Читать книгу Dinozaury odkryte na nowo. Jak rewolucja naukowa rewiduje historię - Michael J. Benton - Страница 5

Wprowadzenie

Skąd się biorą odkrycia naukowe?

Odkrycie

Doskonale pamiętam ten dzień – 27 listopada 2008 roku. Zjawił się wtedy u mnie Paddy Orr obsługujący skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) w naszym laboratorium na Uniwersytecie w Bristolu. „Znaleźliśmy w piórach takie regularne organelle. Jak myślisz, co to może być?” – powiedział, wyraźnie zaintrygowany. Poszedłem zobaczyć to jego odkrycie, a potem wspólnie – on, ja i kierownik laboratorium Stuart Kearns – po kolei, jeszcze uważniej, przyglądaliśmy się malutkim, a teraz powiększonym do maksimum, fragmentom tkanki pobranej od upierzonych dinozaurów z Chin. Znajdowały się tam, doskonale widoczne na ekranie, rzędy trochę zdeformowanych kuleczek tkwiących głęboko w tkance, z której zbudowane było pióro. Stuart przesuwał obiektyw, a na ekranie pojawiały się kolejne partie pióra. Gdziekolwiek spojrzeliśmy, widzieliśmy je wszędzie…

Melanosomy! W piórze sprzed 125 milionów lat!

Melanosomy to maleńkie pęcherzyki z melaniną znajdujące się w naskórku, włosach i piórach. Melanina jest z kolei pigmentem nadającym włosom i piórom barwę czarną, brązową, szarą i rudą. Byliśmy pierwszymi badaczami – w każdym razie nikt przed nami o tym nie napisał – którzy zidentyfikowali melanosomy u dinozaurów. Jeśli się nie myliliśmy, to właśnie zdobyliśmy coś niezwykle cennego: źródło informacji na temat ubarwienia dinozaurów. Mogliśmy z niemal całkowitą pewnością powiedzieć, że wiemy, jaki kolor piór miał nasz dinozaur.

Kuliste melanosomy w skamieniałości pióra dinozaura z rodzaju Sinosauropteryx.

Od razu zaczęły nami targać emocje. W pierwszym odruchu chcieliśmy natychmiast poinformować cały świat o naszym odkryciu – zorganizować konferencję prasową, wejść na dach wydziału i głośno krzyczeć! Zarazem jako naukowcy musieliśmy być czujni, ostrożni i cierpliwi – na tym w końcu polega nasza profesja. Wyszlibyśmy na głupków, gdyby się okazało, że nasze brawurowe tezy nie znajdują potwierdzenia przy dokładniejszej weryfikacji. Poza tym była jeszcze cała procedura związana z publikacją wyników badań, poprzedzoną zebraniem recenzji, których autorzy – niezależni od nas koledzy po fachu – skrupulatnie sprawdzają, czy na pewno niczego nie pominęliśmy. Dopiero gdy twoje odkrycie zostanie opublikowane w czasopiśmie naukowym, możesz iść z nim do mediów.

W tej sytuacji udaliśmy się do pubu i przy piwie ustaliliśmy, że musimy zbadać więcej okazów i wykonać więcej pomiarów. Wtedy, w 2008 roku, poruszaliśmy się po grząskim gruncie. Mikroskopijne struktury mogły być melanosomami, tak jak my uważaliśmy, ale krytycy rozerwaliby nas na strzępy, gdybyśmy nie przedstawili większej liczby obserwacji i nie wykluczyli alternatywnych interpretacji.

W ciągu poprzednich trzech dekad opinia na temat tych maleńkich struktur w tkance pióra zmieniała się wielokrotnie – raz uważano, że są to bakterie, innym razem, że artefakty, a potem znów, że melanosomy. Czasami miały wygląd kulisty, jak tutaj, czasami przypominały maleńkie parówki. Mając do czynienia z obiektami o średnicy od jednego do pół mikrona (mikron lub mikrometr to jedna milionowa metra albo jedna tysięczna milimetra), znajdowaliśmy się blisko granicy możliwości SEM. Czy mogły to być jakieś nieorganiczne artefakty, na przykład kryształki jakiegoś minerału, który wniknął do pióra podczas procesu fosylizacji?

