Tag: Antarktyda

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – straszny artykuł w prasie…

Lucas Bergowsky4 komentarze

Dlaczego nie “część szósta”? Zawinił tekst, który przeczytałem pod tym linkiem https://next.gazeta.pl/next/7,172392,30816448,niezwykle-odkrycie-na-antak.html

Zastanawiam się, jakim cudem tekst na tym poziomie przeszedł przez redakcję i korektę, a następnie został opublikowany na tzw. “dużym portalu”. Z czasów mojej kariery pedagogicznej znam ten styl: lanie wody, aby zapełnić miejsce na kartce lub na ekranie pomiędzy reklamami. Uczniowi bym jakoś wybaczył − w końcu kto z nas lubił odrabiać zadania domowe? Tu jednak rozmawiamy o osobie, która zawodowo zajmuje się pisaniem tekstów mających popularyzować naukę. Nie jest to pierwszy raz, gdy na tym czy innym portalu natrafiam na tekst podobnych lotów − zawierający błędy, niejasne skróty myślowe, oczywiste przeinaczenia; tekst, który pozostawi wrażenie typu “znów coś ci naukowcy robią − i tak nie zrozumiem”. Znalezienie informacji i napisanie porządnego artykułu to coś, co wielu z nas robi za darmo, po prostu to, jak działa Wszechświat, jest fascynujące. Nasz blog właśnie popularyzacją nauki się zajmuje, toteż myślę, że podobnie, jak nie jest to pierwszy tekst tego rodzaju, który tu publikuję, nie będzie on również ostatnim. Zacznijmy więc od nagłówka, z którego ma wynikać, iż naukowcy dokonali ciekawego odkrycia na Antarktydzie:

Neutrina przenikają niepostrzeżenie, ale mają ogromne znaczenie w badaniach. Mogą one bowiem pomóc w pozyskaniu nowych informacji o Wszechświecie. Naukowcy najprawdopodobniej wykryli ostatnimi czasy siedem “cząsteczek-duchów” na Antarktydzie.

Początkowo myślałem, iż określenie “cząsteczki-duchy” to po prostu przenośnia, i tak bym myślał, gdybym nie przeczytał kolejnego akapitu, w którym autorka opisuje, co wspomniani naukowcy na Antarktydzie robią:

Naukowcy IceCube Neutrino Observatory przez niemal 10 lat badali cząsteczki elementarne, a niedawno najprawdopodobniej udało im się wykryć siedem potencjalnych neutrin. Potocznie bywają nazywane “cząsteczkami duchami”, ze względu na swoje rozmiary. Są one bowiem najmniejszymi cząsteczkami znanymi ludzkości i skrywającymi tajemnice kosmosu.

Zanim opowiemy sobie, co kryje się pod nazwą “IceCube”, przeczytajmy akapit do końca. Tak się zastanawiam, ile razy trzeba będzie jeszcze przypomnieć proste zasady terminologii: jeśli “elementarne” to tylko i wyłącznie CZĄSTKI. Jeśli mówimy o elektronie, mionie, kwarku, bozonie − to jest to zawsze CZĄSTKA ELEMENTARNA. Ze względów historycznych cząstkami elementarnymi nazywa się również bariony i mezony, będące układami trzech kwarków lub parą kwark – antykwark. Dlatego neutrino można nazwać “cząstką duchem” ale nie “cząsteczką”. Pojęcie “cząsteczki” jest związane z molekułami i chemią, a więc można bezpiecznie mówić o cząsteczkach wody, tlenu, kwasu solnego, chlorku sodu etc. Dlaczego korekta przepuściła tak oczywisty błąd? Dalej jest tylko ciekawiej: rozmiary cząstek elementarnych. Nie, nie wierzę, że tego rodzaju sformułowanie padło w tekście, który ma naukę popularyzować.

Obiekty tego rodzaju nie mają konkretnych rozmiarów, to nie ma sensu w ich przypadku. Cząstek elementarnych nie można traktować jak kulek mających dokładne średnice. Te obiekty przypominają coś bardziej ulotnego. Nasze teorie opisują kwarki, elektrony i neutrina jako bezwymiarowe punkty. Neutrina nie są “najmniejsze”, bo nie znamy dokładnych rozmiarów cząstek, ale jak wskazują dotychczasowe eksperymenty, z pewnością mają najmniejszą masę z cząstek budujących materię. Samej masie neutrin i problemach z nią związanych poświęcę osobny odcinek cyklu, to naprawdę złożone zagadnienie.

