Czym się różni ssak od gada? Ssaki i gady pod lupą

Tematem niniejszego tekstu będą ssaki i gady, ich ewolucja oraz jakie cechy je dzielą. Siłą rzeczy będę musiał uogólniać, czasem nawet mocno – nie każdy typowo ssaczy atrybut znajdziemy u każdego ssaka, czego najlepszym przykładem jest żyworodność. Typowa dla ssaków, a jednak są wyjątki. Warto też pamiętać podchodząc do tego tekstu, że także w obrębie gadów czy wśród ssaków znajdziemy spore różnice. Jak choćby między ssakami wodnymi i lądowymi czy pomiędzy krokodylami i wężami.

Ssaki i gady: ewolucja

Gady i ssaki są zwierzętami kręgowymi, ujętymi w systematyce zoologicznej jako odrębne gromady. Ich ostatniego wspólnego przodka znajdziemy wśród pierwszych owodniowców – kręgowców, których rozród jest uniezależniony od bezpośredniego dostępu do wody, dzięki wytwarzaniu błon płodowych (do grupy owodniowców oprócz gadów i ssaków należą też ptaki). Dla łatwiejszego zobrazowania tej części historii życia można powiedzieć, że wspólny przodek gadów i ssaków lokuje się najprawdopodobniej gdzieś pomiędzy czworonożnymi prapłazami, a początkującymi pragadzimi praowodniowcami. Szacuje się, że pierwsze owodniowce pojawiły się na Ziemi trochę ponad 300 milionów lat temu, w karbonie, i to właśnie w tamtych czasach – około 300 milionów lat temu – można było spotkać ostatniego wspólnego przodka gadów i ssaków. Potem nasze linie się rozeszły i od tego czasu sporo się zmieniło.

W dalszej części artykułu będę pisał o bardzo szeroko ujętych cechach. Chciałbym odnieść się do różnic w układzie moczowo-płciowym i w rozwoju nowych osobników przed wykluciem u gadów i przed narodzinami u ssaków. Ważna jest też kwestia odmienności w budowie mózgu (napiszę też o tzw. gadziej części mózgu u ssaków), czy odmienności budowy narządów zmysłów, zwłaszcza słuchu. Przejdę też do układu ruchu (do kości) oraz do układu powłokowego, czyli skóry. Wejdę też głębiej – do różnic w budowie komórek i wreszcie do genomu. Ostatecznie niemal wszystko to w jakimś stopniu przekłada się także na zachowanie zwierząt, o którym także trochę opowiem.

Ssaki od gadów, a także innych kręgowców różnią się ujściem układu moczowego i pokarmowego. U ssaków, jak wszyscy dobrze wiemy, występuje odbyt jako koniec przewodu pokarmowego, zaś zakończeniem układu moczowego jest cewka moczowa. Gady mają natomiast kloakę (zwaną też stekiem) – wspólne ujście dla moczu i kału, stąd m.in. ptasie czy gadzie odchody wyglądają dla nas tak nietypowo. Od tej powszechnej wśród ssaków reguły, że mają osobne drogi wydalnicze, znajdziemy wyjątki. U stekowców (dziobak, kolczatka) i torbaczy (m.in. kangury) układ moczowy i pokarmowy również kończą się razem, kloaką, czyli tak jak u gadów. Trochę więcej komplikacji jest przy ujściu układu rozrodczego. U samic gadów i ssaków stekowych układ rozrodczy, moczowy i pokarmowy uchodzą w kloakę, ale u samców istnieje osobna droga wyprowadzająca nasienie, kończąca się penisem lub jego odpowiednikiem.

W kwestii rozrodu zasadnicza różnica dotyczy partenogenezy, czyli rozmnażania się z udziałem wyłącznie samic. Zjawisko to występuje u gadów, np. u waranów z Komodo, ale nie u ssaków. Partenogenetyczne zarodki ssaków posiadające jedynie matczyny (ginogeneza) genom szybko zamierają przez niedorozwój trofoblastu (przyszłego łożyska). Partenogenetyczne zarodki ssacze z genomem ojcowskim (powstałe poprzez usunięcie jądra oocytu i umieszczenie w nim DNA męskiego – androgeneza) umierają przez niedorozwój własny (czyli węzła zarodkowego, który jest „właściwym” zarodkiem). Dzieje się tak przez piętnowanie gametyczne, czyli imprinting występujący u ssaków, blokujący ekspresję (odczytywanie) określonych genów ze strony matki lub ojca. W efekcie, choć zarodek partenogenetyczny męski posiada wszystkie geny, to te które są zaangażowane w rozwój zarodka są zablokowane. Zaś zarodek partenogenetyczny żeński ma zablokowaną możliwość odczytywania genów promujących rozwój trofoblastu (który normalnie rozwija się w łożysko). Imprinting można u ssaków ominąć poprzez skomplikowane procedury biotechnologiczne, ale naturalnie partenogeneza jest u tej gromady kręgowców nieosiągalna.

