Vertebrates comparative anatomy, function, evolution

Halftitle......Page 2
Title......Page 3
Copyright......Page 4
Dedication......Page 6
Brief Contents......Page 7
Contents......Page 9
Preface......Page 32
Chapter one: Introduction......Page 50
Comparative Vertebrate Morphology......Page 53
Designs of Students......Page 56
Vertebrate Design—Form and Function......Page 57
Grand Design......Page 61
Historical Predecessors—Evolution......Page 63
The Process behind the Change......Page 64
Linnaeus......Page 66
Naturalists......Page 68
J-B. de Lamarck......Page 69
Upward to Perfection......Page 72
Natural Selection......Page 75
A. R. Wallace......Page 76
Charles Darwin......Page 79
Critics and Controversy......Page 82
Historical Predecessors—Morphology......Page 85
Georges Cuvier......Page 87
Richard Owen......Page 89
Why Are There No Flying Elephants?......Page 95
Morphological Concepts......Page 97
Similarities......Page 98
Symmetry......Page 101
Segmentation......Page 102
Evolutionary Morphology......Page 108
Function and Biological Role......Page 109
Preadaptation......Page 111
Evolution as Remodeling......Page 114
Phylogeny......Page 115
Of Bean Stalks and Bushes......Page 116
Simplification......Page 120
Patterns of Phylogeny......Page 122
Grades and Clades......Page 124
Paleontology......Page 134
Fossilization and Fossils......Page 136
Recovery and Restoration......Page 142
From Animal to Fossil......Page 149
Stratigraphy......Page 151
Index Fossils......Page 153
Radiometric Dating......Page 154
Geological Ages......Page 156
Tools of the Trade......Page 163
The Question......Page 164
The Function......Page 165
The Biological Role......Page 171
Overview......Page 177
Chapter two: Origin of Chordates......Page 179
Chordate Phylogeny......Page 181
Chordate Characteristics......Page 186
Notochord......Page 188
Pharyngeal Slits......Page 191
Endostyle or Thyroid Gland......Page 194
Dorsal and Tubular Nerve Cord......Page 195
Postanal Tail......Page 196
Chordate Body Plan......Page 197
Protochordates......Page 198
General Protochordate Features......Page 201
Hemichordata......Page 203
Enteropneusta—“Acorn Worms”......Page 204
Pterobranchia......Page 211
Hemichordate Phylogenetic Affinities to Chordates......Page 212
Hemichordate Phylogenetic Affinities to Echinoderms......Page 213
Cephalochordata......Page 215
Urochordata......Page 226
Ascidiacea—“Sea Squirts”......Page 228
Larvacea (Appendicularia)......Page 234
Thaliacea......Page 239
Overview of Protochordates......Page 241
Chordate Origins......Page 243
Chordates from Annelids and Arthropods......Page 245
Auricularian Hypothesis......Page 248
Larval Echinoderm to Chordate Tadpole......Page 250
Chordate Origins and Phylogeny......Page 252
Dorsoventral Inversion......Page 253
Overview......Page 259
Chapter three: The Vertebrate Story......Page 261
Introduction......Page 264
Vertebral Column......Page 266
Cranium......Page 267
Origin of Vertebrates......Page 269
Step 1: Prevertebrate......Page 270
Step 3: Gnathostome......Page 272
Vertebrate Classification......Page 274
Agnathans......Page 275
Myxinoidea......Page 276
Petromyzontiformes......Page 280
Early Vertebrate Fossils......Page 282
Conodonts......Page 283
Ostracoderms......Page 285
Pteraspidomorphi......Page 290
Other Ostracoderms (Osteostracans, Anaspids, Thelodonts)......Page 291
Overview of Agnathan Evolution......Page 293
Gnathostomes......Page 294
Placodermi......Page 296
Chondrichthyes......Page 299
Elasmobranchii—Sharks and Rays......Page 301
Holocephali—Chimaeras......Page 303
Teleostomi......Page 304
Acanthodii......Page 305
Osteichthyes......Page 307
Actinopterygii......Page 308
Sarcopterygii......Page 313
Overview of Fish Phylogeny......Page 320
Tetrapods......Page 321
Labyrinthodonts......Page 324
Lissamphibia—Modern Amphibians......Page 328
Salientia (Anura)–Frogs......Page 330
Gymnophiona (Apoda)–Caecilians......Page 331
