Etymologiczna opowieść zimowa. Część 4: Zagadka baraniego skoku

Inne wpisy z tej serii
Etymologiczna opowieść zimowa. Część 1: Zima i jej kuzyni
Etymologiczna opowieść zimowa. Część 2: O śnieżeniu
Etymologiczna opowieść zimowa. Część 3: Rzecz na Nowy Rok

Orbitalny taniec Ziemi a pory roku

To, że dni latem są dłuższe, z zimą krótsze, wynika – jak pamiętamy ze szkoły – stąd, że oś Ziemi nie jest prostopadła do płaszczyzny ekliptyki (wyznaczonej przez jej orbitę), ale nachylona względem niej pod kątem 66°34´ (innymi słowy, „odchylona od pionu” o 23°26´). Oś Ziemi nie zmienia kierunku w przestrzeni (to znaczy zmienia, ale bardzo powoli, wykonując tzw. precesję z okresem ok. 26 tys. lat), toteż z każdym okrążeniem Słońca powtarza się ten sam cykl. Najpierw biegun północny jest maksymalnie odchylony od Słońca i półkula północna jest słabiej oświetlona niż południowa; ten moment nazywamy przesileniem zimowym. Po około trzech miesiącach oś Ziemi ustawia się tak, że oba bieguny są jednakowo odległe od Słońca, a obie półkule są oświetlone w takim samym stopniu; jest to równonoc wiosenna. Po kolejnych trzech miesiącach biegun północny jest maksymalnie nachylony w stronę Słońca i półkula północna jest mocniej oświetlona; jest to przesilenie letnie. Potem znów mamy równonoc, ale tym razem jesienną. A potem znów przychodzi przesilenie zimowe i Ziemia wraca do tej samej pozycji na orbicie.

Na półkuli północnej przesilenie zimowe wyznacza początek zimy; równonoc wiosenna – początek wiosny; przesilenie letnie – początek lata; przesilenie jesienne – początek jesieni. Mówimy o astronomicznych, czyli umownych porach roku, które niekoniecznie muszą odpowiadać potocznemu rozumieniu lata, jesieni, zimy i wiosny, zależnego od naszej oceny bieżącej pogody. O ile nie mieszkamy za kołem podbiegunowym, to każda doba dzieli się na dzień i noc. Na równiku dzień i noc mają zawsze po równe 12 h, ale im dalej od równika, tym większym rocznym wahaniom podlega długość dnia i nocy. Podczas przesilenia letniego dzień jest najkrótszy, a noc najdłuższa, podczas przesilenia zimowego jest odwrotnie, a podczas obu równonocy dzień i noc mają tę samą długość – po 12 h.

Pociecha dla malkontentów

Na zdrowy rozum każda pora roku powinna trwać tak samo długo: jedną czwartą długości roku, czyli 91 d 7 h. Tak jednak nie jest, ponieważ orbita Ziemi nie jest idealnym okręgiem, ale elipsą. Odległość Ziemi od Słońca jest największa około 4 lipca (wynosi wtedy 152 mln km), a najmniejsza około 3 stycznia (147 mln km). Prędkość orbitalna Ziemi w peryhelium (najbliżej Słońca) jest o 1 km/s większa niż w aphelium (najdalej od Słońca). Te nierówności wprowadzają pewną asymetrię między porami roku (pomijam inne, mniej znaczące źródła zakłóceń, jak oddziaływanie grawitacyjne pozostałych planet Układu Słonecznego). Na naszej półkuli zima zaczyna się 22 grudnia i trwa 89 d; wiosna zaczyna się 21 marca i trwa 92 d 19 h; lato zaczyna się 22 czerwca i trwa 93 d 15 h; jesień zaczyna się 23 września i trwa 89 d 19 h.

Te daty należy traktować jako średnie (z dokładnością do jednego dnia), bo sposób, w jaki zaokrąglamy długość roku (zwykłego lub przestępnego) do całkowitej liczby dni powoduje lekkie „kolebanie się” kalendarza względem roku astronomicznego. Natomiast długość astronomicznych pór roku, choć niejednakowa, pozostaje stała. A jeśli ktoś lubi narzekać, że lato mija zbyt szybko, to niech się pocieszy myślą, że na naszej półkuli przez 51% roku dni są dłuższe od nocy.

Jak wydłuża się dzień i jak to postrzegamy

Długość dnia i nocy podczas danej doby zależy od daty i od szerokości geograficznej, na jakiej się znajdujemy. Różnica jest wyraźna nawet między południową a północną Polską: w Gdańsku (54°21´N) najdłuższy dzień w roku jest niemal o godzinę dłuższy niż w Krakowie (50°04´N). Dla danej szerokości geograficznej można wykreślić tę zależność w formie falującej krzywej (patrz wykres 1). Krzywa dla szerokości geograficznej 50°N (~ Kraków) osiąga maksymalną wartość ok. 16 h 20 min dla przesilenia letniego (22 czerwca) i minimalną wartość 8 h dla przesilenia zimowego (22 grudnia). Dla 60°N (~ Oslo, Sztokholm, Petersburg) najdłuższy dzień ma długość ok. 18 h 50 min, a najkrótszy – ok. 5 h 55 min. Wykres pomija szerokości geograficzne powyżej 66°34´ (za kołem podbiegunowym), bo tam przez część roku słońce w ogóle nie zachodzi lub nie wschodzi (panuje dzień polarny lub noc polarna). Na potrzeby tego wpisu wystarczą nam szerokości geograficzne, na których na co dzień żyjemy.

Wykres 1. Zmiany długości dnia w ciągu roku dla różnych szerokości geograficznych. Źródło: Blog MrReid.org, Change in Day Length with Latitude (fair use).

