Эволюция вестибулярного аппарата от рыбы к человеку

Введение

Вестибулярный аппарат, благодаря которому люди и животные способны ощущать положение и движение собственного тела в пространстве, хорошо изучен нами в структурном плане. Во многих сферах человеческой деятельности эти данные имеют серьезное прикладное значение. Биологов же знание морфологии слуховой системы и органа равновесия различных групп млекопитающих приблизило к пониманию пути их эволюционного развития, обусловленного изменениями среды.

Правда, на вопрос о происхождении вестибулярного аппарата млекопитающих у ученых пока нет единого ответа, в этом заключатся актуальность данной работы. Согласно самой известной из существующих гипотез, звери "получили" его от рыб, чьи органы боковой линии (они расположены на поверхности тела с обеих сторон - от жаберных щелей до хвоста), предназначенные для восприятия движения и вибрации воды, трансформировались при изменении условий обитания. У млекопитающих новым функциям органа равновесия соответствует особая его структура, он размещен глубоко в черепе и лишен контакта с внешней средой.

Предметом работы является эволюция онтогенеза вестибулярного аппарата.

Объектом работы является строение вестибулярного аппарата.

Цель работы изучить эволюцию вестибулярного аппарата от рыбы к человеку, это достигается путем решения следующих задач:

• изучить основные этапы эволюции и онтогенеза вестибулярного аппарата;
• исследовать вестибулярный аппарат у рыб;
• проанализировать основные этапы онтогенеза внутреннего уха у человека;
• выявить значение вестибулярного аппарата и способы его тренировки.

В данной работе используются следующие методы: изучение и анализ научной литературы, сравнение различных точек зрения, а также ознакомление со статистическими данными и их анализ.

В ходе написания реферативной работы автор изучил фундаментальные научные исследования отечественных и зарубежных ученых по обозначенной теме

1. Основные этапы эволюции и онтогенеза вестибулярного аппарата

Все организмы на Земле развивались в условиях действия на них силы тяжести. Для ориентации по отношению к гравитационному полю Земли большинство животных имеет специальный отолитовый орган, достигший большего или меньшего совершенства в процессе эволюции, но, тем не менее, построенный по одному и тому же принципу. Орган равновесия состоит из двух частей: «пробной массы», т. е. отолита, обладающего некоторой свободой передвижения в пределах органа, и системы рецепторов, воспринимающих положение или перемещение этого отолита в органе. Любое отклонение в положении тела сопровождается смещением «пробной массы» (отолита, отоконий, отолитовой мембраны), возбуждающим соответствующую группу рецепторов органа равновесия. Сигнал этих рецепторов обрабатывается ЦНС, которая посылает командный сигнал мышцам, корректирующим положение тела.

Прообраз гравитационного рецептора в виде статоцистоподобной органеллы имеется уже у одноклеточных организмов. У инфузорий он представлен пузырьками диаметром около 10–18 мкм, заполненными круглыми минеральными выделениями, или отокониями. У кольчецов уже появляются первично-чувствительные клетки с киноцелиями, а «пробная масса» состоит из отоконий или занесенных извне песчинок [2, c. 210].

Наиболее совершенной формы организации орган гравитации достиг у ракообразных и моллюсков. Это парный орган — статоцисты, которые представляют собой замкнутые полости, заполненные жидкостью и содержащие статолит или статоконии. Полость статоциста выстлана реснитчатыми рецепторными клетками, которые у одних животных располагаются ровным слоем, а у других, например, у головоногих моллюсков, образуют скопления, называемые макулами.

При изменении положения животного в пространстве происходит смещение статоконий в статоцисте, которое в свою очередь вызывает отклонение ресничек рецепторных клеток. Сигналы рецепторных клеток передаются в ЦНС. При взаимодействии в ЦНС рецепторов статоциста с афферентным потоком из других сенсорных датчиков происходит определение направления и величины отклонения тела от исходного положения и осуществление различных компенсаторных рефлексов.

Электрофизиологические исследования позволили выяснить некоторые детали механизма работы рецепторной системы статоциста. В состоянии покоя в статическом нерве регистрировалась фоновая активность. Вероятно, эта активность не спонтанна, а обусловлена воздействием статоконий на реснички рецепторных клеток. Рецепторная клетка не проявляет активности до тех пор, пока не окажется внизу и не подвергнется давлению статоконий [4, c. 118].