Wcześniej tego samego roku Jakob Vinther, doktorant z Danii pracujący na Uniwersytecie Yale, opublikował wyniki ważnych badań wskazujących, że te mikrokulki i „mikroparówki” obecne w sfosylizowanych ptasich piórach występują jedynie w ciemno zabarwionych strefach skamieniałości – a zatem są to melanosomy, a nie bakterie. Przekonująco argumentował, że gdyby to były bakterie, które dostały się do rozkładającego się organizmu, aby pożywić się uwolnionymi minerałami, to powinny się znajdować w całej skamieniałości, zarówno w jej ciemniejszych, jak i jaśniejszych częściach.

Odpowiadał nam ten punkt widzenia. Na tej naprawdę błyskotliwej obserwacji oparliśmy się podczas naszych dalszych analiz, których uczestnikiem był także doktor Fucheng Zhang z Instytutu Paleontologii Kręgowców i Paleoantropologii w Pekinie. W 2005 roku Fucheng przyjechał na staż podoktorski w Bristolu; przywiózł ze sobą skamieniałe pióra dinozaurów i ptaków, które zaczęliśmy badać.

Fragmenty piór pochodziły od sinozauropteryksa – zwinnego dinozaura metrowej długości z długim ogonem i krótkimi kończynami. Z pewnością nie był on lotnikiem, a mimo to na jego skamieniałości w świetnym stanie zachowały się delikatne, podobne do kocich wibrysów, piórka, które wyrastały z grzbietu, a także kępki piór na ogonie. Te melanosomy, które dostrzegliśmy, były czymś w rodzaju zagłębień w białkach keratynowych budujących pióro, do którego w miarę jego wzrostu wnikała melanina. Melanosomy znajdujące się w naszych próbkach wskazywały, że sinozauropteryks był rudy – jego ogon miał białe i rude pasy.

Mieliśmy zatem obiektywny dowód wskazujący na ubarwienie dinozaura. Granice wiedzy zostały przesunięte i objęły nowe terytoria, na których jeszcze tydzień wcześniej królowały spekulacje.

Nauka wypiera spekulacje

Taki właśnie jest główny temat tej opowieści: jak nauka zastąpiła spekulacje w badaniach, których bohaterami są dinozaury. Jeszcze nie tak dawno, gdy padały pytania dotyczące paleobiologii tych gadów, takie w stylu: „Jak szybko ten dinozaur biegał? Czy potrafił rozgryzać na pół kości? Jak był ubarwiony?”, mogliśmy jedynie odwołać się do przypuszczeń, czasami tylko opartych na solidnych podstawach. Dziś jednak na te pytania możemy szukać odpowiedzi, konfrontując je z materiałem dowodowym. To olbrzymi postęp – przejście od spekulacji do dowodów.

Miałem to szczęście, że byłem świadkiem i uczestnikiem tej rewolucji, która wystartowała na początku lat siedemdziesiątych XX wieku wraz z początkiem transformacji paleobiologii dinozaurów. Dzięki niej rozmaite spekulacje na temat ewolucji, sposobu poruszania się, diety, rozwoju osobniczego, rozmnażania, fizjologii i – finalnie – ubarwienia gadów zaczęły być w końcu weryfikowane jedne po drugich. Nowe pokolenie paleobiologów, które zastąpiło poprzednie, spojrzało bardzo krytycznym okiem na stare, zakorzenione spekulacje. Elastyczność i otwartość w myśleniu, nowe skamieniałości i nowe metody obliczeniowe szturmem zdobyły dyscyplinę.

Początki

Moja fascynacja dinozaurami zaczęła się w dzieciństwie, jak w przypadku mnóstwa innych osób. Kiedy miałem siedem lat, dostałem do ręki klasyczną dziś książeczkę Fossils, a Guide to Prehistoric Life, którą napisali Frank Rhodes, Herbert Zim i Paul Shaffer. Pamiętam, co mnie wtedy najbardziej zafascynowało: kolorowe ilustracje – to była rzadkość w latach sześćdziesiątych – oraz to, że poza zdjęciami skamieniałości znajdowały się w niej również rekonstrukcje dinozaurów. Treść książki odpowiadała ówczesnej wiedzy na ich temat – tyranozaur wyglądał tak, jak to wynikało z klasycznych badań, które prowadził profesor Henry Osborn z Amerykańskiego Muzeum Historii Naturalnej. W tamtym czasie uważano, że dinozaury wymierały nieśpiesznie, być może w wyniku powolnego ochładzania się klimatu (a może dlatego, że były zbyt głupie, żeby nadążyć za zmieniającym się światem). Idee takie krzewił profesor Leigh Van Valen z Uniwersytetu Chicagowskiego.