Lepospondyls......Page 332
Amniotes......Page 334
Stem-Amniotes......Page 338
Reptilia......Page 339
Pelycosauria......Page 361
Therapsida......Page 362
Mammalia......Page 365
Overview......Page 376
Chapter four: Biological Design......Page 377
Introduction: Size and Shape......Page 379
Size......Page 382
Relationships Among Length, Area, and Volume......Page 383
Surface Area......Page 390
Volume and Mass......Page 392
Shape......Page 394
Allometry......Page 395
Transformation Grids......Page 397
On the Consequences of Being the Right Size......Page 403
Biomechanics......Page 405
Units......Page 408
Derived Quantities—Velocity, Acceleration, Force, and Relatives......Page 410
Reference Systems......Page 411
Center of Mass......Page 412
Vectors......Page 413
Basic Force Laws......Page 414
Free Bodies and Forces......Page 416
Torques and Levers......Page 418
Life in Fluids......Page 424
Machines......Page 433
Strength of Materials......Page 436
Biological Design and Biological Failure......Page 438
Tissue Response to Mechanical Stress......Page 443
Responsiveness of Bone......Page 445
Biophysics and Other Physical Processes......Page 455
Pressures and Partial Pressures......Page 456
Countercurrent, Concurrent, and Crosscurrent Exchange......Page 457
Depth Perception......Page 461
Accommodation......Page 462
Overview......Page 465
Chapter five: Life History......Page 467
Introduction......Page 470
Early Embryology......Page 473
Fertilization......Page 474
Amphioxus......Page 477
Fishes......Page 478
Reptiles and Birds......Page 479
Mammals......Page 480
Overview of Cleavage......Page 483
Gastrulation and Neurulation......Page 485
Amphioxus......Page 489
Fishes......Page 490
Amphibians......Page 493
Reptiles and Birds......Page 494
Mammals......Page 498
Organogenesis......Page 506
Histogenesis......Page 508
Epithelium......Page 510
Covering and Lining Epithelium......Page 512
Glandular Epithelium......Page 513
Connective Tissues......Page 515
General Connective Tissues......Page 516
Special Connective Tissues......Page 517
Bone Development and Growth......Page 522
Endochondral Bone Development......Page 523
Intramembranous Bone Development......Page 525
Comparative Bone Histology......Page 529
Bone Remodeling and Repair......Page 530
Joints......Page 532
Neural Crest and Ectodermal Placodes......Page 537
Extraembryonic Membranes......Page 541
Reptiles and Birds......Page 542
Mammals......Page 544
Eutherian Placenta......Page 545
Other Placentae......Page 547
Overview of Early Embryonic Development......Page 549
Development of the Coelom and Its Compartments......Page 555
Maturation......Page 560
Metamorphosis......Page 561
Heterochrony......Page 564
Paedomorphosis......Page 565
Ontogeny and Phylogeny......Page 570
Biogenetic Law......Page 571
Von Baer’s Law......Page 573
Overview of the Biogenetic Laws......Page 575
Egg to Adult......Page 578
Shaping Up: Positions and Parts......Page 579
Evolutionary Significance......Page 580
Induction......Page 583
Phylogeny......Page 585
Overview......Page 593
Chapter six: Integument......Page 596
Embryonic Origin......Page 600
General Features of the Integument......Page 602
Dermis......Page 603
Epidermis......Page 607
Phylogeny......Page 609
Integument of Fishes......Page 610
Primitive Fishes......Page 612
Chondrichthyes......Page 613
Bony Fishes......Page 615
Amphibians......Page 618
Reptiles......Page 621
Birds......Page 623
Mammals......Page 636
Specializations of the Integument......Page 649
Nails, Claws, Hooves......Page 650
Horns and Antlers......Page 653
Baleen......Page 657
Scales......Page 659
Dermal Armor......Page 660
Mucus......Page 663
Color......Page 664
Overview......Page 667
Chapter seven: Skeletal System: The Skull......Page 672
Introduction......Page 676
Chondrocranium......Page 677
Embryology......Page 678
Splanchnocranium......Page 682
Embryology......Page 683