Powyższa krzywa jest zbliżona kształtem do sinusoidy. Wyobraźmy sobie, że chcemy wiedzieć, o ile wzrasta długość dnia między n-tą  a następną dobą po przesileniu zimowym wyrażona jako procent długości dnia w n-tej dobie. Im większy taki względny wzrost, tym bardziej czujemy, że „przybywa dnia”, ponieważ nasze zmysły i mózg szacują wielkość zmian (podobnie jak siłę bodźców), stosując skalę logarytmiczną, nie liniową. Gdyby krzywa z wykresu 1 była idealną sinusoidą, wykres względnych wzrostów z dnia na dzień też przypominałby sinusoidę, ale zdeformowaną, o grzbietach fal nieco chylących się w lewo (tym wyraźniej, im dalej jesteśmy od równika). Wzrost względny byłby zerowy w bliskim sąsiedztwie punktów przesilenia, największą wartość (dodatnią) osiągałby gdzieś między przesileniem zimowym a równonocą wiosenną, a najmniejszą (ujemną) – między równonocą jesienną a przesileniem zimowym.

Tak z grubsza jest, trzeba jednak pamiętać o komplikacjach. Wzór opisujący długość dnia w n-tej dobie po przesileniu musi uwzględniać nie tylko nachylenie osi Ziemi i szerokość geograficzną miejsca obserwacji, ale także eliptyczność orbity oraz związane z nią zmiany prędkości orbitalnej Ziemi. Przypominam też, że peryhelium i aphelium nie są zsynchronizowane z przesileniami ani równonocami, co wprowadza dodatkowe „zwichrowanie” zależności między datą a długością dnia. Nie ma jednak potrzeby zawracać Czytelnikom głowy szczegółami matematycznymi. Popatrzmy na gotowy wynik (wykres 2).

Wykres 2. Procentowe zmiany długości dnia z doby na dobę w ciągu roku. Źródło: Blog MrReid.org, Change in Day Length with Latitude (fair use).

Krzywa jest dość mocno powyginana – odpowiadają za to wspomniane komplikacje. Im bliżej koła podbiegunowego, tym bardziej maksimum względnego tempa zmian przesuwa się w stronę przesilenia zimowego. Dla szerokości geograficznej Oslo (60°N) procentowe przyrosty dnia są największe około 37 dni po przesileniu, czyli przed końcem stycznia. Dla Krakowa (50°N) będzie to ok. 53 dni po przesileniu. Dla Warszawy czy Poznania (52°N) – mniej więcej 50 dni po przesileniu, czyli w okolicach 10 lutego. Aczkolwiek bezwzględna długość dnia rośnie najszybciej w okolicach równonocy, to silniej odczuwana jest zmiana względna, gdy kolejny dzień jest zauważalnie dłuższy w porównaniu z poprzednim.

Na Nowy Rok przybywa dnia…

Na przykład na szerokości geograficznej Warszawy w ciągu 1 tygodnia między 7 a 14 lutego długość dnia wzrasta od 9 h 28 min do 9 h 54 min, czyli o 26 min. W ciągu 1 tygodnia między 18 a 25 marca długość dnia wzrasta od 12 h 06 min do 12 h 35 min, czyli o 29 min. Jednak pierwszy wzrost stanowi 4,7% długości dnia 7 lutego, a drugi – 4% długości dnia 18 marca. Co więcej, szybki wzrost względny odczuwalny już w styczniu wyraziście kontrastuje ze świeżą pamięcią żółwich zmian długości dnia w okolicach przesilenia. Późną wiosną dzień oczywiście nadal się wydłuża (aż do 22 czerwca), ale procentowy przyrost jego długości stopniowo opada (osiągając zero w chwili letniego przesilenia). Symetrycznym odbiciem szybkiego przyrostu względnej długości dnia w lutym jest równie szybkie względne kurczenie się dnia i wydłużanie się nocy w listopadzie.

Przypomnijmy sobie, że w drugiej połowie XVI w., przed wprowadzeniem kalendarza gregoriańskiego, przesilenie zimowe miało miejsce 12 grudnia wg kalendarza juliańskiego (czasem nawet 11 grudnia wskutek wahań w cyklu lat przestępnych). W centralnej Polsce względny wzrost długości dnia osiągał wartość maksymalną ok. 31 stycznia, ale już w drugim tygodniu stycznia stawał się wyraźny, przekraczając 0,5% dziennie (4% tygodniowo). Reforma gregoriańska przesunęła te daty o 10 dni kalendarza – ku końcowi stycznia i pierwszej połowie lutego – ale nadal było to blisko początku roku. Jeśli więc nasi przodkowie uważali, że Nowy Rok jest zapowiedzią szczególnie odczuwalnego wzrostu długości dnia, to mieli rację.

… na barani skok

Ale, jak mawiają Francuzi, revenons à nos moutons (wróćmy do naszych baranów) zgodnie z zapowiedzią w poprzednim odcinku serii. Co dokładnie oznacza „barani skok”? Naiwne racjonalizacje oparte na dociekaniu, jak daleko (lub jak blisko) skacze baran, można moim zdaniem włożyć między bajki, podobnie jak doszukiwanie się w ludowym porzekadle symboliki płodności. Konstatuje ono fakt, że po Nowym Roku (zwłaszcza według starej rachuby czasu, ale także według nowej, jak właśnie ustaliliśmy) dzień wydłuża się w wyraźnie zauważalnym tempie. Wydaje mi się oczywiste, że „barani skok” jest aluzją do punktu Barana, czyli jednego z dwóch punktów na sferze niebieskiej, w którym ekliptyka (czyli pozorna trajektoria Słońca obserwowanego z Ziemi na tle dalekich gwiazd) przecina równik niebieski (rzut równika Ziemi na sferę niebieską). Słońce mija punkt Barana – umownie przyjmowany jako wyznaczający zarówno długość ekliptyczną 0°, jak i rektascensję 0h w astronomicznych układach współrzędnych – podczas równonocy wiosennej. Innymi słowy, po Nowym Roku zaczyna się zbierać na wiosnę, co widać wyraźnie po zmianach długości dnia. Słońce „nabiera rozpędu”, żeby zgrabnym susem przeskoczyć punkt Barana.