Twierdzenia były jasne i niepodlegające dyskusji, choć jedyne argumenty, które nakazywały zaakceptowanie lub odrzucenie jakiegoś wyjaśnienia, związane były z tym, że dany pogląd wygłaszał poważny profesor z poważnej uczelni (czasem ważnym atrybutem była broda nadająca uczonemu poważny wygląd).

Jednak siedmiolatkowi nie trzeba było więcej. Nigdy nie przyszło mi do głowy, aby zwątpić choćby w jedno zdanie napisane w książce, szczególnie że znajdujące się w niej informacje były powszechnie powtarzane. Zresztą cóż takiego mogli zrobić profesorowie Osborn i Van Valen, aby zweryfikować metodami naukowymi wygląd tyranozaura lub też przyczynę wymarcia dinozaurów? Zwierząt tych już od dawna nie było na Ziemi. Pozostały po nich szkielety i pojedyncze kości. Wyginęły przed 66 milionami lat. Czy żyjący w XX wieku badacz mógł w ogóle mieć nadzieję, że kiedykolwiek uda mu się przeprowadzić prawdziwe naukowe śledztwo w tej sprawie?

Czym jest nauka?

Na pytanie to odpowiedział w szczególny sposób sir Ernest Rutherford – fizyk urodzony w Nowej Zelandii, który podczas pobytu na Uniwersytecie Cambridge zyskał sławę dzięki badaniom nad czasem połowicznego rozpadu pierwiastków promieniotwórczych. W roku 1920 powiedział, że „nauka to fizyka, a reszta jest zbieraniem znaczków”. Wielu upartych fizyków nadal tak uważa. Rutherford był zdania, że duża część chemii, biologii, geologii oraz nauk stosowanych, takich jak medycyna czy rolnictwo, nie ma nic wspólnego z nauką.

Rutherford – jestem tego pewien – wszystkie dyscypliny naukowe podzielił na „silne” i „słabe”. Do silnych zaliczał jedynie matematykę i fizykę, ponieważ ich podstawą jest eksperyment, który można powtarzać w nieskończoność, uzyskując za każdym razem ten sam wynik. To te dziedziny nauki, w których teoria składa się z równań dowodzących istnienia uniwersalnych praw przyrody, takich jak grawitacja czy elektromagnetyczna teoria światła. Na drugim końcu są tak zwane nauki miękkie, takie jak socjologia, ekonomia czy psychologia.

Sądzę, że Rutherford, wygłaszając swoją opinię, miał na myśli również olbrzymie zainteresowanie przyrodą w czasach wiktoriańskich niezliczonych poszukiwaczy skamieniałości, kolekcjonerów muszli i botaników amatorów, którzy w każdy weekend wyruszali w plener po nowe okazy. Zgoda, zbieranie roślin lub podglądanie ptaków wyłącznie dla przyjemności i własnej satysfakcji („Widziałem wszystkie przedstawione w atlasie!”) nie jest nauką. Lecz co w przypadku gdy dzięki takim obserwacjom uda się odkryć nowy rzadki gatunek motyla? Nauka z pewnością na tym nie ucierpi.

A jak potraktować dyscypliny, których przedmiotem zainteresowania jest przeszłość globu – geologię i paleontologię? Zajmują się one mniej lub bardziej odległymi w czasie wydarzeniami, na przykład powstaniem Ziemi, „eksplozją kambryjską”, kiedy nagle w zapisie skamieniałości pojawia się mnóstwo nowych organizmów, dalej – pochodzeniem dinozaurów lub genezą rodzaju ludzkiego. Wszystko to były zdarzenia jedyne w swoim rodzaju, niepowtarzalne. Na dodatek nie dysponujemy wehikułem czasu, dzięki któremu moglibyśmy na własne oczy zobaczyć to, co się działo dawno temu.

Przeszłością zajmują się też inne nauki, w tym rzecz jasna archeologia, a także geografia fizyczna (historia klimatów i krajobrazów). W tej grupie częściowo mieszczą się także astronomia i kosmologia, które zajmują się powstaniem i rozwojem Wszechświata, oraz w dużym stopniu biologia, której przedmiotem zainteresowania jest ewolucja i funkcjonowanie różnych grup roślin i zwierząt, ich cechy genetyczne, ekologia i zachowania, w tym unikatowe przystosowania.