Kolejną różnicą jest sposób wydawania na świat potomstwa. U ssaków (poza stekowcami) młode pojawiają się w wyniku narodzin. Nie wykluwają się z jaja, jak gady czy ptaki. Czyli mówiąc najprościej, gady są jajorodne, a ssaki żyworodne. U torbaczy ciąża jest krótka. Dziecko po narodzinach chowa się w torbie (od której pochodzi nazwa torbaczy), gdzie dalej rośnie. W embriologii o płodzie mówi się tylko u ssaków, reszta nowych osobników do czasu wyklucia określana jest jako zarodki. Idąc tym tropem, do rodzenia i urodzin również odnosimy się do ssaków. Gady się nie rodzą, tylko wylęgają. U ssaków o wylęganiu mówimy na etapie bardzo wczesnego rozwoju zarodkowego, kiedy blastocysta opuszcza osłonkę przejrzystą.

Najbardziej fundamentalną cechą ssaków jest karmienie mlekiem. Od tego właśnie pochodzi ich polska nazwa – ssaki, bo ssą mleko matki. Łacińska – Mammalia – również do tego nawiązuje, bo oznacza piersi, gruczoły mlekowe. W przypadku tej cechy nie mamy wyjątków. Torbacze, a nawet jajorodne stekowce takie jak dziobak, karmią swoje dzieci mlekiem. Nie wszystkie posiadają jednak specjalne narządy do skupionego wydzielania mleka, czyli sutki. U stekowców mleko spływa bezpośrednio na skórę, skąd jest zlizywane.

Nietypowy jak na świat zwierząt sposób odchowywania, w tym karmienia dzieci, sprawia, że ssaki są wyjątkowe jeśli chodzi o opiekę nad swoim potomstwem. Chociaż troskę i opiekuńczość obserwujemy też u niektórych gadów, ryb czy pająków i innych zwierząt, to dla ssaków cecha ta jest bardzo typowa i powszechna. Spośród dwóch głównych strategii rozrodczych, nazywanych strategią r i strategią K, u ssaków charakterystyczna jest ta druga. Polega ona na wydawaniu na świat małej liczby dzieci, ale za to w miarę możliwości wszystkie są otaczane opieką. Pierwsza strategia rozrodu (r) to coś, co moglibyśmy opisać na odwrót. Czyli posiadanie jak najwięcej dzieci, ale bez troszczenia się o nie. Jest to taktyka częsta u bezkręgowców, ale także sporej liczby gatunków gadów.

Ssaki odróżniają się od gadów inteligencją i zachowaniem, uspołecznieniem i wreszcie – mózgiem. Mózgi ssaków są relatywnie większe niż mózgi gadów. Ssaki posiadają korę nową, czyli neocortex, podczas gdy gady nie. Kora nowa uznawana jest za najnowszą i najbardziej ewolucyjnie zaawansowaną część mózgu. Różnorodną i skomplikowaną w swej budowie, odpowiadającą m.in. za rozwinięte procesy poznawcze, pamięć i uczenie się, myślenie czy język. Sama kora nowa bardzo się różni u poszczególnych ssaków. U naczelnych jest pofałdowana, a nasilenie takich zniekształceń wiązane jest z wyższą inteligencją i innymi, najwyższymi neurobiologicznymi zdolnościami, które wymieniłem wcześniej. Chociaż dziedziczenie społeczne – poprzez uczenie się młodych od starszych, a nie za sprawką genów czy ich metylacji – występuje nie tylko u ssaków, to jest u tej gromady kręgowców znacznie częstsze, co również wiąże się z lepiej rozwiniętym mózgiem.

Wśród samych już tylko ssaków istotny podział stanowi ciało modzelowate, będące swego rodzaju „łącznikiem” między obiema mózgowymi półkulami. Jego usunięcie (lezja) skutkować może np. tym, że podczas gdy prawą ręką chcemy sięgnąć po hamburgera, to lewa ręka próbuje nam go wytrącić. Swego rodzaju rozdwojenie. Ciało modzelowate występuje u ssaków łożyskowych, ale już nie u torbaczy i stekowców. Wielu naukowców wskazuje też na podstawie swoich badań, że ciało modzelowate najprawdopodobniej podlega u ludzi dymorfizmowi płciowemu, przy czym są to jedynie różnice ilościowe, a nie jakościowe.