Czym jest wspomniane IceCube Neutrino Observatory? To jest superzabawka dla fizyków! Prawie tak super jak LHC, czyli Wielki Zderzacz Hadronów.

fot. CC BY-3.0

Otóż naukowcy wpadli na genialny pomysł, aby w lodzie Antarktydy wywiercić ponad 80 otworów o głębokości ponad dwóch kilometrów, a następnie spuścili tam liny, na których zawieszono odpowiednie fotodetektory. Jest ich tam ponad 5 tysięcy, gotowych zarejestrować każdy ślad ducha ku uciesze naukowców. Dlaczego na Antarktydzie i po co aż tyle? W poprzednich częściach cyklu opowiedzieliśmy sobie o naturze neutrin: mają niezwykle małą masę, nie przenoszą ładunku elektrycznego i bardzo słabo oddziałują z materią. Na ich ślad natrafiliśmy przez przypadek: zdawało się, że obserwowane zjawisko łamie znane nam zasady zachowania. Bezpośrednie obserwacje takich cząstek są niemożliwe, możemy za to obserwować efekty ich działania. Skoro oddziałują słabo, to szanse na obserwacje tych efektów są minimalne. Możemy je jednak zwiększyć poprzez budowę większego detektora lub użycie wydajnego źródła neutrin.

Jeśli chcemy polować na neutrina powstające przy okazji rozpadu beta, użycie wydajnego źródła, jakim jest np. reaktor jądrowy, wydaje się sensowne. Jednak przy polowaniu na neutrina mionowe czy taonowe traci sens. W rozpadzie beta nie mogą powstać inne neutrina niż elektronowe. Wszechświatem rządzą zasady zachowania. Dobrym źródłem innych neutrin jest tzw. “wtórne promieniowanie kosmiczne” powstające, gdy w cząstki budujące ziemską atmosferę uderzają cząstki pochodzące z innych części kosmosu, którym ogromny pęd nadały np. wybuchy supernowych. Ponieważ nie mamy wpływu na intensywność tego opadu, to wniosek jest prosty: do obserwacji neutrin tych rodzajów potrzeba odpowiednio dużego detektora.

Do wykrycia neutrin elektronowych wystarczyły baseny zawierające chlorek kadmu. Znajdowały się blisko reaktora, a więc neutrin było dużo, stąd nie musiały mieć dużych rozmiarów. No to teraz zastanówmy się, gdzie na naszej planecie jest dużo wody i czy musi być koniecznie cieczą? Antarktyda jest przecież pokryta ogromną ilością lodu! Prawda, że to duży detektor? Ma też dodatkową zaletę: detektor neutrin musi być maksymalnie wolny od zanieczyszczeń i ekranowany przede wszystkimi przed innymi cząstkami, które przecież też oddziałują z materią. IceCube jako bariery używa… całej planety. Przedmiotem zainteresowania naukowców są tylko te ślady, które pojawiają się “od dołu” detektora. Pomyślcie: cząstka, która wzbudziła zainteresowanie detektora, musiała przejść od bieguna północnego przez całą planetę. Poza neutrinami żadne tak nie potrafią! Dokładnie o samym detektorze IceCube, jego poprzedniczce o imieniu AMANDA oraz pozostałych i sposobach ich działania opowiem w osobnej części cyklu. Tymczasem wróćmy do omawianego tekstu:

Specjaliści obserwują cząsteczki na Antarktydzie i wykorzystują do tego tysiące detektorów. Istnieją trzy rodzaje neutrin: elektronowe, mionowe i taonowe. Naukowcy stwierdzili, że te, które wykryli na Antarktydzie, są najprawdopodobniej neutrinami taonowymi, które uchodzą za najtrudniejsze do zaobserwowania.

