Kokolitofory - mali bohaterowie mórz i oceanów

Kokolitofory (Coccolithophores), to tajemnicze morskie żyjątka, które wpływają na klimat na Ziemi bardziej niż Wam się wydaje.

Ciepłe bajorko Darwina

Wygląda na to, że Darwin i tym razem miał rację. Ciepłe bajorka w pobliżu źródeł hydrotermalnych są lepszym środowiskiem do powstania życia niż okolice dna oceanów w pobliżu tzw. ventów

Mech i wielkie wymieranie

Pierwsze mchy pojawiły się na lądzie w ordowiku. Uruchomiona przez nie reakcja hydrolizy krzemianów doprowadziła do zlodowacenia i wielkiego wymierania.

Zagłuszanie oceanu

Ocean pełen jest dźwięków. Trzęsienia ziemi, wybuchy wulkanów i odgłosy zwierząt. Coraz częściej jednak słychać hałas ludzkich urządzeń. Hałas, który zabija wieloryby.

Kleszcze i niesporczaki w kosmosie

Nie są tak odporne jak bakterie, a jednak. Niesporczaki i kleszcze są w stanie przetrwać podróż międzygwiezdną i zasiedlić kosmos.

środa, 26 grudnia 2012

Korwin-Mikke, jemioła i co z tego wynika

Jemioła większości z nas kojarzy się z krzaczkiem zwisającym nad naszymi głowami podczas świąt Bożego Narodzenia. Łatwo zapomnieć o niej przez resztę czasu, gdy tymczasem nad naszymi głowami zwisa przez okrągły rok ponad 1300 gatunków jemioły, które pasożytują na tysiącach gatunków drzew na całym świecie. W tym sezonie świąteczno-noworocznym jemioła w mediach wywołana była już niezliczoną ilość razy. Ja zapamiętałem sobie jednak wpis Janusza Korwina-Mikke, który we właściwy dla siebie sposób, stwierdził, że biskupi miewają czasami dobre pomysły. A dotyczyło to decyzji biskupa anglikańskiego, który, gdy Anglię naszła plaga jemioły, ogłosił, że pod jemiołą całować się wolno. W purytańskich czasach młodzieńcy ochoczo rzucili się na jemiołę, znosząc ją do domów. Efekt był podwójny - likwidacja pasożytniczej jemioły i zwiększony przyrost naturalny.

Pana Janusza cenię za wiele rzeczy, pamiętam jego występy w sejmie I kadencji, jednak mam wrażenie, że ostatnio hołduje zasadzie "nie znam się, to się wypowiem". Jemioła (Viscum spp.) to nie do końca pasożyt, to w istocie półpasożyt - samodzielnie przeprowadza fotosyntezę, jest jednak podłączona do tkanek drzewa-żywiciela, z którego pobiera wodę i sole mineralne. Jej rola w ekosystemie nie jest jednak negatywna, co może sugerować termin pasożyt czy półpasożyt. Właściwie, można zaryzykować twierdzenie, że jemioła jest pożyteczna, potrzebna i sprzyja bioróżnorodności.

Jemiołuszka przepada za jemiołą (fot. jweckst)
Najłatwiej chyba pożyteczną rolę jemioły przedstawić na przykładzie dość znanego ptaszka - jemiołuszki. Jak sama nazwa wskazuje, jemiołuszka żywi się owocami (jagodami) jemioły. Oczywiście nie tylko, ale jeśli tylko może, preferuje ten pokarm nad innymi. Dzięki temu wywiązał się ciekawy układ jemioła - jemiołuszka, dzięki któremu ptak je to co lubi, a jemioła może się rozmnażać. Jej nasiona uwięzione w owocu, przechodzą bez problemu przez układ trawienny jemiołuszki i mają szansę zakiełkować na gałęzi po wydaleniu przez ptaka.
Przykład pokazuje, że owoce jemioły mogą być pokarmem dla wielu zwierząt, w tym ptaków, ssaków czy owadów. Mało tego, plątanina zielonych pędów jemioły jest świetnym miejscem gniazdowania wielu gatunków ptaków.