Nasi przodkowie – a przynajmniej ci z nich, którzy potrafili czytać – byli rozmiłowani w kalendarzach. Drukowane najpierw po łacinie, a od 1516 r. także w języku polskim, cieszyły się ogromną poczytnością i osiągały znaczne nakłady. Zawierały przepowiednie astrologiczne, porady medyczne i gospodarskie na różne pory roku, życiorysy świętych, informacje o dniach świątecznych, a od XVII w. także wszelkiego rodzaju ciekawostki, wieści z szerokiego świata i doniesienia o odkryciach naukowych (trochę jak nasz blog), pomieszane jednak z zabobonami i historiami wyssanymi z palca (czego nasz blog się wystrzega). Zastępowały encyklopedie, prasę i literaturę popularnonaukową, a ponieważ ich wydawcy rywalizowali o to, kto lepiej trafi w gust odbiorcy, dawne kalendarze polskie dają nam znakomity obraz umysłowości średnio wykształconego Polaka z okresu przedoświeceniowego. Aluzja do Barana jako znaku zodiaku była bez wątpienia czytelna dla każdego użytkownika kalendarzy.

To – zdawałoby się – oczywiste wyjaśnienie „baraniego skoku” jest praktycznie nieobecne we współczesnych analizach starego porzekadła. Jest to tym dziwniejsze, że dziewiętnastowieczni badacze folkloru (jak Józef Łepkowski i cytujący go Oskar Kolberg) traktowali je jako coś, co się rozumie samo przez się. Być może po prostu aluzja stała się obecnie niezrozumiała, bo nie wychowujemy się na staropolskich kalendarzach.

Zamęt zodiakalny

Przy okazji uwaga: tradycyjny podział ekliptyki i pasa nieba po jej obu stronach na 12 równych części odpowiadających tradycyjnym „znakom zodiaku” jest przednaukowy. Znaków zodiaku nie należy mylić z gwiazdozbiorami w dzisiejszym sensie. Wskutek precesji osi Ziemi dalekie gwiazdy przesunęły się dość znacznie (o ok. 30°) względem równika (albo raczej równik się przesunął względem nich wraz ze zmianą pozycji biegunów niebieskich) od czasu, gdy w starożytności powstała koncepcja zodiaku. Na dodatek granice współczesnych gwiazdozbiorów, wytyczone przez astronomów i ustandaryzowane przez Międzynarodową Unię Astronomiczną w 1930 r., przecinają ekliptykę w całkowicie przypadkowych miejscach. Na przykład między 29 listopada a 18 grudnia Słońce wędruje przez gwiazdozbiór Wężownika (Ophiuchus), którego astrologia w ogóle nie uwzględnia, natomiast w gwiadozbiorze Skorpiona (Scorpius) spędza zaledwie tydzień (23–29 listopada). W momencie równonocy wiosennej Słońce w rzeczywistości przesuwa się na tle gwiazdozbioru Ryb (Pisces), a do Barana (Aries) dociera dopiero pod koniec kwietnia i pozostaje w nim do połowy maja. Punkt Barana wypada obecnie niedaleko lambdy Ryb (λ Psc) i dryfuje w stronę gwiazdozbioru Wodnika (Aquarius). Leżący naprzeciwko niego na równiku niebieskim punkt równonocy jesiennej, zwany tradycyjnie punktem Wagi (drugie miejsce przecięcia równika z ekliptyką), naprawdę znajduje się nieopodal bety Panny (β Vir), już całkiem blisko gwiazdozbioru Lwa (Leo). Ale o zodiaku napiszę może innym razem.

Gwiazdozbiór Ryb. Punkt Barana ma w układzie równikowym współrzędne 0h (rektascensja) i 0° (deklinacja). Źródło: Międzynarodowa Unia Astronomiczna (IAU, licencja CC BY-SA 4.0).

Ilustracje dodatkowe

  • Animacja pokazująca cykl orbitalny Ziemi i skutki nachylenia jej płaszczyzny równikowej względem płaszczyzny ekliptyki (wyznaczonej przez orbitę wokółsłoneczną). Russell Knightley Media.
  • Ekliptyka: pozorna droga Słońca na niebie na tle gwiazdozbiorów. Sky Marvels.

Mercator, czyli mapy kłamią

Nie wiem, jak Ciebie, Czytelniku, ale mnie zawsze fascynowały mapy. Taki świat w miniaturze. Bez wychodzenia z domu można było zwiedzić miejsca historyczne czy też śledzić trasy podróży Tomka Wilmowskiego. Nie zastanawialiśmy się wtedy nad naturą map i ich przyrodzonymi ułomnościami, a co dopiero takimi abstrakcyjnymi pojęciami jak rodzaj odwzorowania.

Dlaczego „ułomnościami”? Bo mapa to odwzorowanie powierzchni kuli (sfery) na powierzchni płaskiej, niemożliwe do wiernej realizacji. Jako przykład może służyć skórka pomarańczy, której nijak nie da się idealnie rozłożyć na płaskim stole. Można stosować różne sztuczki z dzieleniem skórki na skrawki, a i tak okaże się, że gdzieś jest wybrzuszenie. Musimy więc, tworząc mapy, stosować pewne fortele zwane odwzorowaniami, zwłaszcza od kiedy kulisty kształt Ziemi przestał być tylko ciekawostką naukową. Czyli od czasów Wielkich Odkryć Geograficznych.