Механизм возбуждения чувствительной клетки статоциста считается аналогичным механизму работы рецепторов боковой линии и вестибулярного аппарата. Система статоциста функционально связана с другими сенсорными системами: зрительной, рецепторов растяжения. Все они соединяются в церебральном ганглии, где кончаются отростки их рецепторных клеток. Благодаря взаимосвязи различных сенсорных систем осуществляется общая координация тела в пространстве.

Орган равновесия, достигший высокого развития у рыб (по три полукружных канала с каждой стороны), в дальнейшей эволюции мало изменяется: внутреннее устройство каналов и рецепторов, их расположение почти такое же, как у человека. Однако следует отметить, что нейроэпителий внутреннего уха у низших позвоночных не дифференцирован на слуховой и вестибулярный. Выход животных из водных сред обитания на су шу привел к усложнению центров головного мозга, осуществляющих центральный анализ и оказывающих произвольное управляющее воздействие на положение тела в пространстве.

2. Вестибулярный аппарат у рыб

Рыбы реагируют на звуки: удар грома, выстрел, стук весла лодки по поверхности воды вызывает у рыб определенную реакцию, иногда рыба даже выпрыгивает из воды при этом. Некоторые звуки и привлекают рыбу, что используют в своих методах рыболовы, например, рыбаки Индонезии и Сенегала приманивают рыбок с помощью трещоток из скорлупы кокосовых орехов, имитируя естественный треск кокоса в природе, который приятен для рыб.

У рыб совмещен орган слуха и равновесия. Находится этот орган в задней части черепной коробки и представляет из себя лабиринт. Это так называемое внутренне ухо: внешних слуховых отверстий, ушной раковины и улитки у рыб нет.

Лабиринт достаточно сложно устроен: он помещается в хрящевой или костной камере под прикрытием ушных костей. Верхняя его часть — это овальный мешочек (ушко, utriculus), нижняя — круглый мешочек (sacculus). Боковое расширение нижней части круглого мешочка (lagena) — это зачаток улитки. От верхней части отходят три канала, каждый из которых на одном конце расширен в ампулу.

Овальный мешочек с полукруглыми каналами — это орган равновесия или вестибулярный аппарат.

Круглый мешочек дает отростки внутренних лимфатических (эндолимфатических) каналов, который у хрящевых рыб выходят наружу, а у остальных рыб заканчиваются у кожи головы.

Лабиринт заполнен эндолимфой, в которой находятся «слуховые» камешки, состоящие из углекислой извести (отолиты), по три с каждой стороны головы.

Лабиринт работает следующим образом: при движении рыбы, давление эндолимфы в полукруглых каналах, а также со стороны отолита меняется, и возникшее раздражение регистрируется нервными окончаниями. Если верхняя часть лабиринта повреждена, рыба не может удержать равновесие, начинает ложиться на бок, спину, брюхо.

Нижняя часть лабиринта: круглый мешочек и лагена отвечает за восприятие звуков.

В улавливании звуковых волн у рыб помимо лабиринта активно участвуют боковая линия и плавательный пузырь.

Рыбы и сами издают звуки. В этом процессе участвуют следующие органы: плавательный пузырь, лучи грудных плавников в комбинации с костями плечевого пояса, челюстные и глоточные зубы и другие органы. Звуки, издаваемые рыбами, напоминают удары, цоканье, свист, хрюканье, писк, кваканье, рычание, треск, звон, хрип, гудок, крики птиц и стрекотание насекомых [8, c. 80].

Звуковые частоты, воспринимаемые рыбами — это от 5 до 25 Гц органами боковой линии, и от 16 до 13000 Гц лабиринтом. У рыб слух развит меньше чем у высших позвоночных, а также его острота различна у разных видов: язь воспринимает колебания, длина волны которых составляет 25…5524 Гц, серебряный карась — 25…3840 Гц, угорь — 36…650 Гц. Акулы улавливают колебания, издаваемые другими рыбами на расстоянии 500 м.

Регистрируют рыбы и звуки, идущие из атмосферы. Большую роль в регистрации звуков играет плавательный пузырь, соединенный с лабиринтом и служащий резонатором.