Sir Ernest Rutherford, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki i człowiek z bardzo zdecydowanymi poglądami na temat tego, co jest (i co nie jest) nauką.

Odpowiedzi udzielił wielki filozof nauki Karl Popper w swojej książce Logika odkrycia naukowego wydanej w 1934 roku. Dowodził w niej, że liczba hipotez formułowanych w ramach nauki może być dowolna, ale wszystkie muszą spełniać jeden warunek: muszą być otwarte na zweryfikowanie ich prawdziwości za pomocą „metody hipotetyczno-dedukcyjnej”. Hipotezy mogą być jedynie falsyfikowane, nigdy – udowodnione. Jeśli zatem jakiś profesor oznajmia: „Moja hipoteza mówi, że tyranozaur był fioletowy i miał żółte cętki”, w rzeczywistości nie jest to żadna hipoteza, ponieważ równocześnie uczony nie przedstawił faktów, których prawdziwość lub fałszywość można zweryfikować; to jedynie jego przekonanie. (Zwróćcie uwagę, że kiedy powiedzieliśmy, że sinozauropteryks był rudy i miał ogon w rude i białe paski, postępowaliśmy zgodnie z metodą naukową, a więc w taki sposób, że inny naukowiec mógł podważyć nasze ustalenia, twierdząc, że nie znalazł melanosomów).

Popper uważał, że każdy kolejny argument na poparcie hipotezy wzmacnia ją, ale nawet jeśli jej fundamenty są bardzo mocne, to wystarczy jeden fakt, by ją podważyć. Posłużył się przykładem z łabędziem, którego biały kolor dawniej wyjaśniano – czyli formułowano hipotezę – w ten sposób, że jest to adaptacja biologiczna, dzięki której ptak jest słabo widoczny na tle białego śniegu. Jednak odkrycie czarnych łabędzi, na przykład w Australii, sprawiło, że tak sformułowana hipoteza straciła rację bytu, a przynajmniej należało ją uzupełnić o zastrzeżenie: „Nie wszystkie łabędzie są białe, a zatem pierwotna hipoteza nie ma zastosowania w przypadku czarnych łabędzi australijskich”. Popper uważał, że każda dyscyplina, w ramach której można formułować testowalne hipotezy (posługując się metodą hipotetyczno-dedukcyjną), jest nauką, a zatem jest nią również socjologia, ekonomia, psychologia, a także oczywiście paleontologia, pod warunkiem że posługuje się właściwymi metodami.

Postąpiłem trochę nie fair wobec Rutherforda, ponieważ z pewnością zaakceptowałby on większość propozycji Poppera. Jego kategoryczny sąd dotyczył raczej zdolności nauki do formułowania praw ogólnych. Ani geologom, ani biologom nie udało się sformułować takich praw w obrębie swoich dyscyplin.

Niech za przykład posłuży nam ewolucja – uniwersalna zasada lub też zestaw procesów leżących u podstaw całej historii życia, a także wielu współczesnych zjawisk, takich jak ewolucja oporności na leki i pestycydy nabywanej przez nosicieli chorób i szkodniki roślin. Ewolucja jest uniwersalna i działa, tworzy też olbrzymią, wszechogarniającą konstrukcję, wewnątrz której tysiące naukowców funkcjonują przez całe swoje życie zawodowe. Ale nie jest ona uniwersalnym prawem, jak grawitacja czy elektromagnetyczna teoria światła; nie pozwala na formułowanie dokładnych prognoz. Grawitacja i światło są przewidywalne i niezależne od okoliczności, podczas gdy na ewolucję ma wpływ wiele nieprzewidywalnych czynników związanych z organizmem i środowiskiem.

Z jakich metod i dowodów korzystają paleontolodzy?

Gdy w 1976 roku zostałem studentem biologii na Uniwersytecie w Aberdeen, takie kwestie teoretyczne mało mnie obchodziły. Chciałem po prostu być paleontologiem, któremu by płacono (może nie od razu, ale docelowo) za to, że robi to, co kocha – zbiera skamieniałości, rekonstruuje dawne organizmy, no i czyta w nieskończoność o dinozaurach. Uczono nas wszystkich zagadnień biologii, budowy i fizjologii roślin i zwierząt, ich ewolucji, ekologii i zachowań.