Zgadzam się: istnieją trzy rodzaje neutrin i odpowiadające im antyneutrina. Skąd to właściwie wiadomo? Z masy zetonu. Aby nie było żadnych wątpliwości − “zetonu”, nie “żetonu”. Bozon Z jest trzecią z cząstek przenoszących oddziaływanie słabe, które odpowiada między innymi za rozpady, w których neutrina powstają. Proces ten zawsze przebiega w dwóch etapach: cząstka elementarna emituje odpowiedni bozon, który następnie rozpada się na odpowiednie kombinacje cząstek elementarnych zgodnie z zasadami zachowania. Co masa tej cząstki może nam powiedzieć o tym, ile istnieje rodzajów innych cząstek? Zeton jest masywny, bardzo masywny jak na cząstkę − jego masa to mniej więcej 90 razy masa jądra wodoru lub w przybliżeniu tyle, ile wynosi masa jądra uranu. Emisja takiej cząstki wymaga energii. Jak pamiętamy, w naszym Wszechświecie można “pożyczyć” sobie energię potrzebną do takiej emisji wprost z próżni. Problem tylko tkwi w tym, że im więcej się bierze, tym szybciej trzeba oddać − zgodnie z zasadą nieoznaczoności. Oznacza to, że czas życia zetonu jest bardzo krótki, ale niezerowy. Zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, im krótszy jest czas życia rozpadającej się cząstki, tym więcej istnieje kombinacji cząstek, na które może się ona rozpaść. Mierząc czas życia zetonu, jesteśmy w stanie określić, ile istnieje rodzajów neutrin. Wyniki wielokrotnie powtórzonych doświadczeń wskazują, że istnienie innych rodzajów neutrin niż znane trzy, jest raczej niemożliwe, gdyż musiałby one mieć masę większą od samego zetonu, co oznacza, że sam bozon powstały z “pożyczonej z próżni energii” musiałby jej pożyczyć jeszcze więcej.

Dlaczego neutrina taonowe uchodzą za najtrudniejsze do zaobserwowania? Odpowiedź znów opiera się o masę, tym razem taonu. Lepton ten ma masę ok. 1777 MeV (elektron, dla porównania, to ok. 0,511 MeV). Powstanie tak ciężkiej cząstki wymaga naprawdę energetycznych zderzeń, a te są rzadkie. Stąd taonów powstaje niewiele, a jeszcze mniej dociera ich do nas z uwagi na ich masę. Rozpadają się dość szybko, a nasze detektory nie mogą być wszędzie. Dlatego jesteśmy zmuszeni cierpliwie czekać i liczyć na łut szczęścia, któremu pomagamy rozmiarami detektora na Antarktydzie. W kolejnym tekście postaram się przybliżyć, co dokładnie zrobiono na Antarktydzie i skąd tych “siedmiu krasnoludków” mających być neutrinami taonowymi.

Jeśli po przeczytaniu tego tekstu nadal macie pytania, to możecie je śmiało zadawać w komentarzach. Zapraszam również do przeczytania poprzednich części cyklu i oczekiwania na następne.

Poprzednie części cyklu:

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część pierwsza

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część druga

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część trzecia

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część czwarta

Niestraszna opowieść o kwantowych duchach – część piąta

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.

Zapomniany kontynent. Część 6: Dinozaury w smokingach

Piotr GąsiorowskiLeave a comment 
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 4: Polarnicy antarktyczni z torbami
Zapomniany kontynent. Część 5: Skrzydła nad Antarktydą

Galimatias po katastrofie

Jak pisałem w poprzednim odcinku, uporządkowanie systematyki ptaków nie jest zadaniem łatwym. Globalna katastrofa, która wydarzyła się 66 mln lat temu, starła z powierzchni Ziemi nie tylko dinozaury nieptasie, ale także większość ptaków. Przed tymi, które przeżyły, otworzyły się jednak rozliczne możliwości. Ocalałe ptaki błyskawicznie przeszły radiacje przystosowawcze, zajmując różne środowiska i nisze ekologiczne już podczas pierwszych kilku milionów lat nowej ery. Szybko następujące po sobie rozgałęzienia drzewa rodowego w tak krótkim czasie oznaczają, że między jednym a drugim utrwalało się niewiele innowacji biologicznych. Dlatego „sygnał genetyczny”, który próbujemy dziś rozpoznać, żeby na jego podstawie odtworzyć przebieg ewolucji, okazuje się słaby i podatny na zakłócenia. Drzewo rodowe ptaków rewidowano już niejednokrotnie, a w przyszłości, w miarę postępu badań, na pewno niektóre jego części trzeba będzie kreślić na nowo.