Każde odwzorowanie sfery na powierzchnię płaską jest nieprecyzyjne. Odwzorowania mogą być albo równodługościowe, albo równopolowe albo równokątne. Nie jest możliwe osiągnięcie więcej niż jednej z powyższych właściwości równocześnie. Koniec, kropka.

Prekursorem współczesnej kartografii był Gerard Merkator (Gerardus Mercator), flamandzki matematyk i geograf żyjący w latach 1512-1594. Merkator jako pierwszy użył słowa „atlas”, odnosząc się do do mitycznego tytana Atlasa, którego Grecy uważali także za pierwszego króla Mauretanii (starożytnego królestwa w północno-zachodniej Afryce), także matematyka i astronoma, twórcy pierwszego globusa. Ale nie to jest najważniejsze. Merkator jest autorem (czy też wynalazcą) odwzorowania walcowego równokątnego (wiernokątnego), zwanego odwzorowaniem Merkatora.

Jak to się dzieje przy wielu wynalazkach i odkryciach, także autorstwo Merkatora jest podważane. Przyjaciel Merkatora, Portugalczyk Pedro Nunes, także matematyk, jako pierwszy opisał matematyczne właściwości loksodromy, krzywej przecinającej wszystkie południki pod tym samym kątem. Tę nieco niejasną definicję można uprościć mówiąc, że loksodroma jest drogą z punktu A do punktu B (na globusie), jaką przebędzie statek utrzymujący stały kurs. Loksodromami są więc wszystkie południki i równoleżniki. Pozostałe loksodromy, nachylone do południków pod innym kątem niż 0 i 90 stopni są spiralami zbiegającymi się na biegunie północnym lub południowym. Warto też wiedzieć, że loksodroma nie jest najkrótszą drogą między dwoma punktami. Najkrótszą drogę nazywamy ortodromą. Dodajmy, że na cześć Nunesa noniuszem nazwano dodatkową podziałkę suwmiarki oraz śruby mikrometrycznej.

Wróćmy do Merkatora i Nunesa. Nunes zaproponował mapy żeglarskie jako arkusze oparte na odwzorowaniu równoprostokątnym, nie zniekształcającym kierunków. Ponieważ loksodromy na mapach Merkatora są liniami prostymi, nietrudno dostrzec tajemniczą inspirację naszego wynalazcy pracami Nunesa (której zresztą nie można wyjaśnić wcześniejszymi dokonaniami Merkatora).

Odwzorowanie Merkatora

Nieprzypadkowo odwzorowanie Merkatora i epoka wielkich odkryć zbiegły się w czasie. Długie podróże morskie wymagały dokładnej nawigacji, a mapy Merkatora doskonale się tego nadawały. Podstawową cechą tych map było wyrównanie krzywizny Ziemi poprzez wymuszenie równych odległości między południkami (linie pionowe). Konsekwencją tego zabiegu są równej długości wszystkich równoleżników (linii poziomych). W ten sposób nasza „skórka pomarańczy” została rozłożona na zwykłym płaskim prostokącie.

Jakie są konsekwencje projekcji sfery na powierzchnię walca, bo tym w istocie jest odwzorowanie Merkatora? Są, i to duże. Jedne są zaletami (dlatego morskie mapy nawigacyjne), drugie wadami (wielkości tego samego obszaru jest zależna od szerokości geograficznej).

Ryc. 1. Świat Merkatora. Źródło: Wikipedia (Miaow Miaow), licencja CC BY-SA 3.0

Jak widać na Ryc. 1, siatka współrzędnych pozwala w prosty sposób operować współrzędnymi prostokątnymi (kartezjańskimi) punktu, co w nawigacji ma pierwszorzędne znaczenie. Dlatego właśnie to odwzorowanie (nieco zmodyfikowane) stosuje się współcześnie w geodezji. Dla celów nawigacyjnych ważna jest też możliwość wyznaczania azymutów, czyli wiernokątność. Wynalazek Merkatora był teoretycznym przełomem w nawigacji, zbyt wielkim przełomem. Nawigacja za pomocą map Merkatora bazowała na kierunkach magnetycznych i dokładnym pomiarze czasu. Z tego też prawdopodobnie powodu dopiero w połowie XVIII wieku, kiedy powstały dokładne chronometry i można było dokładniej wyznaczać deklinację magnetyczną (warto sprawdzić, co to może być?), a nawigatorzy powszechnie zaczęli używać map bazujących na odwzorowaniu Merkatora.

Tyle o zaletach. Jakie wady ma projekcja Merkatora? Podstawową jest nierównomierność odwzorowania obszarów w zależności od ich oddalenia od równika. Nieproporcjonalność staje się wręcz monstrualna w miarę zbliżania się do biegunów. Jako przykład może służyć Ryc. 2.

Ryc. 2. Zniekształcenia obszarów w odwzorowaniu Merkatora. Źródło: Wikipedia (Stefan Kuhn), licencja CC BY-SA 3.0

Jak widać, obszary podbiegunowe są zniekształcone w takim stopniu, że prawie nie nadają się do użytku. Ryc. 3 pokazuje Antarktydę na mapie Merkatora w dwóch położeniach: wokół bieguna południowego i (hipotetycznie) w okolicach równika. Różnica jest kolosalna. Teoretyczne powiększenie punktu będącego biegunem (północnym lub południowym) byłoby nieskończone.

Ryc. 3. Zniekształcenia obszarów w odwzorowaniu Merkatora na przykładzie Antarktydy. Źródło: National Geographic https://www.national-geographic.pl/artykul/swiat-nie-jest-taki-jak-sie-nam-wydaje

Z tego powodu odwzorowanie Merkatora jest obecnie używane tylko w geodezji i na mapach morskich. Na przełomie XIX i XX wieku opracowano wiele innych projekcji, bardziej użytecznych w zastosowaniach edukacyjnych i komercyjnych (atlasy świata). Coraz większą popularność zdobywa odwzorowanie walcowe równopowierzchniowe (Galla-Petersa), w którym zachowane są powierzchnie obszarów geograficznych kosztem niezachowania wierności kształtów.