Na swój akapit zasługuje też temat trójpodziału mózgu (Triune brain), znany pod hasłem tzw. gadziego mózgu. Teoria ta mówi, że przodomózgowie które w trakcie rozwoju prenatalnego dzieli się na kresomózgowie i międzymózgowie, tworzy trzy części: najstarszy ewolucyjnie gadzi mózg (pień mózgu), prassaczy mózg (układ limbiczny) i korę nową, czyli tę typowo ssaczą. Każda część miałaby odpowiadać za coraz bardziej zaawansowane i wymagające czynności. Od tych prymitywnych i instynktownych, jak terytorialność i agresja, kierowanych przez mózg gadzi, przez interakcje społeczne czy emocje za które odpowiadać ma układ limbiczny, do wspomnianego uczenia się i zapamiętywania przez korę nową. W rzeczywistości, choć pogląd trójdzielnego mózgu wydaje się na swój sposób pociągający i romantyczny, to został naukowo odrzucony. Badania, na podstawie których neurobiolog Paul McLean ukuł teorię trójdzielnego mózgu pochodzą z pierwszej połowy XX wieku i zostały poważnie zaktualizowane, dezaktualizując samą teorię.

Dlaczego idea trójpodziału mózgu, czyli tzw. gadziego mózgu, jest nieaktualna? To, co uważane jest za gadzi mózg istniało, zanim na Ziemi pojawiły się gady. Część tę mają płazy i ryby i najprawdopodobniej wyewoluowała ona jeszcze u wspólnego przodka dzisiejszych kręgowców. Podobnie, choć zapewne w nieco młodszej ewolucyjnie wersji, jest z układem limbicznym. Bardziej trafne jest więc mówienie o starej części mózgu powstałego u prymitywnych kręgowców i nowszej korze nowej. Nie jest rzecz jasna tak, że wszystkie te struktury od milionów lat się nie zmieniły. Z czasem także ewoluowały, razem z resztą mózgu, determinując zmiany budowy czy funkcji poszczególnych części. Istotne jest jeszcze to, że McLean swoją teorię opierał także na funkcjach i zachowaniach mających wynikać z aktywności poszczególnych części mózgu, zgodnych z teorią trójpodziału. Tymczasem ptaki nie mające ssaczej kory nowej, również mają bardziej zaawansowane zdolności związane z pamięcią czy językiem, zwłaszcza te z rzędu wróblowych (krukowate) i papugowych (papugi).

Zarówno gady jak i ssaki oddychają przy użyciu płuc. Te pierwsze, w przeciwieństwie do tych drugich, nie posiadają przepony – mięsień ten jest następną cechą typową dla ssaków. Kolejne wyraźne różnice dzielące gady i ssaki znajdziemy przede wszystkim w układzie kostnym. Zacznę od tych, które nie odnoszą się do układu ruchu. Chodzi o najmniejsze kości naszych ssaczych ciał – o kosteczki słuchowe. Są ich trzy: młoteczek, kowadełko i strzemiączko. W embriogenezie powstają z łuków skrzelowych, osiągając swój ostateczny rozmiar przed narodzinami – później już nie rosną. Znajdują się w uchu środkowym i są elementem narządu słuchu. Mają je wszystkie ssaki – nawet prymitywne stekowce czy prowadzące całkowicie wodny tryb życia walenie. Dzięki swej kościstej naturze, kosteczki słuchowe mogą łatwiej od miękkich tkanek zachowywać się, przez co stanowią cechę diagnostyczną dla zajmujących się skamieniałościami paleontologów.

Zwróćmy też uwagę na uzębienie. U gadów zęby nie są szczególnie zróżnicowane. U ssaków tymczasem jest wręcz przeciwnie. Mamy siekacze, kły, zęby przedtrzonowe i zęby trzonowe. Wśród poszczególnych rzędów ssaków zęby ulegają określonej modyfikacji i różnią się np. między przeżuwaczami i mięsożernymi, ale zasadniczo dzielą się na kilka rodzajów. Jedynie u waleni zębowych (np. delfinów czy orek) zęby są wtórnie uproszczone, bez podziału na siekacze i resztę. Kolejna różnica dotyczy żuchwy, która u ssaków (także stekowców) jest jedną, zrośniętą całością, a u gadów, płazów i ryb składa się z kilku oddzielnych kości. Gady, płazy i ryby mają również kość kruczą, współtworzącą obręcz kończyny górnej. U ssaków kość ta zredukowała się w toku ewolucji do formy niewielkiego wyrostka. Jednak i tutaj nie ma jedności, ze względu na stekowce. Ważne jest też, że u ssaków kości kończyn układają się względem siebie pod innym kątem niż u gadów i mogą się prostować.