Podziały ptaków na paleognaty i neognaty, a tych drugich na Galloanserae i Neoaves nastąpiły już w kredzie i przebiegały nieśpiesznie, dlatego nie budzą dziś kontrowersji. Być może kilka grup Neoaves zdążyło się wyodrębnić jeszcze przed katastrofą, ale to, co się stało na granicy kredy i paleogenu, skomplikowało obraz: zamiast wyraźnej struktury drzewa mamy nieczytelną plątaninę linii rodowych. Różne analizy molekularne i badania paleontologów okazują się wzajemnie sprzeczne lub dają wyniki obciążone niepewnością. Gdy jednak „ewolucja na sterydach” nieco wyhamowała, powróciło trochę porządku. Dzięki temu specjaliści nie tylko są z grubsza zgodni co do podziału współczesnych Neoaves na trzydzieści kilka rzędów, ale nawet są w stanie pogrupować niektóre z nich w większe klady.

Ryc. 1.

Przykładem może być dość wyraziście zarysowany klad nazwany Aequornithes, który wyodrębnił się może u schyłku kredy, a może natychmiast po wielkim wymieraniu. Obejmuje on ptaki wyraźnie związane ze środowiskiem wodnym. Najpierw podzielił się na przodków dzisiejszych nurów (Gaviiformes) i resztę. Ta reszta rozpadła się następnie na dwie kolejne grupy. Pierwsza obejmuje trzy współczesne rzędy: bocianowe (Ciconiiformes), głuptakowe (Suliformes) i pelikanowe (Pelecaniformes). Do bocianowych – oprócz naszych boćków – należą np. marabuty, żabiru i dławigady; do głuptakowych – oprócz głuptaków – fregaty, kormorany i wężówki. Do pelikanowych – oprócz pelikanów – czaple i ibisy. Skupimy się jednak na drugiej grupie, obejmującej pozostałe Aequornithes.

Nieprawdopodobne rodzeństwo

Ta druga grupa zawiera tylko dwa siostrzane rzędy wywodzące się od wspólnego przodka. Pierwszy z nich, bogatszy w gatunki, to rurkonose (Procellariiformes). Wśród nich wyróżnia się kilka rodzin: burzyki, nawałniki, oceanniki i najbardziej znane, majestatyczne albatrosy. Największe gatunki albatrosów mają rozpiętość skrzydeł powyżej 3 m, więcej niż jakiekolwiek inne współczesne ptaki. Są mistrzami szybownictwa. Cyklicznie manewrując między warstwami powietrza o różnej prędkości i żonglując energią potencjalną i kinetyczną, albatros może utrzymywać się w powietrzu niemal bez końca. Korzysta za darmo z energii z wiatru i porusza skrzydłami tylko w chwili, gdy koryguje lot, zmieniając fazę cyklu. Pomijając starty, lądowania i manewry podczas polowania, albatros szybuje praktycznie bez wysiłku z taką swobodą, że jego tętno w ogóle nie przyśpiesza podczas lotu.

Ryc. 2.

Albatrosy spędzają większość życia, szybując nad głębokim oceanem, a żyją długo, często ponad 50 lat. Co dwa lata samica składa na lądzie jedno jajo, po czym monogamiczna para skupia się wspólnie na wychowaniu potomka. Następnie rodzice biorą sobie roczny urlop. Znane są przypadki, kiedy podczas takiego roku wypoczynkowego znakowane albatrosy wędrowne (Diomedea exulans) okrążały Antarktydę dwa lub trzy razy, pokonując w sumie odległość 120 tys. km, czyli trzykrotną długość równika Ziemi. Sześć lub siedem takich urlopowych wycieczek odpowiada wyprawie na Księżyc i z powrotem. Rurkonose wzięły swoją nazwę od długich, rurkowatych nozdrzy, które działają nieco podobnie do rurki Pitota w prędkościomierzach lotniczych. Za ich pomocą ptak precyzyjnie mierzy zmiany prędkości strumieni powietrza, optymalizując swoje szybownicze manewry.