Mieliśmy też cykl niezwykłych wykładów z Philem Orkinem, profesorem należącym do starej szkoły – podejrzewam jednak, że nie miał on tytułu profesorskiego – cudownie pomarszczonym i wyglądającym bardzo staro. (Kiedy zajrzałem do uniwersyteckiej ewidencji, odkryłem, że Phil urodził się w 1908 roku, a zatem miał 68 lat, gdy nas uczył; zmarł w roku 2004 w wieku 96 lat, a wcześniej był przez długi okres liderem niedużej społeczności żydowskiej w Aberdeen). To, co mówił, było dla nas szokiem – dowodził, że wiedza, którą nam przekazuje, jest zapewne błędna i w przyszłości zostanie poprawiona, skorygowana lub odrzucona.

Dla studentów nie były to łatwe spotkania, ponieważ Orkin nie korzystał z notatek i nie rozdawał nam żadnych materiałów pomocniczych. Za to sprawił, że zaczęliśmy myśleć o tym, czego właściwie jesteśmy uczeni. Mówił, że cała wiedza jest tymczasowa, a my powinniśmy się skupić na prowadzeniu dokładnych obserwacji. Jeśli bowiem kiedyś uda nam się zauważyć coś, co może obalić przyjętą hipotezę, musimy mieć pewność, że nasza obserwacja była dokładna.

Co mają do dyspozycji paleontolodzy? Skamieniałości oraz skały, z których te znaleziska pochodzą, a także mikroskopy, dzięki którym mogą dostrzec w skamieniałościach rozmaite drobne struktury, takie jak choćby nasze melanosomy. Mają też metody zapożyczone z inżynierii, fizyki, biologii i chemii, które mogą zastosować w analizie skamieniałości. Mnóstwo danych dostarczają też badania terenowe.

Podam jeden przykład na potwierdzenie tego ostatniego. W latach dziewięćdziesiątych wspólnie z rosyjskimi naukowcami prowadziliśmy badania warstw czerwonych skał – piaskowców i mułowców – z okresu permskiego i triasowego, wychodzących na powierzchnię w pobliżu Orenburga na granicy Europy i Azji. Skały te ciągną się setkami kilometrów, dokumentując zdarzenia, które rozegrały się przed masowym wymieraniem z przełomu permu i triasu, jakie nastąpiło 252 miliony lat temu, i po nim. Równocześnie z poszukiwaniem skamieniałości szczegółowo dokumentowaliśmy warstwy skalne, pobierając z nich średnio co metr próbki do analiz geochemicznych. Chcieliśmy prześledzić, jak w całym przekroju geologicznym waha się ilość tlenu i węgla – dwóch pierwiastków pozwalających zrekonstruować zmiany zachodzące w ówczesnej atmosferze i klimacie. Oczywiście najbardziej interesowało nas, co działo się podczas masowego wymierania z końca permu, kiedy to z powierzchni Ziemi zniknęło 95 procent gatunków. Sprawdzaliśmy też, korzystając z metod magnetostratygrafii, jak z upływem czasu zmieniało się położenie północnego bieguna magnetycznego – stwierdziliśmy, że od czasu do czasu ziemskie pole magnetyczne ulegało odwróceniu: bieguny zamieniały się miejscami. Takie przełomowe zdarzenia umożliwiają dokładne określenie wieku skał.

Dane zbierane przez nas w Rosji umożliwiają geologom i paleontologom sprawdzenie, jak długo trwało wymieranie i czy był to pojedynczy epizod, czy też było ich kilka. W ten sposób ustaliliśmy, że masowe wymieranie z przełomu permu i triasu miało dwie fazy, między którymi było 60 tysięcy lat przerwy. Dzięki takim analizom, wymagającym od badacza szczególnej dokładności i staranności, stworzyliśmy ramę, w której naukowcy mogli zacząć szukać odpowiedzi na pytanie, co doprowadziło do tamtego kryzysu życia i w jaki sposób wydostało się ono z dołka (napisałem o tym sporo we wcześniejszej książce Gdy życie prawie wymarło, wydanej w 2017 roku)1.

