Vzdušný dinosaurus Telepolis
Novšie poznatky o dýchacích orgánoch dinosaurov, ktoré umožňovali vysoko efektívne dýchanie
V diele „Ostrov predchádzajúceho dňa“ Umberto Eco hovoril o „Moby Dickovi“: Pokiaľ by bolo správne a spravodlivé, aby Herman Melville zahrnul do románu celú kapitolu o veľrybách a aby šikovne vysvetlil cetológiu, chcel Eco aj kapitolu o systematike Mať papagája vo svojom vlastnom románe - čo sa mu aj podarilo. Tesne pred Novým rokom by sme mali mať iba smrteľníci možnosť ponúknuť čitateľom kapitolu o dinosauroch.
Dinosaury vždy fascinovali vedcov i širokú verejnosť. Každý rok sú objavené nové fosílie, ktoré pridávajú ďalšie kúsky skladačky k celkovému obrazu týchto živých tvorov. Pernaté dinosaury, ešte väčšie a mohutnejšie zvieratá a ešte skôr príbuzní vtákov sú pravidelne objavovaní na všetkých kontinentoch vrátane Antarktídy.
Až v poslednom desaťročí sa otvorila vzrušujúca oblasť výskumu dýchacích orgánov dinosaurov: reč je o vzdušných vakoch, orgánoch, ktoré pomáhajú určovať dýchanie vtákov a zároveň im veľmi uľahčujú lietanie. Ukazuje sa, že dinosaury mali také pneumatické konštrukcie vo svojich telách, vďaka čomu boli ľahšie, ale čo je najdôležitejšie, dýchali efektívnejšie. Dinosaury čerpajú zo vzduchu oveľa viac kyslíka, ako dokážu cicavce vyťažiť (merané na jednotku plochy pľúc). Spolu s ich potomkami, vtákmi, to boli najúčinnejšie živočíšne elektrárne, aké kedy príroda vyrobila.
Atmosférický kyslík
Kyslík sa stal tak dôležitým pre dýchanie, pretože reaguje rýchlo s mnohými ďalšími prvkami a uvoľňuje pri tom veľa energie. Atmosférický kyslík bol na začiatku vývoja Zeme ťažko dostupný. Po vzniku života a fotosyntéze rastlín a rias sa však množstvo kyslíka v atmosfére postupne zvyšovalo: produkovalo sa ho stále viac a viac, zatiaľ čo oceány absorbovali značné koncentrácie uhlíka, ktoré by inak kyslík okamžite viazali.
V priebehu miliónov rokov preto percento kyslíka v atmosfére dôsledne vyplývalo z podmienok života na zemi. Ak sa zalesnené oblasti zmenšili v dôsledku geologických javov alebo tektonických procesov, poklesol aj podiel kyslíka v atmosfére. Naproti tomu podiel kyslíka stúpal v epochách, v ktorých explodovala vegetácia na Zemi. Dnes dýchame atmosféru s 21% kyslíka. Existovali však geologické epochy, v ktorých tento podiel klesol na 10% a iné, kde sa tento podiel zvýšil až o 30%.
Obrázok 1 zobrazuje krivku postulovanej koncentrácie kyslíka v zemskej atmosfére za posledných 600 miliónov rokov. Aj keď medzné chyby pre každú epochu nie sú zanedbateľné, v triase (asi pred 250 miliónmi rokov) môžete stále vidieť zreteľný pokles obsahu kyslíka, ktorý sa potom v jure pomaly kompenzoval. To je vek dinosaurov.
Nikto nepoukázal na vzťah medzi morfológiou zvierat, dýchaním a kyslíkom v atmosfére efektívnejšie ako Peter Ward vo svojej práci „Out of Thin Air“ (2006), z ktorej je prevzatý Obr. Kniha sa niekedy javí ako rozsiahle monokauzálne vysvetlenie života na zemi, ale je cenná pre svoje ostré výroky, ktoré potom môžu byť sfalšované s paleontologickými nálezmi.
Wardova téza je jednoduchá: predok dinosaura vyvinul efektívne dýchanie pred viac ako 250 miliónmi rokov. Namiesto vdychovania vzduchu do pľúc (slepá ulička) a následného výdychu ako u cicavcov (strácať polovicu času dostupného na príjem kyslíka) mohol vzduch prúdiť cez priedušky dinosaurov bez prerušenia a iba v jednom smere, ako v dnešné vtáky. To znamená, že zo vzduchu sa extrahuje viac kyslíka za jednotku času a jednotku oblasti pľúc. Vtáky môžu napríklad lietať nad Alpami alebo dokonca nad Himalájami v nadmorských výškach, v ktorých by cicavce okamžite stratili vedomie.
Toto prispôsobenie nízkej koncentrácii kyslíka v triase a jure dalo dinosaurom kontrolu nad Zemou. Menej efektívne a pomalšie zvieratá zmizli. V čase dinosaurov mohli cicavce obsadzovať iba niekoľko ekologických výklenkov - boli nočné a obmedzených rozmerov.
