольдта плавает. Крылья пингвинов превратились в короткие сильные ласты, что привело к их нелетаемости . [1]
Фотография черепахи, плывущей к поверхности с водолазом на заднем плане
Эта зеленая черепаха вот-вот вылетит на поверхность в Коне , Гавайи .

Плавника широкие, уплощенные конечности приспособлены к водной локомоции . Это относится к полностью перепончатому , плаванию придатков из водных позвоночных , которые не являются рыбой .

У животных с двумя ластами, таких как киты , плавник относится только к передним конечностям . У животных с четырьмя ластами, таких как ластоногие и морские черепахи , можно различить передние и задние ласты или грудные ласты и тазовые ласты . [2] [3]

Животные с ластами включают пингвинов (ласты которых также называют крыльями ), китообразных (например, дельфинов и китов ), ластоногих (например, моржей , безухих и ушастых тюленей ), сирен (например, ламантинов и дюгоней ) и морских рептилий, таких как морские черепахи и т. Д. ныне вымершие плезиозавры , мозазавры , ихтиозавры и метриоринхид .

Использование терминов «плавник» и «ласт» иногда противоречиво даже в научной литературе. Однако гидродинамические управляющие поверхности рыб всегда называют «плавниками», а не «ластами». Конечности четвероногих, которые превратились в плавниковые структуры, обычно (но не всегда) называются «ластами», а не плавниками. Спинная структура китообразных называется «спинным плавником», а большие хвосты китообразных в основном называются сосальщиками, но иногда и «хвостовыми плавниками»; ни одна из этих структур не является ластами.

Некоторые ласты представляют собой очень эффективные подводные крылья , аналогичные крыльям ( аэродинамическим профилям ), которые используются для движения и маневрирования по воде с большой скоростью и маневренностью (см. Крылья ). Плавательные придатки с еще заметными пальцами , как на перепончатых передних лапах амфибийных черепах и утконоса , считаются скорее веслами , чем ластами. [3]

Передвижение [ править ]

Смотрите также: движение плавников и ласт

У всех видов водных позвоночных эффективность плавания зависит от управляющих поверхностей животного, включая ласты, сосальщики и плавники. Ласты используются для различных типов движения, управления и вращения. У китообразных они в основном используются для контроля, а двуустка - для движения. [4]

Эволюция ласт у пингвинов происходила за счет их летных способностей, несмотря на то, что они произошли от гагароподобного предка, который мог «летать» под водой, а также в воздухе. Форма ограничивает функцию, и крылья ныряющих летающих видов, таких как кайра или баклан , не превратились в ласты. Ласты пингвинов становились толще, плотнее и меньше, но при этом были модифицированы с учетом гидродинамических свойств. [1]

Гидродинамика [ править ]

Ласты китообразных можно рассматривать как аналог современных инженерных судов на подводных крыльях, которые обладают гидродинамическими свойствами: коэффициентом подъемной силы, коэффициентом сопротивления и эффективностью. Ласты являются одной из основных управляющих поверхностей китообразных (китов, дельфинов и морских свиней) из-за их положения перед центром масс и их подвижности, обеспечивающей три степени свободы . [4]

В бугорках на плавниках горбатых китов улучшить гидродинамику ласт в их размере. Разрушение каналов быстро движущейся воды позволяет горбачам сохранять «хватку» на воде и поворачиваться под более острыми углами даже на малых скоростях. [5]

Ласты горбатых китов ( Megaptera novaeangliae ) имеют негладкие передние кромки, но демонстрируют превосходную гидродинамику по сравнению с характерно гладкими передними кромками искусственных крыльев, турбин и других видов лопастей. Удивительная ловкость кита обусловлена ​​прежде всего его нетрадиционными ластами, которые имеют большие неровные выступы на передних кромках, называемые бугорками. Бугорки препятствуют прохождению воды, поддерживая ровные каналы быстро движущейся воды, ограничивая турбулентность и обеспечивая большую маневренность. [5]

Передние крылья, используемые ластоногими, действуют как колебательные суда на подводных крыльях. Для поворота используются как передние, так и задние ласты. [3] Исследование морского льва Стеллера в 2007 году показало, что большая часть тяги создается во время фазы движения.цикла хода переднего ласта. Хотя предыдущие данные об ушастых тюленях предполагали, что тяга была вызвана начальным движением вперед передних ласт или конечной фазой гребли, основанной на сопротивлении, исследование 2007 года показало, что во время этих фаз тяга была незначительной или отсутствовала вовсе. Плавание морских львов регулируется изменениями продолжительности и интенсивности движений без изменения их последовательности. По критериям, основанным на скорости и минимальном радиусе поворота, маневренность ластоногих превосходит китообразных, но уступает многим рыбам. [6]