W Rosji zebraliśmy wiele rodzajów skamieniałości, wędrując wzdłuż brzegów wielkich rzek Ural i Sakmara, które płyną z położonych na północy gór Ural, wcinając się w warstwy czerwonych skał permu i triasu. Znajdowaliśmy w nich skamieniałe szkielety i muszle, a także różne skamieniałości śladowe, takie jak tropy i koprolity (odchody zwierząt). W skamieniałych tropach czasem zachowują się odciski tkanek miękkich, można na przykład zobaczyć, jak wyglądała skóra na podeszwie stopy zwierzęcia. Dzięki odciskom stóp możemy ustalić, co zwierzę, które ów ślad zostawiło, porabiało tego konkretnego dnia przed 250 milionami lat, a także na podstawie odległości między śladami oszacować, z jaką prędkością się poruszało. W Rosji nie natrafiliśmy na żadne nadzwyczajnie zachowane skamieniałości ze skórą lub piórami, ale i te znalezione przez nas okazy dostarczyły, jak w przypadku opierzonych dinozaurów z Chin, danych mogących mieć kluczowe znaczenie w interpretacjach paleobiologicznych.

Testowalne metody: klamra filogenetyczna

Zastanawiając się nad tym, jak i na co polował tyranozaur, profesor Osborn odwoływał się do współczesnych drapieżników, takich jak lwy czy psy myśliwskie. Ich zachowania mogą nam dostarczyć wskazówek na temat obyczajów wymarłych zwierząt. Na przykład wiele psów myśliwskich jest za małych, żeby powalić swoje ofiary jednym zaciśnięciem szczęk na szyi, jak to czynią lew i tygrys. Dlatego małe watahy wilków postępują inaczej: ruszają w pogoń za łosiem i kąsają go po ścięgnach nóg, licząc na to, że uda się je przeciąć i w ten sposób unieruchomić ofiarę. Łoś mógłby zabić wilka jednym kopnięciem, więc ten musi szybko krążyć wokół niego i tylko na moment doskakiwać do jego kończyn. Po wielu kilometrach pogoni wyczerpany łoś może w końcu paść, a wtedy zostaje zabity przez wilki i zjedzony. Obserwacje współczesnych zwierząt pozwalają nam sobie wyobrazić, jak mniejsze dinozaury drapieżne mogły skutecznie zadręczać swoje znacznie większe ofiary.

W takich przypadkach paleobiolog sięga po współczesne analogie, aby jego wyobrażenia na temat biologii kopalnych zwierząt wyglądały realistycznie i sugestywnie. W innych przypadkach analogie te wskazują paleobiologowi, czego powinien szukać w skamieniałościach. Zapewne sama budowa szkieletu zwierzęcia nie powie nam, czy polowało ono w grupie, ale czasami można to wydedukować na podstawie częstości złamań kości i ich uszkodzeń u drapieżników – czy, jak współczesne koty i psy, brawurowo rzucały się na większe ofiary, ryzykując uraz?

Tu jednak pojawia się kluczowa kwestia: jak wybrać najlepszy współczesny odpowiednik? Jeśli chcesz zrozumieć, jakie strategie myśliwskie stosował Tyrannosaurus rex, czy wilk jako ssak będzie tu dobrym punktem odniesienia? A może bardziej przydatne byłyby przykłady technik łowieckich lwa, orła, a nawet rekina? Pytania takie pozostawały bez odpowiedzi do 1995 roku.

Wtedy właśnie Larry Witmer przedstawił swoją ideę, dzięki której – jak twierdził – będziemy mogli powiedzieć o tyranozaurze wiele rzeczy, mimo że informacje te nie przetrwały w skamieniałościach. Możemy opisać jego oko, język, mięśnie nóg, a nawet zachowania towarzyszące składaniu jaj i polowaniu. Propozycja nosi nazwę „współczesnej klamry filogenetycznej” (filogeneza to historia ewolucyjna jednego organizmu lub grupy organizmów). Witmer uważał, że jeśli współczesna analogia zostanie właściwie dobrana, może nam powiedzieć bardzo wiele o kopalnym zwierzęciu. Na przykład ptaki i krokodyle są bliskimi krewnymi na drzewie ewolucyjnym – wszystkie są archozaurami („gadami naczelnymi”), do spółki z dinozaurami. Jeśli więc krokodyle i ptaki mają zbliżoną budowę gałki ocznej albo mięśni nóg, podobną musiały mieć dinozaury. Nie możemy jednak uznać, że dinozaury miały pióra tylko dlatego, że mają je ptaki – wszak krokodyle nie są upierzone. W tym przypadku dinozaurów nie możemy objąć współczesną klamrą. Za to możemy z dużą dozą pewności zrekonstruować budowę i funkcje gałki ocznej tyranozaura – nie na podstawie przypadkowego porównania z lwami i rekinami, ale dlatego że u krokodyli i ptaków, które zamykają dinozaury w klamrze, budowa i funkcja oka są bardzo podobne. Tak samo możemy powiedzieć, że T. rex mógł się w jakimś stopniu zajmować opieką nad dziećmi po ich wykluciu się z jaj – tak samo zachowują się bowiem zarówno krokodyle, jak i ptaki.