O rurkonosych można by było opowiadać długo, ale musimy się zająć ich grupą siostrzaną. Wiele wskazuje na to, że podział, po którym dwie linie ewolucyjne poszły różnymi drogami, zdarzył się gdzieś między Ziemią Byrda w Antarktydzie Zachodniej a Nową Zelandią, która wówczas znajdowała się w okolicach koła podbiegunowego, niewiele ponad tysiąc kilometrów od brzegów Antarktydy. Praojczyzna obu grup leżała zatem prawdopodobnie pomiędzy pomostami lądowymi łączącymi Amerykę Południową i Australię z Antarktydą. Podział musiał nastąpić nie później niż w najwcześniejszym paleocenie, bo już 62 mln lat temu, zaledwie 4 mln lat po globalnej katastrofie, pojawiła się grupa gatunków wykazujących cały szereg bardzo charakterystycznych cech i przystosowań. Kontrast między nimi a albatrosami czy burzykami jest tak uderzający, że w ich bliskie pokrewieństwo aż trudno uwierzyć. Siostrzaną grupą rurkonosych są mianowicie pingwiny (Sphenisciformes).

Choć rurkonose rozprzestrzeniły się po wszystkich oceanach świata, nadal widzimy ślady ich związku z Gondwaną. Największą różnorodność ich gatunków spotykamy na Pacyfiku w okolicach Nowej Zelandii. Oceanniki i albatrosy mają w znacznej większości zasięg ograniczony do półkuli południowej, a szczególnie liczne są na Oceanie Południowym, który od końca eocenu otacza Antarktydę ze wszystkich stron. Jeśli chodzi o pingwiny, to od zarania swoich dziejów związane były szczególnie z Nową Zelandią, a w drugiej kolejności z nieodległymi od niej wybrzeżami Antarktydy.

Pierwsze pingwiny

Ze środkowego i późnego paleocenu Nowej Zelandii (62,5–56 mln lat temu) znamy sześć rodzajów pingwinów, na tyle różnorodnych, że musiały mieć już za sobą parę wcześniejszych etapów pingwiniej ewolucji. Wszystkie odkryto w XXI w. Dzięki tym znaleziskom geneza całego rzędu powoli staje się równie dobrze udokumentowana jak np. pochodzenie waleni – do niedawna otoczone tajemnicą, dziś stanowiące podręcznikowy przykład niemal kompletnej sekwencji ewolucyjnej. Najstarszy znany gatunek pingwina to Kupoupou stilwelli sprzed ok. 62 mln lat (opisany w 2019 r.), o budowie nóg podobnych jak u pingwinów dzisiejszych i o skrzydłach nienadających się do latania, za to już przekształconych w sprawne płetwy. Na uwagę zasługuje młodsza o ok. milion lat Crossvallia waiparensis (również odkrycie z 2019 r.) jako bardzo wczesny przypadek gigantyzmu w tej grupie. Był to pingwin wzrostu 160 cm, o masie ciała ok. 80 kg, czyli o jedną trzecią wyższy i dwa razy cięższy niż współczesne pingwiny cesarskie.

Ryc. 3.

Crossvallia unienwillia sprzed 59,2 mln lat (2005), nie tak wielka jak jej nowozelandzka kuzynka, ale i tak większa niż pingwin cesarski, pochodzi ze znanej nam już dobrze z poprzednich wpisów Wyspy Seymoura u wybrzeży Półwyspu Antarktycznego. Znalezisko to dowodzi, że w późnym paleocenie pingwiny były już zadomowione w Antarktydzie. Zaczynał się właśnie okres wyjątkowo cieplarniany, toteż nasz zapomniany kontynent stwarzał kolonistom komfortowe warunki życia. Pingwiny potrafiły już znakomicie nurkować i manewrować pod wodą, ale nie musiały się jeszcze adaptować do ekstremalnych warunków klimatycznych. Antarktyda była stosunkowo ciepła przez cały eocen (56–34 mln lat temu). Z tej epoki znamy kilka rodzajów kopalnych pingwinów nowozelandzkich, a ze schyłku eocenu także patagońskich i australijskich, ale przede wszystkim uderza duża liczba i niezwykła różnorodność gatunków odkrytych w rejonie Półwyspu Antarktycznego, zwłaszcza na Wyspie Seymoura. Najmniejsze (jak Aproskoditos microtero) miały ok. 35 cm wzrostu, największe (rodzaj Anthropornis, odkryty już na początku XX w.) były wzrostu człowieka – i to raczej wysokiego – a ważyły około 80–100 kg. Różniły się także proporcjami ciała i długością oraz kształtem dzioba.