Obok produkcji i ssania mleka, drugim najbardziej charakterystycznym atrybutem ssaków jest posiadanie włosów. Najstarsze ślady włosów, jakie znamy, datowane są na ponad 160 milionów lat, jednak najprawdopodobniej twory te istniały już wcześniej. Wytłumaczeń czynników selekcyjnych prowadzących do wyewoluowania włosów jest wiele. Jedną z popularniejszych hipotez jest ta, która mówi że ssaki ewoluujące w świecie dinozaurów częściej musiały prowadzić nocny tryb życia, czemu sprzyjały izolujące ciepło protowłosy i włosy. Mechanizm jest prosty – w wyniku zmian genetycznych pojawiają się pierwsze protowłosy. Osobniki, które je posiadają, mają wyższe dostosowanie (tzw. fitness), czyli lepszą przeżywalność i rozród. A więc z czasem protowłosy, po pewnej liczbie pokoleń, stają się powszechne. Potem kolejne mutacje przybliżające włosy do ich współczesnej formy rozprzestrzeniają się w populacji w ten sam sposób. Trzeba jeszcze pamiętać, że włosy mogą przybierać różne formy – np. kolce u jeży. Z kolei u waleni, golców czy łuskowców (pangolinów) są silnie zredukowane.

Włosy pomagają ssakom w utrzymywaniu stałej temperatury ciała. Jesteśmy zwierzętami stałocieplnymi, a mówiąc inaczej: ciepłokrwistymi albo endotermicznymi. Takie są też ptaki, w przeciwieństwie do zmiennocieplnych (czyli zimnokrwistych, ektotermicznych) gadów. Wiąże się z tym szereg zachowań dotyczących aktywności fizycznej, interakcji między osobnikami czy związanych z pożywianiem. Ze względu na stałocieplność ssaki muszą na przykład stosunkowo dużo jeść, by odpowiednio utrzymywać metabolizm i swoją stałą temperaturę. Czego najbardziej skrajnymi przykładami są drobne ssaki owadożerne, spędzające większość czasu na jedzeniu. Gady jednak, chociaż na ogół uchodzą za bardziej ociężałe i powolne, potrafią się zmobilizować i szybko biegać czy pływać. Jeśli chodzi o korzyści płynące ze stałocieplności, to jest to np. możliwość bycia aktywnym nawet jak jest zimno. Albo większa odporność na infekcje grzybicze.

Zajrzyjmy głębiej, do tego czego nie widać gołym okiem. Czym wyróżniają się ssaki na poziomie komórkowym i genetycznym? Otóż wszystkie zwierzęta kręgowe mają erytrocyty, czyli czerwone krwinki (z wyjątkiem ryb białokrwistych, które ich nie potrzebują). Komórki te z reguły posiadają jądra komórkowe. Jednak erytrocyty ssaków pozbywają się ich w trakcie dojrzewania. Nasze ssacze transportery tlenu nie mają jąder, zyskując na tym mniejszy rozmiar – co ma znaczenie przy przeciskaniu się przez maluteńkie naczynka włosowate – oraz większą pojemność na hemoglobinę.

Co do genomu, istnieje coś takiego jak wyspy CpG, czyli sekwencje DNA z licznymi powtórzeniami cytozyny i guaniny. U ssaków fragmenty te są na ogół silnie metylowane. Do cytozyn dołączane są grupy metylowe – CH3 (jeden atom węgla i trzy atomy wodoru). Proces ten bierze udział w regulacji ekspresji genów, czyli nasilenia ich odczytywania, ponieważ silnie zmetylowane miejsca są ciaśniej upakowane, co czyni je trudniej dostępnymi dla białek przeprowadzających transkrypcję (czynniki transkrypcyjne). Ponieważ gady są znacznie mniej badane od ssaków, a samo zainteresowanie epigenetyką, do której zalicza się wiedza o metylacji DNA, jest od stosunkowo niedawna modne wśród naukowców, niewykluczone, że o poziomie metylacji genomu gadziego najważniejszego dopiero się dowiemy.

Szczegółowych i uogólnionych różnic między ssakami i gadami znajdziemy znacznie więcej. Mogą to być np.: niepełna przegroda serca u gadów (z wyjątkiem krokodyli) i pełna, tworząca dwie komory, u ssaków; małżowiny uszne u ssaków (choć walenie, foki czy syreny mają je zredukowane przez długą ewolucję w wodnym środowisku) i ich brak u gadów; trzy powieki u gadów. Starałem się przedstawić te, które moim zdaniem są najważniejsze i najciekawsze. Zwracając uwagę na osobliwości wśród gadów i ssaków albo na wyjątki spośród samych tylko, niezwykle zróżnicowanych łożyskowców. W opisywaniu i porównywaniu takich cech bardzo ważny jest nie tylko kontekst współczesnej fizjologii, ale także ten ewolucyjny. Daje on szerszą perspektywę i pozwala na wyciąganie pełniejszych wniosków.

Jeśli podoba Ci się mój tekst, zachęcam do wejścia na Patronite, gdzie w prosty sposób można ustawić comiesięczne wpłaty na rozwój bloga. Prowadzenie go wymaga ponoszenia kosztów, poświęcania czasu oraz przygotowania, a wszystko to jest możliwe dzięki Patronom i Patronkom.