Origin of Jaws......Page 686
Types of Jaw Attachments......Page 691
Dermatocranium......Page 694
Parts of the Dermatocranium......Page 695
Dermal Bone Series......Page 696
Overview of Skull Morphology......Page 698
Braincase......Page 699
Jaws......Page 705
Hyoid Apparatus......Page 706
Cranial Kinesis......Page 707
Phylogeny of the Skull......Page 712
Ostracoderms......Page 713
Cyclostomes......Page 714
Gnathostomes......Page 715
Fishes......Page 716
Early Tetrapods......Page 729
Primitive Amniotes......Page 732
Modern Reptiles......Page 741
Birds......Page 749
Synapsids......Page 752
Overview of Skull Function and Design......Page 772
Feeding in Water......Page 774
Feeding in Air......Page 779
Swallowing......Page 781
Overview......Page 782
Cranial Neural Crest......Page 783
Emergence of Mammals......Page 788
Evolutionary Modifications of Immature Forms: Akinesis in Mammals......Page 791
Composite Skull......Page 793
Chapter eight: Skeletal System: The Axial Skeleton......Page 796
Introduction......Page 798
Basic Components......Page 799
Regions of the Vertebral Column......Page 800
Centra......Page 801
Ribs......Page 808
Sternum......Page 811
Gastralia......Page 813
Embryonic Development......Page 816
Fishes......Page 817
Tetrapods......Page 820
Phylogeny......Page 824
Agnathans......Page 825
Gnathostomes......Page 826
Early Tetrapods......Page 837
Amniotes......Page 844
Form and Function......Page 850
Fluid Environment......Page 851
Terrestrial Environment......Page 854
Direction of the Neural Spine......Page 858
Height of the Neural Spine......Page 860
Regionalization of the Vertebral Column......Page 862
Overview......Page 871
Chapter nine: Skeletal System: The Appendicular Skeleton......Page 878
Introduction......Page 880
Basic Components......Page 881
Fins......Page 882
Limbs......Page 884
Origin of Paired Fins......Page 886
Gill-Arch Theory......Page 890
Fin-Fold Theory......Page 891
Embryonic Development of Tetrapod Limbs......Page 897
Phylogeny......Page 899
Placoderms......Page 900
Chondrichthyans......Page 903
Bony Fishes......Page 905
Pectoral Girdle......Page 911
Pelvic Girdle......Page 916
Manus and Pes......Page 917
Evolution of the Appendicular System......Page 930
Dual Origin of the Pectoral Girdle......Page 931
Adaptive Advantage of Lobe Fins......Page 933
Onto the Land......Page 935
Form and Function......Page 938
Swimming......Page 940
Early Gaits......Page 942
Early Modes of Locomotion......Page 944
Cursorial Locomotion......Page 950
Aerial Locomotion......Page 962
Origin of Bird Flight......Page 981
Fossorial Locomotion......Page 985
Overview......Page 988
Chapter ten: The Muscular System......Page 993
Introduction......Page 995
Muscle Anatomy......Page 996
Skeletal Muscle......Page 997
Smooth Muscle......Page 998
Structure of Skeletal Muscles......Page 1001
Tendons......Page 1004
Molecular Mechanisms of Contraction......Page 1006
Muscle Function......Page 1008
Properties of Muscle Fibers......Page 1009
Whole Muscle Force Generation......Page 1015
Tension-Length Curves for a Whole Muscle......Page 1016
Graded Force......Page 1018
Cross-Sectional Area......Page 1019
Fiber Orientation......Page 1026
Distance of Shortening......Page 1027
Bone–Muscle Lever Systems......Page 1029
Sequencing of Muscle Actions......Page 1035
Overview of Muscle Mechanics......Page 1037
Muscle Actions......Page 1040
Muscle Homologies......Page 1042
Embryonic Origin of Muscles......Page 1045
Muscle Evolution......Page 1048
Axial Musculature......Page 1049
Appendicular Musculature......Page 1057
Jaw and Pharyngeal Musculature......Page 1076
Extrinsic Eye Muscles......Page 1079
Hypobranchial Musculature......Page 1087
Overview......Page 1090
Chapter eleven: The Respiratory System......Page 1093
Introduction......Page 1095
Respiratory Organs......Page 1101
Gills......Page 1102
Swim Bladders......Page 1104
Cutaneous Respiratory Organs......Page 1107