Ryc. 4. Odwzorowanie walcowe równopowierzchniowe (odwzorowanie Galla-Petersa) na satelitarnej mapie świata. Źródło: Wikipedia (NASA), domena publiczna.

Ale… Projekcja Merkatora przeżywa teraz drugą młodość. Mapy internetowe, charakteryzujące się skrajną rozpiętością skali wymusiły konieczność opracowania uniwersalnej projekcji nadającej się do prezentacji zarówno przy skrajnie dużych, jak i skrajnie małych skalach. Projekt nazwano Web Mercator, a projekcję stosuje z powodzeniem firma Google w swoich mapach. Projekcja jest modyfikacją oryginału Gerarda Merkatora i jest stosowana przez większość internetowych dostawców map (Google Maps, CARTO, Mapbox, Bing Maps, OpenStreetMap, Mapquest, Esri).

Małe polonikum

Gerard Merkator wykonał mapę Polonia et Silesia. Mapa po raz pierwszy ukazała się w 1585 r. w atlasie zatytułowanym Germaniae tabule geographicae … i była w XVII wieku głównym źródłem wiedzy kartograficznej o Polsce.

Ryc. 5. Mapa Polonia et Silesia pochodząca z łacińskiej edycji zatytułowanej Gerardi Mercatoris atlas sive cosmographicae meditationes de fabrica mundi et fabricati figura, wydanej przez Jodocusa Hondiusa w Amsterdamie w 1607 r. Źródło: https://dawnemapykrakowa.pl/map/1607-mapa-polski-i-slaska-gerarda-mercatora/#8/51.152/19.394/1607_Polska-osm_podklad_czb

Zapomniany kontynent. Część 4: Polarnicy antarktyczni z torbami

Inne wpisy z tej serii
Zapomniany kontynent. Część 1: Serce Gondwany
Zapomniany kontynent. Część 2: Dinozaury za kołem podbiegunowym
Zapomniany kontynent. Część 3: Tropami ssaków przez Antarktydę
Zapomniany kontynent. Część 5: Skrzydła nad Antarktydą
Zapomniany kontynent. Część 6: Dinozaury w smokingach

Krajobraz leśny z bukanami

Aczkolwiek od początku kenozoiku położenie geograficzne Antarktydy niewiele się zmieniło, przez większość paleogenu (podobnie jak wcześniej, w kredzie) nie była to kraina lodu. Ponieważ średnia temperatura globalna była ogólnie wyższa niż obecnie, klimat, jaki panował w okolicach bieguna bezpośrednio po wielkim wymieraniu, można określić jako chłodny umiarkowany. W wysokich górach utrzymywały się lodowce, ale nawet na samym biegunie nie było jeszcze pokrywy lodowej. Warunki stały się jeszcze bardziej cieplarniane wraz z nastaniem ok. 57 mln lat temu paleoceńsko-eoceńskiego maksimum klimatycznego (PETM). Przez dobre dziesięć milionów lat temperatury na Ziemi utrzymywały się o kilka stopni Celsjusza powyżej średniej paleoceńskiej; później klimat zaczął się stopniowo schładzać.

Antarktydę pokrywały lasy. Ich ważnym składnikiem były bukany (Nothofagus), kuzyni buków, brzóz i orzechów. Rodzaj ten wyewoluował w późnej kredzie, a jego najstarsze skamieniałości znane są z Półwyspu Antarktycznego. Już w kredzie bukany zaczęły dominować w tym regionie, częściowo zastępując drzewa szpilkowe. Po katastrofie szybko odżyły, zrekolonizowały Antarktydę i zaczęły się rozprzestrzeniać na sąsiednie lądy: Amerykę Południową, Australię i Nową Zelandię, różnicując się w nowe gatunki. Bukany istnieją i w naszych czasach, tworząc tzw. lasy deszczowe strefy umiarkowanej, takie jak lasy waldiwijskie i magellańskie w południowych Andach oraz pokrewne ekosystemy leśne Tasmanii i Wyspy Południowej (Nowa Zelandia). Mamy dzięki temu pewne wyobrażenie o tym, jak wyglądała paleoceńska czy eoceńska Antarktyda. Bukanom towarzyszyły inne rośliny okrytozalążkowe, np. srebrnikowate (Proteaceae), oraz szpilkowe, jak araukarie i zastrzaliny (Podocarpaceae), a także paprocie drzewiaste z rodzajów takich jak Dicksonia i Lophosoria. Wszystkie te rośliny spotykamy także dziś na kontynentach i wyspach stanowiących kiedyś części Gondwany.

W Antarktydzie płynęły rzeki, rozlewające się w jeziora i mokradła, a zachowane skamieniałości dowodzą istnienia fauny złożonej między innymi ze ssaków, ptaków, żółwi, a nawet żab. Jej część stanowiły niedobitki gatunków żyjących tu w kredzie, przed wielką katastrofą; inne napłynęły z północy, korzystając z pomostów lądowych łączących kontynenty. Ssaki już w paleocenie ewoluowały szybko, dając początek licznym radiacjom przystosowawczym, a gorący i wilgotny klimat umożliwiał niektórym z nich migrację na obszary dotychczas ubogie w miejscową konkurencję.