Na takýto výkon vtáky používajú vzdušné vaky, ktoré sú rozmiestnené po tele. Pri vdychovaní prúdi vzduch pľúcami, ale plní aj vzduchové vaky v prednej a zadnej časti tela. Pri výdychu sa vzduchové vaky, ktoré fungujú ako vlnovce, vypustia a vzduch naďalej prúdi cez priedušky a von. Priedušky sú tak neustále zásobované čerstvým vzduchom. Obrázok 2 zobrazuje, ako toto „preplňovanie“ funguje u vtákov prostredníctvom spolupráce predných a zadných vzduchových vakov.
Ako cicavec si človek prial mať taký efektívny dýchací systém, pretože vzdušné vaky umožňujú:
- S takýmito dýchacími orgánmi mali dinosaury viac energie a výdrže ako iné zvieratá. Zatiaľ čo niektorí z dnešných malých plazov nemôžu behať a dýchať súčasne, dinosaury mali pri prenasledovaní dlhší dych.
- Vzduchové vaky zväčšujú povrch tela, ktorý môžu zvieratá použiť na rýchlejšie ochladenie. To by bolo pre dinosaurov s ich mohutnými telami veľmi dôležité. Celá vec navyše funguje úplne automaticky: Viac úsilia generuje väčší tok kyslíka, a tým aj väčšiu chladiacu kapacitu.
- Vzduchové vaky vedú k ľahšiemu telu. Ak zviera váži niekoľko ton, každý dutý priestor pomáha pri chudnutí. Zdá sa, že dinosaury a vtáky túto „pneumatickosť“ dotiahli do extrému.
Dinosaurov preto bolo možné považovať za agilné elektrárne. Boli tiež ľahké, pretože boli jednoduché a jednoducho nafúknuté. Pomocou Theropody sa ich vzpriamenou chôdzou oddelili pľúca tiež od svalových pohybov nôh.
Pneumatika
Dôležitosť vzdušných vakov pri znižovaní hmotnosti dinosaurov nie je vlastne nič nové. Už na začiatku 20. storočia bolo na základe štúdií o chrbtici dinosaurov podozrenie na existenciu vzdušných vakov.
Vzduchové vaky by si nemali u vtákov predstavovať iba okrúhle vrecká, ale ako štruktúru s mnohými dlhými procesmi (nazývanými divertikuly), ktoré prenikajú do kostí. Materiál z kostí sa jednoducho nahradí „vzduchovým vankúšom“. Vďaka tomu sú kosti ľahšie bez väčších štrukturálnych strát (niektoré vtáčie kosti sú tiež z veľkej časti duté a majú vnútornú štruktúru s rôznymi priečnymi nosníkmi, ako napríklad v žeriavoch).
Obrázok 3 zobrazuje porovnanie moderného vtáka s Theropodou. V zadnej a prednej časti sú vzduchové vaky, ktoré pomáhajú zefektívniť dýchanie a prenikaním do kostí uľahčujú krk a chrbticu.
V roku 2008 došlo k senzácii pri prvom podrobnom popise Aerosteon riocoloradensis, ktorý bol objavený v Argentíne v roku 1996.1 Ako už názov napovedá, Aerosteon bol preniknutý vzdušnými vakmi. V kľúčnej kosti, hrudníku, zadnej panvovej oblasti a bruchu boli vzdušné vaky. Dôležitosť vzduchových vankúšov ako štruktúrneho materiálu v stavbe tela dinosaurov bola opäť v centre morfologických analýz.
Takéto komparatívne štúdie podnietila aj dizertačná práca, ktorá sa objavila v rovnakom čase. V roku 2007 predložil Matthew Wedel dizertačnú prácu o pneumatike dinosaurov. Práca popisuje dutiny v kostiach dinosaurov, ktoré sú prekvapivo podobné dutinám v kostiach vtákov. Vieme, že u vtákov do týchto dutín prenikajú divertikuly vzdušných vakov a je možné nimi naplniť pomerne veľký objem (aby sa to dokázalo, museli kačice veriť dva roky vopred, ktorých vzdušné vaky boli naplnené tekutým latexom a pripravené)
Wedel ukázal, že predné a zadné vertebrálne stĺpy vtákov sú prepichnuté prednými a zadnými vzduchovými vakmi. Stredná chrbtica je však preniknutá až na konci vývoja vtáka. Niekedy sa vývoj zastaví predčasne a stredná chrbtica zostáva ako pevné kosti. Wedel dokázal určiť presne to isté vo fosíliách dinosaurov, čím preukázal paralelný vývoj s vtákmi.
Obr. 4 je v tejto súvislosti veľmi ilustratívny. Ukazuje chrbticu dinosaura s dlhým hrdlom (ako je možné obdivovať v berlínskom prírodovednom múzeu) .3 Vzduchové vaky sú označené modrou farbou a ako vidíte, veľká časť priestoru v hrdle tohto dinosaura bola naplnená vzduchom. Niektorí vedci si preto myslia, že vzdušné vaky priniesli dinosaurom úsporu hmotnosti až 20%.