Органы слуха очень важны в жизни рыб. Это и поиск полового партнера (в рыбоводных хозяйствах запрещено движение транспорта возле прудов в период нереста), стайной принадлежности, и информация о нахождении пищи, контроль территории, защита молоди. Глубоководные рыбы, у которых ослаблено или отсутствует зрение, ориентируются в пространстве, а также общаются с сородичами именно с помощью слуха, наряду с боковой линией и обонянием, особенно учитывая тот факт, что звукопроводимость на глубине очень высокая.

3. Основные этапы онтогенеза внутреннего уха у человека

Образование перепончатого лабиринта в онтогенезе у человека происходит в области ромбовидного мозга в виде ограниченного утолщения эктодермы на поверхности головного отдела зародыша по бокам от нервной пластинки с начала 4-й по 9-ю неделю внутриутробного развития. На 4-й неделе эктодермальное утолщение прогибается, образует слуховую ямку, которая превращается в слуховой пузырек, обособляющийся от эктодермы и погружающийся к 6-й неделе. Пузырек состоит из многорядного эпителия, выделяющего эндолимфу, которая заполняет просвет пузырька.

Одновременно происходит резорбция мезенхимальной ткани. В течение 2-го месяца эмбриональный слуховой ганглий делится на две части: ганглий преддверия и ганглий улитки. Затем пузырек, уже заполненный эндолимфой, делится на две части. Одна часть (вестибулярная) превращается в эллиптический мешочек с полукружными каналами, а вторая образует сферический мешочек и улитковый лабиринт [1, c. 5].

В полукружных каналах развиваются гребешки, в маточке (эллиптическом мешочке) и сферическом мешочке — пятна, в которых расположены нейросенсорные клетки. Вышеуказанные процессы сопровождаются разветвлением периферической части преддверно-улиткового нерва и соединением с рецепторными клетками.

По мере развития перепончатого лабиринта вокруг него из мезенхимы образуется слуховая капсула, замещаемая сначала хрящом, а затем и костью.

Дифференцировка эпителия на чувствительные и опорные клетки завершается у эмбриона длиной 70 мм, а полного развития рецепторы достигают к 3-й неделе после рождения ребенка. Рост лабиринта заканчиваются к концу 1-го года жизни ребенка.

Таким образом, тесное анатомо-топографическое единство органа слуха и равновесия, объединяющее их в целостную морфологическую структуру, а также общность восприятия некоторых раздражителей (вибрации) обусловлено единым полезным приспособительным результатом — ориентацией в пространстве.

4. Значение вестибулярного аппарата и способы его тренировки

Механизм работы вестибулярного аппарата очень сложный, он представляет собой небольшой орган во внутреннем ухе, который обеспечивает нас чувством равновесия. Этот механизм отслеживает изменения положения головы и тела, отправляя сигналы в мозг – «верх», «низ» наклон». Именно он отвечает за координацию таких процессов, как бег, ходьба, прыжки.

Вестибулярный аппарат есть у многих животных, например, у кошек, который является более развитым, чем у человека. К примеру, у черепах он менее развитый. Однако наш вестибулярный аппарат существенно отличается: он тоньше всех прочих, так как он синхронизирует одновременную работу сотни мышц и связок, чтобы обеспечить сбалансированное перемещение тела на двух точках опоры.

Периферический отдел вестибулярного анализатора — это часть внутреннего уха, состоящая из полукружных каналов, размещенных в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, и из статоцистных органов – двух мешочков – овального (маточки) и круглого, расположенного ближе к улитке. Один конец каждого полукружного канала расширяется, такое расширение называется ампулой. В ампулах полукружных каналов находится по костному гребешку серповидной формы. К гребешку непосредственно прилегает перепончатый лабиринт и скопление двух рядов клеток: опорных и чувствительных, имеющих на верхнем конце 10-15 длинных волосков, склеенных желатинообразным веществом в кисточку (заслонку).

Овальный и круглый статоцистные мешочки преддверия выстланы изнутри плоским эпителием, за исключением некоторых участков (пятнышек). Пятнышки состоят из цилиндрического эпителия, там же и располагаются опорные и чувствительные волосковые клетки.