Accessory Air-Breathing Organs......Page 1109
Breathing and Embryos......Page 1111
Ventilatory Mechanisms......Page 1116
Cilia......Page 1117
Water Ventilation: Dual Pump......Page 1118
Air Ventilation: Buccal Pump......Page 1119
Air Ventilation: Aspiration Pump......Page 1124
Phylogeny......Page 1125
Agnathans......Page 1126
Elasmobranchs......Page 1132
Bony Fishes......Page 1135
Gills......Page 1137
Lungs and Swim Bladders......Page 1138
Amphibian Larvae......Page 1144
Amphibian Adults......Page 1149
Reptiles......Page 1152
Ventilation......Page 1158
Gas Exchange......Page 1162
Birds......Page 1163
Form and Function......Page 1169
Patterns of Gas Transfer......Page 1170
Rates of Gas Transfer......Page 1176
Breathing in Water......Page 1179
Breathing in Air......Page 1180
Evolution of Respiratory Organs......Page 1181
Acid-Base Regulation......Page 1182
Muscular Pumps......Page 1186
Air-Breathing Organs......Page 1188
Advantages of Movement to Land......Page 1192
Air-Breathing Mechanisms......Page 1193
Bird Lungs and Air Sacs......Page 1196
Overview......Page 1198
Chapter twelve: The Circulatory System......Page 1202
Introduction......Page 1204
Blood......Page 1205
Arteries, Veins, and Capillaries......Page 1206
Arteries......Page 1208
Hemodynamics of Circulation......Page 1209
Veins......Page 1211
Microcirculation......Page 1213
Single and Double Circulation......Page 1216
Embryonic Development of the Cardiovascular System......Page 1219
Phylogeny of the Cardiovascular System......Page 1222
Arterial Vessels......Page 1229
Venous Vessels......Page 1241
Hearts......Page 1255
Basic Vertebrate Heart......Page 1256
Fishes......Page 1261
Amphibians......Page 1270
Reptiles......Page 1274
Birds and Mammals......Page 1296
Cardiovascular System: Matching Design to Environmental Demands......Page 1298
Accessory Air-Breathing Organs......Page 1301
Diving Birds and Mammals......Page 1302
Heart Flow......Page 1304
Ontogeny of Cardiovascular Function......Page 1305
Fetal Circulation in Placental Mammals......Page 1306
Changes at Birth......Page 1307
Heat Transfer......Page 1312
Lymphatic System......Page 1317
Lymphatic Vessels......Page 1318
Lymphatic Tissue......Page 1322
Form and Function......Page 1323
Overview......Page 1326
Chapter thirteen: The Digestive System......Page 1332
Introduction......Page 1334
Preview......Page 1335
Components of the Digestive System......Page 1337
Boundaries......Page 1338
Palate......Page 1340
Teeth......Page 1341
Tongue......Page 1367
Pharynx......Page 1371
Alimentary Canal......Page 1377
Stomach......Page 1378
Intestines......Page 1382
Specializations of the Alimentary Canal......Page 1387
Fishes......Page 1390
Tetrapods......Page 1394
Oral Glands......Page 1401
Liver......Page 1404
Pancreas......Page 1406
Function and Evolution of the Digestive System......Page 1410
Absorption......Page 1411
Feces......Page 1413
Gizzards......Page 1414
Chemical Breakdown of Food......Page 1416
Foregut Fermentation......Page 1418
Hindgut Fermentation......Page 1424
Foregut versus Hindgut Fermenters......Page 1425
Size and Fermentation......Page 1427
Digesting Toxins......Page 1429
Feeding and Fasting......Page 1431
Overview......Page 1433
Chapter fourteen: The Urogenital System......Page 1437
Introduction......Page 1439
Urinary System......Page 1440
Nephrotome to Nephric Tubules......Page 1441
Tripartite Concept of Kidney Organization......Page 1443
Fishes......Page 1451
Tetrapods......Page 1452
Excretion: Removing the Products of Nitrogen Metabolism......Page 1458
Osmoregulation: Regulating Water and Salt Balance......Page 1461
Origin of Vertebrates......Page 1479
Reproductive System......Page 1482
Structure of the Mammalian Reproductive System......Page 1483
Gonads and Gametes......Page 1484
Reproductive Tracts......Page 1488
Overview......Page 1489
Ovary......Page 1492
Genital Ducts......Page 1493
Oviduct......Page 1498