Torbacze wchodzą na scenę

Na pytanie, na jakim kontynencie żyją torbacze, większość ludzi odpowie odruchowo: w Australii. Jest to prawda tylko częściowa, bo spośród ok. 330 znanych współczesnych gatunków torbaczy ok. 220 zamieszkuje region australijski (uwzględniając także okoliczne wyspy: Tasmanię, Nową Gwineę, Moluki czy Celebes – aż po linię Wallace’a). Reszta, czyli niebagatelna liczba ok. 110 gatunków, żyje w Ameryce Południowej i Środkowej. Jeden gatunek, dobre wszystkim znany dydelf wirginijski (Didelphis virginiana), zwany potocznie oposem, skolonizował także południową część Ameryki Północnej, a w ciągu XX w. rozszerzył swój zasięg aż po Kanadę. Północna granica obszarów występowania siedmiu innych gatunków przebiega w Meksyku.

Skąd pochodzą torbacze? Odpowiedź może być zaskakująca: ani z Australii, ani z Ameryki Południowej. Ich kolebką była Laurazja, czyli superkontynent północny, a centrum ekspansji – prawdopodobnie Ameryka Północna, gdzie występowały już we wczesnej kredzie i gdzie osiągnęły szczególną różnorodność. W późnej kredzie rozprzestrzeniły się także w Azji Wschodniej i w Europie dzięki połączeniom lądowym lub łańcuchom wysp nadal zapewniającym Laurazji względną spójność biogeograficzną.

Ryc. 1.

Wyewoluowały jako część kladu Theria, który pod koniec jury podzielił się na dwie grupy siostrzane: Eutheria (łożyskowce) i Metatheria (torbacze). Według podręcznikowego stereotypu torbacze są grupą prymitywną, a łożyskowce berdziej zaawansowaną ewolucyjnie, o czym ma świadczyć między innymi ich sposób rozrodu i rozwój zarodka. Istnieją jednak mocne argumenty na rzecz poglądu, że wspólny przodek Theria rodził młode po stosunkowo długiej ciąży, jak łożyskowce, a skrócona ciąża i donaszanie młodych w torbie to innowacja ewolucyjna torbaczy, a nie cecha prymitywna.

Podobnie jak inne zwierzęta, torbacze zostały dotkliwie przetrzebione przez globalną katastrofę. Nie wymarły jednak całkowicie, a nawet zaczęły wędrować tam, gdzie nadarzała się sposobność. Na przykład z Europy dostały się do Azji Mniejszej i do Afryki Północnej. W końcu jednak przegrały konkurencję z łożyskowcami i wygasły zarówno w Ameryce Północnej, jak i w Afryce oraz w Eurazji. Ich ostatnie skamieniałości z tych części świata pochodzą sprzed 11 mln lat. To niezły wynik: przeżyły kataklizm K–Pg o 55 mln lat – ale gdyby nie dostały drugiej szansy, byłyby dziś tylko ciekawostką paleontologiczną, jak np. wieloguzkowce (Multituberculata), które po spektakularnej karierze trwającej 130 mln lat wymarły ostatecznie w późnym eocenie.

Druga szansa torbaczy: Ameryka Południowa i Antarktyda

Torbacze przeżyły dzięki Gondwanie. Ruchy tektoniczne potrząsające płytą karaibską doprowadziły do wynurzania się nietrwałych połączeń lądowych (nieśmiałych prekursorów Ameryki Środkowej) między Ameryką Północną a Południową – głównie u schyłku kredy, ale także we wczesnym paleocenie. Dane paleontologiczne – jak zwykle niekompletne – nie dają pewności, kiedy dokładnie nastąpiła migracja torbaczy z resztek Laurazji do resztek Gondwany. Nie były one jedynymi ssakami, które skorzystały z tej drogi. Z Ameryki Północnej przeniknęli na południe także przodkowie ssaków kopytnych i już w paleocenie zróżnicowali się w kilka endemicznych linii rodowych klasyfikowanych jako osobne rzędy: Pyrotheria, Xenungulata, Astrapotheria, Litopterna i Notoungulata. Powstały w ten sposób liczne gatunki roślinożerców, zajmujących niemal puste nisze ekologiczne południowego kontynentu. Niektóre z nich były wielkości królika, inne osiągały rozmiary nosorożca. Pojawiły się także roślinożerne Pantodonta, dobrze znane z Ameryki Północnej i Eurazji, ale o niejasnym rodowodzie (reprezentowane w Ameryce Południowej przez jeden opisany gatunek), a oprócz nich kilka innych, jeszcze bardziej enigmatycznych wczesnych łożyskowców.

Żadna z tych linii ewolucyjnych nie dożyła do naszych czasów; wszystkie wymarły bezpotomnie, choć niektóre dopiero po pojawieniu się w Ameryce Południowej człowieka. Jednak przez dziesiątki milionów lat były królami kontynentu. Miejscowe relikty sprzed wielkiego wymierania – gondwanatery, meridiolestydy czy stekowce – nie były dla nich konkurencją; one zresztą także wymarły (stekowce nie całkowicie, bo utrzymały się w Australii). Tylko jedna grupa ssaków południowoamerykańskich pamiętających czasy na długo przed uderzeniem planetoidy nie poddała się i żyje nadal: są to szczerbaki (Xenarthra), o których ewolucji, pełnej zagadek, już tu pisałem.

Trudno powiedzieć, czy torbacze przybyły z północy tuż przed katastofą, czy tuż po niej, ale skamieniałości dowodzą, że z całą pewnością były obecne w Ameryce Południowej niemal od początku paleocenu i już wtedy zaczynały się różnicować. Ponieważ wśród południowoamerykańskich łożyskowców nie było drapieżników, a lokalne ssaki niełożyskowe były roślinożerne lub owadożerne, drapieżne torbacze z wymarłego rzędu Sparassodonta (zwłaszcza z rodzin takich jak Borhyaenidae i Thylacosmilidae) miały pole do popisu. Dość szybko rozwinęły się w odpowiedniki wilków, hien, wielkich kotów lub łasicowatych. Oligoceńska Proborhyaena gigantea miała wielkość i masę ciała podobną jak niedźwiedzie; Thylacosmilus z miocenu i pliocenu był rozmiarów jaguara, a uzębieniem przypominał koty szablozębne (choć był prawdopodobnie padlinożerny). Obok drapieżnych ptaków, wielkich węży czy krokodylomorfów (aligatorów, kajmanów i wymarłych naziemnych sebekozuchów) to duże torbacze były aż do pliocenu wyłącznymi reprezentantami gromady ssaków w kategorii drapieżników szczytowych.