Опорные клетки образуют множество волокон, в которые включены известковые камешки – отолиты, прилегающие к волосковым клеткам.

Мешочки и полукружные каналы заполнены эндолимфой. Волосковые клетки гребешков полукружных каналов и пятнышек статоцистных мешочков связаны с волокнами биполярных нейронов, находящихся в вестибулярном узле Скарпа, расположенном в глубине внутреннего слухового прохода.

Механизм работы вестибулярного аппарата состоит в том, что при различных движениях головой эндолимфа и отолиты перемещаются, от этого раздражаются волосковые клетки полукружных каналов и статоцистных мешочков. Там возникают центростремительные импульсы, которые по вестибулярному нерву передаются в продолговатый мозг, а затем в мозжечок, средний мозг, промежуточный мозг и височные доли больших полушарий мозга.

Полукружные каналы, в свою очередь, раздражаются в начале и в конце вращательных движений головы. Статоцистные мешочки, в свою очередь, воспринимают начало и конец равномерного прямолинейного движения, прямолинейное ускорение и замедление, изменение силы тяжести и центробежной силы, тряску, качку – они в основном регулируют позу.

К сожалению, бывают такие случаи, когда вестибулярный аппарат обладает высокой чувствительностью, как следствие, в случае длительных вестибулярных воздействий отмечается так называемое укачивание, связанное с ухудшением самочувствия и вегетативными расстройствами, совокупность которых называют морской болезнью.

Отметим, что возбудимость вестибулярного аппарата человека проявляется с самого дня появления на свет, а его функции тренируются при ритмической стимуляции (укачивании и ношении на руках).

Самым простым советом улучшения работы вестибулярного аппарата является ведение здорового образа жизни. Хорошей новостью является то, что многие упражнения можно выполнять в домашних условиях. Например, в качестве тренировки рекомендуют удержание различных предметов на голове, ходьба по бордюру или задом наперед. Далее, если человек успешно справляется с этими задачами, можно приступать к систематическим занятиям по тренировке вестибулярного аппарата.

В наши дни существует множество способов тренировать координацию движений: можно заниматься с тренажерами, качелями, креслом-качалкой, а также в оборудованном гимнастическом зале.

Нижеперечисленные упражнения лучше всего выполнять ежедневно по 10-15 минут, чтобы достичь систематического подхода:

• Наклонить голову вниз и выдохнуть, поднять голову вверх и вдохнуть.
• Поворачивать голову вправо-влево 10-15 раз.
• Наклонить голову к левому плечу, принять исходное положение, наклонить голову к правому плечу 10-15 раз.
• Совершать круговые движения головой слева направо и справа налево.

Опуская голову — выдыхать, поднимая — вдыхать.

Важно отметить, что есть такие советы:

1. Упражнения нужно выполнять всегда в спокойном темпе, не допускаются резкие движения.

2. Дышать следует через нос, при этом дыхание обязательно должно быть глубоким.

3. Ключевым фактором успеха является постоянство в тренировках, контроль за дыханием и по возможности свежий воздух. Если занятия проводятся в здании, оно должно быть хорошо проветриваемым [3, c. 147].

Через какое-то время, с целью усложнить задачи, упражнения можно начать выполнять с закрытыми глазами.

В большинстве видов спорта, например, в боевых искусствах, требуется хорошо развитый вестибулярный аппарат. Следующие упражнения для преодоления головокружения отличаются по сложности от начального уровня и рекомендованы спортсменам при отсутствии противопоказаний:

• Сделать несколько кувырков, встать и попробовать справиться с головокружением, выбрав определённую точку в пространстве и сконцентрировавшись на ней. Не следует злоупотреблять упражнением до тошноты. Количество кувырков в подходе следует постепенно увеличивать.
• Поднять голову вверх и вытянуть руку с указательным пальцем, на котором при кружении нужно сфокусироваться. Начать кружение вокруг своей оси. Данное упражнение — на время. Через 30 секунд следует выполнить такую задачу: остановиться и справиться с головокружением.

Данная спортивная тренировка поможет в достижении устойчивости, совершении быстрых перемещений, способности легкого восстановления от пропущенных ударов при борьбе.