Mogę dać konkretny przykład, który okazał się kluczowy w naszej pracy nad ubarwieniem dinozaura. Przyglądaliśmy się barwom piór współczesnych ptaków i analizowaliśmy, w jaki sposób różne rodzaje melanin – czarnobrązowych i rudych (żółtoczerwonych) – są związane z różnymi organellami. Melanina czarnobrązowa wypełnia melanosomy podłużne podobne do parówek, natomiast melanina ruda powstaje w organellach kulistych. Ta prawidłowość powtarzała się za każdym razem w ptasich piórach. Widać ją również u wszystkich ssaków, włącznie z nami. Na drzewie ewolucyjnym dinozaury, i większość pozostałych gadów kopalnych, są objęte współczesną klamrą przez ssaki i ptaki, a zatem mamy do czynienia z uniwersalną zasadą. Dlatego kiedy zobaczyliśmy kuliste melanosomy u sinozauropteryksa, pomyśleliśmy, że skoro ptaki je mają i ssaki je mają, to klamra ta obejmuje również dinozaury. Tak doszliśmy do wniosku, że sinozauropteryks miał rude pióra.

Testowalne metody: model inżynieryjny

Inną metodą przydatną w paleobiologii są analizy inżynieryjne modeli cyfrowych. Model cyfrowy to precyzyjna trójwymiarowa prezentacja obiektu w komputerze. Taki model można obracać i powiększać, a analityk może wlecieć do wnętrza czaszki cyfrowego tyranozaura przez lewy oczodół i opuścić ją przez jego paszczę, a następnie wlecieć do niej ponownie przez prawe nozdrze, żeby dokładnie zbadać jamę nosową. W tym przypadku sekret prawidłowej rekonstrukcji polega na przypisaniu poszczególnym kościom dinozaura odpowiednich właściwości materiałowych. Podstawą do takich obliczeń są badania współczesnych kości: jakiej siły potrzeba do zmiażdżenia kościanego sześcianu o boku 1 centymetra i jak bardzo można zgiąć kość o pewnej średnicy, zanim ona pęknie. Mając takie dane, można przystąpić do analiz inżynieryjnych.

Tak postąpiła Emily Rayfield na potrzeby swojej pracy doktorskiej, nad którą pracowała na Uniwersytecie Cambridge. Musiała dokładnie zrekonstruować kształt i funkcje czaszki allozaura – wielkiego drapieżnego dinozaura z późnej jury. Zeskanowała więc jego czaszkę i trochę ją naprawiła, uzupełniając brakujące i zniszczone kości oraz usuwając zniekształcenia – tak stworzyła jej perfekcyjny cyfrowy model 3D. Następnie różnym fragmentom czaszki przyporządkowała właściwe im cechy materiału – szkliwo na zębach miało być twarde, ale łamliwe, a kości boczne – bardziej miękkie i sprężyste. W tym celu całą czaszkę allozaura podzieliła na czworościenne „komórki” lub elementy, po czym sięgnęła po klasyczną metodę inżynieryjną – metodę elementów skończonych (MES). Jest ona wykorzystywana powszechnie przez architektów i inżynierów budowlanych do badania wytrzymałości konstrukcji przed rozpoczęciem jej budowy. Każdy drapacz chmur, most czy samolot, zanim powstał, został poddany testom przy użyciu MES.

To ważny argument przemawiający za zastosowaniem MES w paleobiologii: wiemy, jak ta metoda działa. Cyfrowy model wieżowca, mostu czy samolotu zostaje poddany testom mającym pokazać, pod jakim przyłożonym naciskiem pękają poszczególne elementy. Wyniki takich cyfrowych „testów zderzeniowych” stają się podstawą do dalszych prac nad projektem. Mieszkamy w drapaczach chmur i latamy samolotami zaprojektowanymi w ten sposób, ufając, że obliczenia wykonano prawidłowo. Kiedy więc sięgamy po tę samą metodę, aby zbadać czaszkę lub kończyny dinozaura, wtedy także należy uznać, że wynik jest prawidłowy. Dzięki temu w komputerze powstaje perfekcyjny model funkcjonalny kopalnego zwierzęcia. To naprawdę coś niezwykłego – właśnie dzięki takiemu podejściu paleobiologia staje się nauką, której tezy są weryfikowalne. Nawet Ernest Rutherford przyznałby dziś, że niektóre obszary paleobiologii spełniają jego rygorystyczne kryteria twardej nauki.