Gatunki pingwinów o wzroście co najmniej ok. 150 cm były dość liczne w eocenie. Nasuwa się pytanie, dlaczego ich ewolucja nie poszła dalej tą drogą. Wokół Antarktydy nigdy nie brakowało dużych ryb i głowonogów, na które takie ptasie olbrzymy mogłyby polować. Możliwą przyczyną jest fakt, że w późnym eocenie u brzegów Antarktydy pojawiły się jeszcze większe drapieżniki nowego typu – walenie, które nie tylko konkurowały o ten sam rodzaj pokarmu, ale dla których także pingwiny były apetycznym kąskiem. Rozsądniej było wycofać się z wyścigu.

Nowy początek

W oligocenie, kiedy antarktyczny prąd wokółbiegunowy popłynął bez przeszkód, a odizolowaną od innych kontynentów Antarktydę zaczęło ogarniać zlodowacenie, większość linii rodowych pingwinów antarktycznych wymarła. Centrum świata pingwinów przesunęło się dalej od bieguna, zwłaszcza na Nową Zelandię, która stała się ponownie ośrodkiem kolejnych ekspansji. Coraz szybszy prąd biegnący dookoła Antarktydy ułatwiał pingwinom migracje. Nowe pingwiny, spokrewnione z nowozelandzkimi, pojawiły się w argentyńskiej Patagonii i w Australii. Polowanie w zimnym oceanie oznaczało nacisk selekcyjny w kierunku przystosowań zapobiegających utracie ciepła i doskonalących regulację temperatury ciała bez względu na warunki środowiskowe. Współczesne pingwiny antarktyczne dysponują całą baterią takich przystosowań – od zwartej budowy ciała, gęstych piór przypominających futro i warstwy tłuszczu pod skórą, aż do specjalnych „wymienników ciepła” w układzie krążenia, zwłaszcza w stopach i skrzydłach. Pingwiny żyjące w szczególnie surowych warunkach pomagają sobie nawzajem utrzymać ciepło, zbijając się podczas nocy polarnej w gromady przytulonych do siebie osobników.

Ostatni wspólni przodkowie wszystkich dzisiejszych pingwinów żyli we wczesnym miocenie (20–13 mln lat temu). Przypuszczalnie protoplaści dzisiejszych rodzajów Aptenodytes (czyli pingwinów cesarskich i królewskich) oraz Pygoscelis, oddzieliwszy się od przodków pozostałych dzisiejszych gatunków, skolonizowali ponownie Antarktydę, nie przejmując się postępującym zlodowaceniem. Do rodzaju Pygoscelis należą m.in. wyjątkowo liczne wokół całej Antarktydy pingwiny białookie, zwane też pingwinami Adeli (P. adeliae), słynne ze swoich sezonowych migracji. Niektóre kolonie tego gatunku pokonują każdego roku 13 tys. km, wędrując w tę i z powrotem między obszarami lęgowymi a zimowymi łowiskami. Przynajmniej w tym zamiłowaniu do dalekich wędrówek podobne są do albatrosów, choć nie korzystają z energii wiatrów. Potrafią nie tylko pływać pod wodą i dreptać po lądzie, ale także z wielką gracją saneczkować po lodzie i śniegu na brzuchach okrytych gładkimi, łuskowatymi piórami.

Charakterystyczna kolorystyka dzisiejszych pingwinów, przywodząca na myśl elegancki strój wieczorowy (biały brzuch i ciemne umaszczenie głowy, grzbietu i zewnętrznej strony skrzydeł) jest dobrym kamuflażem podczas nurkowania. Pingwin pod wodą jest słabo widoczny dla potencjalnych pingwinożerców zarówno od góry (na tle mrocznej głębiny), jak i od dołu (na tle nieba). Z pewnością takie barwy występowały już u wspólnego przodka dzisiejszych pingwinów, a prawdopodobnie i wcześniej. Paleoartyści rekonstruujący wygląd najstarszych pingwinów malują je zwykle w podobnych kolorach – zapewne słusznie.