Таким образом, крепкий вестибулярный аппарат делает жизнь человека более качественной. Людям же со слабым вестибулярным аппаратом противопоказаны поездки на автобусах, самолётах, кораблях в целях избегания головокружения и укачивания. Как бы ни было сложно, с данной проблемой вполне реально бороться. Для поддержания здоровья таких людей в данной статье мы привели основные методы оздоровления человека путём выполнения упражнений, от самых простых до довольно сложных.

Заключение

У рыб совмещен орган слуха и равновесия. Находится этот орган в задней части черепной коробки и представляет из себя лабиринт. Это так называемое внутренне ухо: внешних слуховых отверстий, ушной раковины и улитки у рыб нет.

Орган равновесия, достигший высокого развития у рыб (по три полукружных канала с каждой стороны), в дальнейшей эволюции мало изменяется: внутреннее устройство каналов и рецепторов, их расположение почти такое же, как у человека. Однако следует отметить, что нейроэпителий внутреннего уха у низших позвоночных не дифференцирован на слуховой и вестибулярный. Выход животных из водных сред обитания на су шу привел к усложнению центров головного мозга, осуществляющих центральный анализ и оказывающих произвольное управляющее воздействие на положение тела в пространстве.

Механизм работы вестибулярного аппарата очень сложный, он представляет собой небольшой орган во внутреннем ухе, который обеспечивает нас чувством равновесия. Этот механизм отслеживает изменения положения головы и тела, отправляя сигналы в мозг – «верх», «низ» наклон». Именно он отвечает за координацию таких процессов, как бег, ходьба, прыжки.

Вестибулярный аппарат есть у многих животных, например, у кошек, который является более развитым, чем у человека. К примеру, у черепах он менее развитый. Однако наш вестибулярный аппарат существенно отличается: он тоньше всех прочих, так как он синхронизирует одновременную работу сотни мышц и связок, чтобы обеспечить сбалансированное перемещение тела на двух точках опоры. Вопрос о происхождении вестибулярного аппарата млекопитающих у ученых пока нет единого ответа.

Список использованных источников

1. Виноградова, О. Л. Гравитационный фактор как основа эволюционного приспособления животных организмов к деятельности в наземных условиях / О. Л. Виноградова, Е. С. Томиловская, И. Б. Козловская // Авиакосмическая и экологическая медицина. – 2020. – Т. 54. – № 6. – С. 5-26.
2. Винарская, Е. Н. Cистемный анализ развития вестибулярного аппарата в процессе становления статической позой активности в онтогенезе / Е. Н. Винарская, Г. И. Фирсов // Системный анализ в медицине: Материалы XIII международной научной конференции, Благовещенск, 26–27 сентября 2019 года. – Благовещенск: Дальневосточный научный центр физиологии и патологии дыхания, 2019. – С. 110-113.
3. Дробот, В. Е. Влияние вестибулярного аппарата на точность действия / В. Е. Дробот, Н. П. Коско, Т. А. Косова // Научные труды Дальрыбвтуза. – 2019. – № 21. – С. 147-148.
4. Савельев, С. В. Нейробиологические закономерности происхождения наземных позвоночных / С. В. Савельев // Журнал общей биологии. – 2008. – Т. 69. – № 2. – С. 118-129.
5. Соколов, Ю. А. Эволюция знаний о физиологии вестибулярного аппарата и экспертизе статокинетической устойчивости летного состава сообщение 2 / Ю. А. Соколов, А. П. Пантюхов // Военная медицина. – 2010. – № 1(14). – С. 126-128.
6. Степукова, А. С. Современные взгляды на асимметрию вестибулярного аппарата / А. С. Степукова // Тезисы докладов научной конференции студентов и молодых ученых вузов Южного федерального округа: Материалы конференции, Краснодар, 01 декабря 2012 года – 31 2013 года / редакционная коллегия Г. Д. Алексанянц, А. И. Погребной, Л. И. Просоедова. Том Часть 2. – Краснодар: Кубанский государственный университет физической культуры, спорта и туризма, 2018. – С. 108.
7. Солнцева, Г. Н. Адаптивные особенности периферического отдела слуховой системы млекопитающих в онтогенезе / Г. Н. Солнцева // Труды ВНИРО. – 2017. – Т. 168. – С. 80-104.