Rewolucja

Za mojego życia zaczęła się rewolucja. Gdy 40 lat temu trafiłem na uczelnię jako student, paleobiologia była praktyczną specjalnością naukową i zajmowała się głównie problemami, jakie napotykała branża naftowa – w szczególności dotyczyło to Aberdeen, w którym dorastałem. Granitowe Miasto błyskawicznie się wtedy rozwijało dzięki wydobyciu ropy naftowej spod dna Morza Północnego. Gdy moi profesorowie mówili o wyglądzie zwierząt kopalnych, ich życiu i ewolucji, robili to niechętnie i w tonie przepraszającym, ponieważ zapuszczali się na terytoria, na których twardych danych było niewiele.

W czasie trwania mojej kariery naukowej badania nad dinozaurami (i ogólnie cała paleobiologia) przestały być częścią historii naturalnej, a stały się testowalną nauką. Dzięki nowym technikom poznaliśmy sekrety ukryte w skamieniałościach – dziś możemy zajmować się ubarwieniem dinozaurów, siłą nacisku ich szczęk, prędkością poruszania się czy też zaangażowaniem w opiekę rodzicielską. W ciągu tych wielu dekad mogłem uczestniczyć w dyskusjach dotyczących zrekonstruowania drzewa życia, fenomenu Parku Jurajskiego, możliwości znalezienia DNA dinozaura, wykorzystania tomografii komputerowej i obrazowania cyfrowego oraz nowych modeli inżynieryjnych w celu przetestowania nacisku szczęk i prędkości biegu tyranozaura oraz oczywiście w debacie na temat ubarwienia dinozaurów.

Czaszka T. rexa (powyżej) oraz jej model cyfrowy umożliwiający badanie wytrzymałości mechanicznej kości (poniżej). Na dolnym schemacie nasycenie szarości odpowiada wielkości nacisku – im jaśniejszy odcień, tym większe naprężenia.

Zainteresowanie prasy skupia się zwykle na nowych odkryciach skamieniałości, takich jak olbrzymi zauropod z Patagonii, upierzone dinozaury z Chin czy kawałek ogona dinozaura zachowany w bursztynie z Birmy. Nowe skamieniałości są oczywiście siłą napędową współczesnej paleobiologii, ale rewolucję zawdzięczamy nowym technikom i metodom. Dzięki nim rozszerzyliśmy zakres badań i zwiększyliśmy ich wiarygodność.

Celem tej książki jest pokazanie wszystkich tych najnowszych skamieniałości oraz zabranie czytelnika do wnętrza nowoczesnych laboratoriów i na współczesne ekspedycje badawcze. Oto nasz temat przewodni: transformacja nauki w dużej mierze historycznej, z korzeniami tkwiącymi w wiktoriańskiej historii naturalnej, w nowoczesną dyscyplinę naukową, w której pierwszoplanową rolę odgrywają komputery i wiedza techniczna. To był pasjonujący okres szybkich zmian i fascynujących odkryć, które zaczęły następować w tempie nigdy wcześniej niewidzianym.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

PEŁNY SPIS TREŚCI:

Skala czasu geologicznego

Wprowadzenie. Skąd się biorą odkrycia naukowe?

Rozdział 1. Pochodzenie dinozaurów

Rozdział 2. Rysowanie drzewa

Rozdział 3. W pogoni za dinozaurami

Rozdział 4. Oddychanie, mózg, zachowanie

Rozdział 5. Park Jurajski?

Rozdział 6. Od malucha do olbrzyma

Rozdział 7. Jak odżywiały się dinozaury?

Rozdział 8. Jak chodziły i biegały?

Rozdział 9. Masowe wymieranie

Posłowie

Dodatek. Hipotezy wymierania

Polecana literatura

Książki na temat dinozaurów

Ilustracje

1 Tytuł oryginału: When Life Nearly Died, wydanie drugie, Londyn 2015.