Эволюция ласт [ править ]

Морские млекопитающие эволюционировали несколько раз, развивая похожие ласты. Передние конечности китообразных, ластоногих и сирен представляют собой классический пример конвергентной эволюции . На генном уровне широко распространена конвергенция. [7] Четкие замены в общих генах создали различные водные адаптации, большинство из которых представляют собой параллельную эволюцию, потому что рассматриваемые замены не уникальны для этих животных. [8]

При сравнении китообразных с ластоногими и сиренами происходит 133 параллельных замены аминокислот. Сравнивая и противопоставляя китообразных-ластоногих, китообразных-сирен и ластоногих-сирен, происходит соответственно 2351, 7684 и 2579 замен. [8]

Цифровые процессы [ править ]

Заделывают скелет плавника финвита

Киты и их родственники имеют плавник из мягких тканей, покрывающий большую часть передней конечности, и удлиненные пальцы с увеличенным количеством фаланг. [9] Гиперфалангия - это увеличение количества фаланг за пределы плезиоморфного состояния млекопитающих - три фаланги на палец. [10] Эта черта характерна для вторично водных позвоночных с ластами. Гиперфалангия была характерна для вымерших ихтиозавров, плезиозавров и мозазавров. [11]

Иллюстрация конечностей водных рептилий: мозазавров Platecarpus и Clidastes , а также ихтиозавров Ophthalmosaurus и Platypterygius . Из Остеологии рептилий (1925)

Китообразные - единственные млекопитающие, у которых развилась гиперфалангия. Хотя ласты современных китообразных неправильно описаны как перепончатые лапы, промежуточные перепончатые конечности древних полуводных китообразных могут быть описаны как таковые. Наличие межпальцевой перепонки в окаменелостях полуводных китообразных эоцена, вероятно, было результатом действия антагонистов BMP, противодействующих межпальцевому апоптозу во время эмбрионального развития конечностей.. Изменения сигналов в этих тканях, вероятно, способствовали возникновению ранней формы гиперфалангии у полностью водных китообразных около 35 миллионов лет назад. Этот процесс продолжался с течением времени, и очень производная форма гиперфаланги, с шестью или более фалангами на палец, развивалась конвергентно у китов и океанических дельфинов и, вероятно, была связана с другой волной передачи сигналов в межпальцевых тканях. [10]

Хотя у зубатых китообразных пять пальцев, у большинства усатых китов четыре пальца и даже нет пястной кости. У последних (mysticetes) луч первой цифры мог быть утерян всего 14 миллионов лет назад. [9]

Эволюция флиппера у черепах [ править ]

Иллюстрация ласт плезиозавра . Meyerasaurus и тринакромерум . Из Остеологии рептилий (1925)

Морские черепахи появились в меловом периоде . Их плавники развивались постепенно в результате серии ступенчатых адаптаций, при этом наиболее фундаментальные черты плавников проявлялись в самых глубоких узлах (в самые ранние времена) в их филогенезе . Эти начальные черты проявились у хелониоидов только один раз , и бауплан был уточнен в ходе вторичного процесса специализации. [12]

Evers et al. идентифицировали признаки, связанные с грудным поясом и передними конечностями, которые связаны с преобразованием рук и кистей морских черепах в ласты. [12]

Ключевые биомеханические особенности ласт

  • уплощение элементов
  • удлинение плечевой кости
  • снижение подвижности между отдельными элементами плавников

Основные черты движения ласт

  • боковое положение плечевого отростка
  • изменение угла внутренней лопатки [12]

Собирательство [ править ]

Из-за специализации ласт и их гидродинамических ограничений считалось, что они не использовались для значительного взаимодействия с окружающей средой, в отличие от ног наземных четвероногих. Однако использование конечностей для кормодобывания зарегистрировано у морских четвероногих . [13] Использование ласт для кормления наблюдается у морских млекопитающих, таких как моржи , тюлени и ламантины, и даже у рептилий, таких как морские черепахи. Среди черепах наблюдаемое поведение включает зеленую черепаху, держащую медузу , болвана, катящего гребешок по морскому дну, и черепаху-ястребинку, толкающуюся о риф в качестве рычага, чтобы вырвать анемона . [14]Основываясь на предположении об использовании конечностей у предковых черепах, такое поведение могло иметь место уже 70 миллионов лет назад. [13]

См. Также [ править ]

  • Рыбий плавник
  • Гомология (биология)