Uterus......Page 1500
Testis......Page 1504
Genital Ducts......Page 1505
Copulatory Organs......Page 1512
Cloaca......Page 1525
Urinary Bladder......Page 1533
Potency and Fertility......Page 1536
External and Internal Fertilization......Page 1537
Delays in Gestation......Page 1538
Overview......Page 1540
Chapter fifteen: The Endocrine System......Page 1543
Survey of Endocrine Glands......Page 1545
Structure and Phylogeny......Page 1546
Function......Page 1550
Ultimobranchial Body......Page 1555
Parathyroid Gland......Page 1557
Form and Function......Page 1559
Structure and Phylogeny......Page 1561
Function......Page 1566
Function......Page 1569
Structure......Page 1574
Phylogeny......Page 1576
Function......Page 1580
Gonads......Page 1587
Pineal Gland......Page 1588
Gastrointestinal Tract......Page 1591
Kidneys......Page 1593
Endocrine Coordination......Page 1595
Female......Page 1596
Metamorphosis in Frogs......Page 1604
Functional and Structural Linkage......Page 1614
Target Tissue Responses......Page 1615
The Endocrine System and the Environment......Page 1618
Evolution......Page 1619
Overview......Page 1624
Chapter sixteen: The Nervous System......Page 1626
Introduction......Page 1628
Neurons......Page 1629
Transmission of Information......Page 1632
Neurosecretory Cells......Page 1637
Peripheral Nervous System......Page 1638
Spinal Nerves......Page 1641
Cranial Nerves......Page 1644
Evolution......Page 1657
Spinal Reflexes......Page 1659
The Autonomic Nervous System......Page 1665
Central Nervous System......Page 1676
Embryology......Page 1678
Spinal Reflexes......Page 1684
Spinal Tracts......Page 1685
Phylogeny......Page 1689
Form and Function......Page 1693
Functional Associations of Parts of the Central Nervous System......Page 1719
Limbic System......Page 1721
Overview......Page 1727
Chapter seventeen: Sensory Organs......Page 1731
Introduction......Page 1733
Components of a Sensory Organ......Page 1735
General Sensory Organs......Page 1737
Free Sensory Receptors......Page 1738
Encapsulated Sensory Receptors......Page 1739
Proprioception......Page 1740
Mechanisms of Perceiving Stimuli from General Sensory Receptors......Page 1743
Special Sensory Organs......Page 1744
Chemoreceptors......Page 1745
Nasal Passages......Page 1746
Vomeronasal Area......Page 1752
Mouth......Page 1754
Radiation Receptors......Page 1758
Photoreceptors......Page 1763
Infrared Receptors......Page 1787
Mechanoreceptors......Page 1791
Lateral Line System......Page 1792
Vestibular Apparatus......Page 1797
Auditory System......Page 1799
Functions of the Ear......Page 1805
Form and Function......Page 1825
Additional Special Sensory Organs......Page 1832
Overview......Page 1833
Chapter eighteen: Conclusions......Page 1836
Introduction......Page 1838
Approaches—Structure, Function, Environment (Ecology)......Page 1839
The Here and Now......Page 1842
Structural Analysis......Page 1846
Functional Analysis......Page 1849
How Does It Work?......Page 1850
Functional Coupling, Functional Compromise......Page 1854
Multiple Functions......Page 1856
Performance......Page 1859
Ecological Analysis......Page 1860
Evolutionary Analysis......Page 1861
Historical Constraints......Page 1862
Primitive and Advanced......Page 1864
Diversity of Type/Unity of Pattern......Page 1867
Mosaic Evolution......Page 1870
Morphology and Modules......Page 1872
Mode and Tempo of Evolution......Page 1876
Remodeling......Page 1878
Embryonic Changes......Page 1879
Hox Genes......Page 1882
Evolutionary Significance......Page 1883
The Promise of Vertebrate Morphology......Page 1884
Appendix A: Vector Algebra......Page 1885
Appendix B: International Units (SI)......Page 1888
Appendix C: Common Greek and Latin Combining Forms......Page 1892
Appendix D: Classification of Chordates Linnaean......Page 1904
Classification of ChordatesCladistic......Page 1917
Glossary......Page 1920
Index......Page 1986