Ryc. 2.

Część torbaczy zachowała pierwotny „typ oposa” – niewielkiego mieszkańca drzew, który zjada równie chętnie drobne zwierzęta, jak owoce, nasiona i liście. Inne jednak uległy specjalizacji. Były wśród nich gatunki owocożerne przypominające trybem życia naczelne, odpowiedniki ryjówek, zajęczaków, a nawet prototypy kangurów, skaczące na dwóch nogach (Argyrolagus). Niektóre zostały jeszcze w paleogenie wyparte przez małpy i gryzonie, które na naturalnych tratwach przyżeglowały z Afryki, pokonując Atlantyk. Duża część wyginęła 2,7 mln lat temu, kiedy podczas wielkiej amerykańskiej wymiany fauny, spowodowanej przez powstanie Przesmyku Panamskiego, Amerykę Południową zalała nowa fala migrujących ssaków (w tym dużych kopytnych, trąbowców i drapieżnych). Ale ponad sto gatunków przetrwało do dziś – liczba, która może szokować laików.

Ogromna większość torbaczy amerykańskich (ok. 91%) należy do rodziny dydelfowatych (Didelphidae), o tyle znanej, że należy do niej ogólnie rozpoznawalny dydelf wirginijski. Ponadto przeżyły podobne do ryjówek zbójnikowate (Caenolestidae), obejmujące trzy rodzaje z siedmioma gatunkami, i torbikowate (Microbiotheriidae) z jedynym współczesnym rodzajem, malusieńkim torbikiem (Dromiciops), który, jak się okazało w roku 2016, stanowi grupę trzech gatunków (w tym dwóch nowo opisanych). Każda z tych rodzin należy do osobnego rzędu (odpowiednio: Didelphimorphia, Paucituberculata, Microbiotheria) wraz z dużą liczbą wymarłych krewnych. Microbiotheria, do których zaliczamy torbika, to grupa o tyle ciekawa, że – jak wskazują badania genetyczne –spokrewniona bliżej z torbaczami australijskimi niż z dydelfowatymi i zbójnikowatymi. Szczątkowe skamieniałości z dużym prawdopodobieństwem zaliczane do Microbiotheria znane są z paleocenu Boliwii i Brazylii, a także z eocenu Antarktydy i Australii.

Na stanowiskach Wyspy Seymoura, w warstwach datowanych na ok. 40 mln lat temu, odkryto torbacze z wymarłego rzędu Polydolopimorphia, kilku dalszych krewnych dydelfów i zbójników oraz – jak dotąd – dwa gatunki uznane za torbiki. W tym czasie połączenie lądowe z Ameryką Południową było już podtopione przez płytkie morze i migracje ssaków lądowych ustały. Gatunki antarktyczne zostały odizolowane i ewoluowały własnymi drogami. Ale zanim do tego doszło, niektóre z nich zapewne już w paleocenie eksplorowały odkryty przez siebie kontynent.

Trzecia szansa torbaczy: szlak do Australii

Oczywiście nie należy sobie wyobrażać, że „migracja” lub „eksploracja” oznacza celowe poszukiwanie jakiejś ziemi obiecanej. Gatunki rozszerzają swój zasięg wyłącznie dlatego, że jest to możliwe. Poszczególne osobniki rodzą się, rozmnażają i umierają w tej samej okolicy, ale ich potomków po pewnym czasie spotykamy o kilkaset kilometrów dalej, albo na drugim brzegu rzeki lub cieśniny, którą przypadkiem przepłynęły na naturalnej tratwie. Jak szybko to się dzieje, zależy od warunków środowiskowych i mobilności danego gatunku. Po tysiącach, a może setkach tysięcy lat od pojawienia się na Półwyspie Antarktycznym zasięg torbaczy na Antarktydzie powiększył się w końcu na tyle, że czoło fali migracyjnej przesunęło się o 5000 km i dotarło w miejsce, gdzie Antarktyda wciąż stykała się z Australią.

Trudno stwierdzić, czy nietoperze skorzystały z tej samej trasy. Na pewno żyły w Australii już od wczesnego eocenu obok stekowców i torbaczy jako prawdopodobnie jedyne łożyskowce (chyba że Tingamarra porterorum ze stanowiska Murgon w Queenslandzie była prymitywnym przedstawicielem prakopytnych, co bywa podawane w wątpliwość), ale nietoperze są wyjątkiem od każdej reguły. Przede wszystkim jako ssaki latające (choć nie tak długodystansowe jak ptaki) nie muszą się przejmować brakiem pomostów lądowych. Występują na przykład na Nowej Zelandii (od co najmniej 26 mln lat) i na Hawajach (3600 km od najbliższego lądu stałego). Warto jednak pamiętać, że i dla nich szlak lądowy przez Antarktydę (czy to z Ameryki Południowej do Australii, czy w drugą stronę) był najłatwiejszą opcją ekspansji.