Nie všetci dinosaury vyvinuli vzdušné vaky. Takzvaní panvové dinosaury to nemali nijaké využitie. Vznikli, keď sa obsah kyslíka v atmosfére už opäť zvýšil - podľa hypotézy Petera Warda. Pterosaury, naopak, lietajúce dinosaury, mali vzdušné vaky a používali ich na dýchanie aj na chudnutie.
Je však prekvapujúce, že jednosmerné dýchanie bolo v roku 2010 objavené aj u krokodílov. Krokodíly nemajú žiadne vzduchové vaky, a preto sa ich inhalácia a výdych dlho neštudovali. Pri vyšetrovaní mŕtvych tiel sa však zistilo, že krokodíly, podobne ako vtáky, môžu vdychovať vzduch jedným kanálom a vydychovať druhým kanálom.4 To by znamenalo, že takzvaní archosauri už vymysleli jednosmerné dýchanie a že dinosaury mali na túto inováciu iba vzduchové vaky. prispel.
Nedávno však bolo objavených viac plazov, ktoré praktizujú aj jednosmerné dýchanie, ktoré pomaly zvyšuje počet známych druhov s touto vlastnosťou. Nedávno sa ukázalo, že aj pomalí komodskí draci môžu dýchať jednosmerne, čo znamená, že čas, kedy vznikla táto forma absorpcie kyslíka, sa posunul pred 270 miliónmi rokov
Jeden však zatiaľ nemá úplnú istotu pri vyšetrovaní dinosaurov. Merania obsahu kyslíka v atmosfére v praveku sa môžu vykonávať iba nepriamo (napr. Pomocou minerálov prítomných v rôznych vrstvách Zeme). Iné typy meraní niekedy vedú k výsledkom, ktoré trochu relativizujú veľké výkyvy obsahu kyslíka v atmosfére, napríklad ak sa použijú chemické vlastnosti jantáru.6 Potom by už nebolo také jasné, že dinosaury boli nútené zavádzať alebo blokovať jednosmerné dýchanie vylepšiť. Bola by to skôr náhoda. Paleontológovia však odporujú teoretickému vákuu.
Vzduch ako konštrukčný materiál
Príklad vtákov a dinosaurov ukazuje, že vzduch môže v pneumatike hrať úlohu aj v biológii ako štrukturálny materiál. Hydraulické pohony (ak sa dá hovoriť o biologických veciach) sú dobre známe a nemusím uvádzať nijaké špeciálne príklady. Alebo možno len jedna vec, nie to, čo by čitateľ mohol mať na mysli: pavúky si natiahnu nohy pomocou hydraulického tlaku. Zatiaľ čo svaly môžu nohy sťahovať, opačný pohyb sa vytvára tlakom na tekutinu v nohách pavúka.
Pneumatika však môže tiež niečo dokázať. Napríklad pre dlhý krk Diplodocus boli veľmi dôležité úspory hmotnosti (krk mohol byť dlhý až 15 metrov). V laboratóriu boli vyrobené umelé modely stavcov krku s použitím vzduchových hadičiek. Ukázalo sa, že šľachy môžu nielen pohybovať krkom a držať ho vo zvislej polohe, ale že zo vzduchových vakov môže pomôcť aj stlačený vzduch. Hustotu krku Diplodocus mohli vzdušné vaky znížiť na menej ako 500 g na liter. Dinosaury sa jednoducho nemohli ponoriť do vody.
Vzduch v dutinách hrá hlavnú úlohu nielen v biológii, ale aj v technológiách. Ako ukazuje príklad dinosaurov, pneumatické prvky môžu vykonávať štrukturálne úlohy. Napríklad v automatizačnej technike sa už dlho používajú pohony na stlačený vzduch. Veľké sily vyvíjajú aj zdvíhacie vankúše, ktoré pracujú so stlačeným vzduchom. Baseballový štadión v Tokiu bol úplne zakrytý obálkou vyrobenou z prvkov stlačeného vzduchu. V mnohých mestách sú tenisové haly, ktoré pozostávajú iba zo stanu na stlačený vzduch. Vzduch je skutočne vynikajúci a znovu a znovu podceňovaný „stavebný materiál“.
A aj keď tu načrtnutý výskum dinosaurov ponecháva nezodpovedaných viac otázok, ako môže zodpovedať, pokiaľ ide o vývoj vzduchových vreciek, možno opäť odkázať na Melvilla, ktorý v kapitole o cetológii „Moby Dick“ poznamenal: Malé projekty sa rýchlo ukončia; dokončenie skutočne skvelých projektov, ako je napríklad kolínska katedrála, sa však môže bezpečne nechať na budúcich generáciách.
Viac fosílií a lepšie techniky merania časom poskytnú odpovede na všetky otázky, ktoré sa tu kladú.