Ryc. 4.

Epilog

Cztery gatunki pingwinów współczesnych żyją wyłącznie lub częściowo na wybrzeżach kontynentalnej Antarktydy; większość pozostałych – w szeroko rozumianej Antarktyce, czyli na archipelagach otaczających zapomniany kontynent. Są miejsca, gdzie można spotkać pingwiny od dziesiątków milionów lat: Nowa Zelandia, południowa Australia i Tasmania, południowa część Ameryki Południowej; jednak kilka gatunków dotarło znacznie dalej na północ: do Afryki Południowej i wzdłuż pacyficznego wybrzeża Ameryki Południowej aż do wysp Galapagos, czyli w głąb strefy tropikalnej. Galapagos to jedyne miejsce, gdzie zasięg występowania pingwinów minimalnie przekracza równik. Pingwiny wyewoluowały jednak w pobliżu serca Gondwany i w większości do dziś pozostały ptakami najdalszego południa.

Na eoceńskich stanowiskach Wyspy Seymoura skamieniałości pingwinów towarzyszą kościom licznych ssaków, a także ptaków. Nie tylko ptaków latających, jak ogromne wymarłe pelagornisy (jeszcze większe od albatrosów, z ostro piłkowanymi krawędziami dziobów naśladującymi prawdziwe uzębienie), ale także ptaków naziemnych, biegających. Ze względu na ubóstwo ich szczątków trudno mieć pewność, czy były to ptaki paleognatyczne, czy może wielkie drapieżne Phorusrhacidae, spokrewnione z dzisiejszymi kariamami. W każdym razie nie mogą się one równać z eoceńskimi pingwinami, jeśli chodzi o liczbę, różnorodność i stopień zachowania skamieniałości. Wszystkie inne kręgowce lądowe Antarktydy – poczynając od żab i żółwi, a kończąc na torbaczach, szczerbakach i ssakach kopytnych – wymarły. Tym razem to dinozaury, reprezentowane przez rząd pingwinów, okazały się najtwardszymi zawodnikami.

Opisy Ilustracji

Zdjęcie w nagłówku. Pingwiny cesarskie (Aptenodytes forsteri) na krze u wybrzeży Antarktydy. Foto: nanjinsamual. Źródło: iNaturalist (licencja CC-BY-NC).
Ryc. 1. Drzewo rodowe grupy Aequornithes wg obecnego stanu wiedzy. Żródło: Sangster & Mayr 2021 (licencja CC BY 4.0).
Ryc. 2. Albatros wędrowny auklandzki (Diomedea exulans ssp. gibsoni) w pobliżu Cieśniny Bassa (Australia). Foto: Sam Gordon. Źródło: iNaturalist (licencja CC BY-NC-SA).
Ryc. 3. Badacze ptaków kopalnych, dr Paul Scofield i dr Vanesa De Pietri z Canterbury Museum, Christchurch (Nowa Zelandia) prezentują model naturalnej wielkości paleoceńskiego pingwina Waimanu manneringi sprzed ok. 61 mln lat. Źródło: Canterbury Museum (licencja CC BY-NC).
Ryc. 4. Pingwiny białookie (Pygoscelis adeliae) w pobliżu stacji polarnej Dumont d’Urville’a (Antarktyda Wschodnia). Foto: Xavier Meyer. Źródło: iNaturalist (licencja CC BY-NC).

Lektura dodatkowa

Przystępne podsumowanie obecnej wiedzy o historii ewolucyjnej pingwinów: Pelegrin & Acosta Hospilateche 2021.
Najstarszy znany pingwin (Kupoupou stillwelli): SciNews.
Największy dotąd odkryty pingwin (ok. 150 kg, opisany w 2023 r.), Kumimanu fordycei z Nowej Zelandii: LiveScience.
Niesamowite migracje pingwinów białookich: Hannah Waters, Audubon.

Zapomniany kontynent. Część 4: Polarnicy antarktyczni z torbami

Piotr GąsiorowskiLeave a comment 
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.