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b «Почему пингвины перестали летать? Ответ эволюционный» . National Geographic News . 2013-05-21 . Проверено 18 декабря 2019 .
  2. ^ Уильям Ф. Перрин; Бернд Вюрсиг; JGM Thewissen (26 февраля 2009 г.). Энциклопедия морских млекопитающих . Академическая пресса. ISBN 978-0-08-091993-5.
  3. ^ a b c Рыба, FE (2004). «Строение и механика нечистотных поверхностей управления». IEEE Journal of Oceanic Engineering . 29 (3): 605–621. DOI : 10,1109 / joe.2004.833213 . ISSN 0364-9059 . S2CID 28802495 .  
  4. ^ a b Вебер, Пол В .; Howle, Laurens E .; Мюррей, Марк М .; Рыба, Фрэнк Э. (15 июля 2009 г.). «Подъем и сопротивление ласты зубатых китообразных» . Журнал экспериментальной биологии . 212 (14): 2149–2158. DOI : 10,1242 / jeb.029868 . ISSN 0022-0949 . PMID 19561204 .  
  5. ^ a b «Ласты обеспечивают подъемную силу, уменьшают сопротивление: горбатый кит» . AskNature . Проверено 18 декабря 2019 .
  6. ^ Cheneval, O .; Blake, R .; Тритес, Эндрю; Чан, К. (01.01.2007). «Поворотные маневры у белобрысых сивучей (Eumatopias jubatus)» . Наука о морских млекопитающих . 23 : 94–109. DOI : 10.1111 / j.1748-7692.2006.00094.x .
  7. ^ Чикин, Мария; Робинсон, Джозеф Д .; Кларк, Натан Л. (01.09.2016). «Сотни генов испытали конвергентные сдвиги в селективном давлении у морских млекопитающих» . Молекулярная биология и эволюция . 33 (9): 2182–2192. DOI : 10.1093 / molbev / msw112 . ISSN 0737-4038 . PMC 5854031 . PMID 27329977 .   
  8. ^ а б Чжоу, Сюмин; Сейм, Инге; Гладышев, Вадим Н. (09.11.2015). «Конвергентная эволюция морских млекопитающих связана с различными заменами в общих генах» . Научные отчеты . 5 (1): 16550. DOI : 10.1038 / srep16550 . ISSN 2045-2322 . PMC 4637874 . PMID 26549748 .   
  9. ^ а б Купер, Лиза Ноэль; Берта, Анналиса; Доусон, Сьюзан Д .; Рейденберг, Джой С. (2007). «Эволюция гиперфаланги и редукции пальцев в манусе китообразных» . Анатомическая запись . 290 (6): 654–672. DOI : 10.1002 / ar.20532 . ISSN 1932-8486 . PMID 17516431 . S2CID 14586607 .   
  10. ^ а б Купер, Лиза; Сирс, Карен; Армфилд, Брук; Кала, Бхавнит; Хублер, Мерла; Тевиссен, JGM (2017-10-01). «Обзор и экспериментальная оценка эмбрионального развития и эволюционной истории развития плавников и гиперфаланги у дельфинов (Cetacea: Mammalia)» . Бытие . 56 (1): e23076. DOI : 10.1002 / dvg.23076 . PMID 29068152 . 
  11. ^ Fedak, Тим J; Холл, Брайан К. (2004). «Перспективы гиперфалангии: закономерности и процессы» . Журнал анатомии . 204 (3): 151–163. DOI : 10.1111 / j.0021-8782.2004.00278.x . ISSN 0021-8782 . PMC 1571266 . PMID 15032905 .   
  12. ^ a b c Evers, Serjoscha W .; Барретт, Пол М .; Бенсон, Роджер Би Джей (2019-05-01). «Анатомия Rhinochelys pulchriceps (Protostegidae) и морская адаптация на ранней стадии эволюции хелониоидов» . PeerJ . 7 : e6811. DOI : 10,7717 / peerj.6811 . ISSN 2167-8359 . PMC 6500378 . PMID 31106054 .   
  13. ^ a b Fujii, Jessica A .; Маклиш, Дон; Брукс, Эндрю Дж .; Гаскелл, Джон; Хоутан, Кайл С. Ван (28.03.2018). «Использование конечностей при кормлении морских черепах, эволюционная перспектива» . PeerJ . 6 : e4565. DOI : 10,7717 / peerj.4565 . ISSN 2167-8359 . PMC 5878658 . PMID 29610708 .   
  14. ^ «Морские черепахи используют ласты, чтобы манипулировать едой» . ScienceDaily . Проверено 21 декабря 2019 .