Dzisiejsze torbiki żyją w wyżynnych lasach waldiwijskich, bardzo podobnych do ekosystemu paleoceńskiej Antarktydy. W zimnej porze roku, kiedy brakuje pożywienia, torbiki zapadają w sen, zgromadziwszy w ogonie zapas tłuszczu. Żywią się bezkręgowcami, ale objadają się także jagodami rośliny Tristerix corymbosus z rodziny gązewnikowatych (Loranthaceae). Jest to gatunek półpasożytniczy, podobny do jemioły. Torbiki są jego najważniejszymi rozsiewaczami, a kiełkowanie nasion T. corymbosus zaczyna się w przewodzie pokarmowym torbika; współzależność i koewolucja tych dwóch organizmów trwają od dziesiątków milionów lat.

Ryc. 3.

Gązewnikowate to rodzina spotykana na wszystkich kontynentach, ale szczególnie rozpowszechniona na półkuli południowej. Wyodrębniła się w kredzie, a jej eoceńscy przedstawiciele znani są między innymi z Ameryki Południowej, Antarktydy i Australii. Prawdopodobnie podczas PETM z pasożytów korzeniowych wyewoluowały gatunki rosnące na gałęziach drzew, między innymi bukanów. W lasach deszczowych paleoceńskiej Antarktydy z całą pewnością ich nie brakowało. Jeśli przodkowie i kuzyni torbika z grupy Microbiotheria mieli podobne jak on upodobania, to lasy antarktyczne były dla nich gościnnym środowiskiem. Być może z tego względu akurat te niepozorne torbacze odkryły kolejny kontynent „do wzięcia” przez gatunki pionierskie, bo niemal doszczętnie opróżniony ze ssaków przez katastrofę K–Pg. Dały tam początek nowej grupie torbaczy, zaliczanej wraz z torbikami do kladu Australidelphia. Kangury, wombaty, koale, pałanki, jamraje, diabły tasmańskie i cała reszta australijskiej menażerii workowatej, zarówno kopalnej, jak i współczesnej, to potomstwo maleńkich migrantów z Ameryki Południowej, którzy pokonali Antarktydę.

Epilog

Jakieś 45 mln lat temu cieśnina morska przerwała na dobre pomost lądowy między Antarktydą a Tasmanią. 30 mln lat temu Australia podryfowała ku równikowi, unosząc z sobą i starych, i nowych mieszkańców. Kiedy powstała także głęboka Cieśnina Drake’a między Półwyspem Antarktycznym a Ziemią Ognistą, wokółbiegunowy prąd morski zaczął opływać Antarktydę bez przeszkód, blokując wymianę ciepła z resztą świata i przyczyniając się do schłodzenia jej klimatu. W oligocenie lodowce zeszły z gór i zaczęło się postępujące zlodowacenie kontynentu. Lasy skurczyły się i w końcu znikły, choć jeszcze w pliocenie, 3–2,5 mln lat temu, wolne od lodu części Antarktydy porastała tundra złożona z karłowatych bukanów. Nie znamy antarktycznych ssaków lądowych z okresu późniejszego niż 34 mln lat temu. Zapewne część z nich zdołała się przystosować do zimnego klimatu, ale w dłuższej perspektywie były skazane na wymarcie, w miarę jak lądolód skuwał Antarktydę.

Dzisiejsza lista ssaków zapomnianego kontynentu to wyłącznie gatunki związane z morzem (17  gatunków waleni i 6 gatunków płetwonogich). Dla nich Antarktyczny Prąd Okołobiegunowy nie był problemem, ale wielopasmową autostradą ułatwiającą migracje. Nie przeżył natomiast ani jeden z dawnych ssaków, gadów czy płazów lądowych Antarktydy prócz tych, które zdążyły się ewakuować do Australii. Nie oznacza to, że stara fauna kręgowców całkowicie wymarła. Jak zobaczymy w kolejnych dwóch odcinkach, life finds a way.

Opisy Ilustracji

Zdjęcie w nagłówku. Pingwiny cesarskie (Aptenodytes forsteri) na krze u wybrzeży Antarktydy. Foto: nanjinsamual. Źródło: iNaturalist (licencja CC-BY-NC).
Ryc. 1. Didelphodon vorax, drapieżny torbacz z późnej kredy stanu Wyoming (USA), zaliczany do wymarłej rodziny Stagodontidae. Prawdopodobnie prowadził ziemnowodny tryb życia; był jednym z największych ssaków mezozoicznych (masa ciała powyżej 5 kg). Rekonstrukcja:  ©  Nobu Tamura 2016. Źródło: Spinops (licencja CC BY-SA).
Ryc. 2. Czaszka Thylacosmilus atrox, drapieżnego (lub raczej padlinożernego) torbacza z rzędu Sparassodonta. Ameryka Południowa, późny miocen i pliocen (9–3 mln lat temu). Amerykańskie Muzeum Historii Naturalnej, Nowy Jork. Foto: Claire Houck. Źródło: Wikipedia (licencja CC BY-SA 2.o).
Ryc. 3. Dromiciops bozinovici, jeden z trzech znanych współcześnie gatunków torbików, opisany w roku 2016. Uprzednio wszystkie torbiki zaliczano do gatunku D. gliroides, który (podobnie jak afrykański mrównik) uchodził za jedynego żyjącego przedstawiciela swojego rzędu. Górskie lasy deszczowe południowo-środkowego Chile i przygranicznych regionów Argentyny. Foto: ©  Vicente Valdez Guzman 2016. Źródło: iNaturalist (licencja CC BY-NC).

Lektura dodatkowa

Czy torbacze są ewolucyjnie „bardziej zaawansowane” niż łożyskowce?
Londyńskie Muzeum Historii Naturalnej
White et al. 2023
Trzy torbiki zamiast jednego: The Rafting Monkey (Darin A. Croft).
Torbacze z Antarktydy (Wyspa Seymoura): The Rafting Monkey (Darin A. Croft).
Eoceńska fauna Australii ze stanowiska Murgon (Queensland): Australian Museum.