Przykład z jemiołuszką pokazuje, że układ jemioła - ptak może być uzależniający. Szczególnie dla jemioły. Obecnie znamy 90 gatunków ptaków reprezentujących 10 rodzin, które specjalizują się w objadaniu owocami jemioły. Słodkim nektarem jemioły odżywiają się także niektóre gatunki kolibrów.

To jednak nie wszystko. Niedocenianą, ale ogromną rolę spełniają też obumarłe gałązki jemioły, które opadną na leśne podłoże. Okazuje się, że opadła jemioła zawiera o wiele więcej składników odżywczych w swych liściach niż liście drzewa-żywiciela. Właśnie ze względu na swój półpasożytniczy sposób życia. Stanowią więc liście jemioły doskonałe pożywienie dla zwierząt, które zimą mają kłopoty ze znalezieniem pełnowartościowego pokarmu.

Doświadczenia przeprowadzane w lasach eukaliptusowych Australii pokazały, że jemioła może pełnić w ekosystemie kluczową rolę, a opad obumarłych gałązek jemioły jest w chyba najważniejszy. Do wniosków takich badacze doszli usuwając jemiołę z rzeczonego zagajnika eukaliptusowego i obserwując zmiany w ekosystemie. Po trzech latach stwierdzono, że jedna piąta gatunków kręgowców zamieszkujących poprzednio teren badań zniknęła. Większość z nich zjadała insekty penetrujące podłoże lasu, zatem wniosek nasuwał się sam. Populacja insektów była regulowana dostępnością opadłych liści jemioły. I to one pełnią w ekosystemie ważniejszą rolę niż owoce, za którymi tak przepadają jemiołuszki.

Kolejny wniosek, jaki mnie się nasunął, to taki, że po wycałowaniu się pod jemiołą powinniśmy odnieść ją do lasu. Niech służy aż do wiosny.

Źródła: 
Watson D.M. & Herring M. (2012). Mistletoe as a keystone resource: an experimental test, Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 279 (1743) 3853-3860. DOI: 10.1098/rspb.2012.0856 

fot. w nagłówku flickr.com http://www.flickr.com/photos/allerleirau/

niedziela, 2 grudnia 2012

Bakteryjne ogniwa paliwowe

 Do ekologicznych źródeł energii, oprócz paneli słonecznych i wiatraków, dołączyć można także bakterie wytwarzające prąd elektryczny. Planując budowę domu, warto się nad tym zastanowić. Opracowany niedawno system pozwala na wygenerowanie prądu elektrycznego zdolnego do pokrycia rocznego zapotrzebowania na energię dla niewielkiego gospodarstwa domowego. Wszystko czego potrzeba do uzyskania prądu to trochę bakterii oraz niewielka działka, gdzie odkładałaby się materia organiczna. Jej rozkładem zajmowałyby się bakterie, wytwarzając przy okazji prąd elektryczny. Okazuje się, że z takiej bakteryjnej mini-elektrowni można będzie uzyskać wydajność rzędu 3.2 Watt/m². W sumie, ze 100 m² powierzchni fermentujących roślin można będzie wyciągnąć 2800 kWh/r. Dla porównania, w Polsce gospodarstwo dwuosobowe rocznie zużywa około 3100 kWh energii elektrycznej.

Dla nieobeznanych z tematem brzmi to nieco fantastycznie. Dla nieco bardziej zorientowanych kojarzyć może się z biopaliwami. Te, w Polsce często łączone są z tzw. biokomponentami, które, zgodnie z unijnymi dyrektywami mają być dodawane do oleju napędowego. Tym razem chodzi jednak o coś zupełnie innego. Chodzi o tzw. ogniwa paliwowe (ang. fuel cell), a nawet więcej, chodzi o bakteryjne ogniwa paliwowe. Ogólnie rzecz biorąc całość prac nad bakteryjnymi ogniwami paliwowymi związana jest z bio-elektrochemicznymi procesami jakie zachodzą przy udziale bakterii. Po części pokrywa się to z ideą samych ogniw paliwowych, znanych już od połowy XIX w.

Ideę ogniwa paliwowego streścić można w prosty sposób: to energia uzyskiwana z reakcji chemicznego utleniania dostarczanego do niej paliwa. Wygląda to w ten sposób, że paliwo jako darczyńca (donor) elektronów (ang. donor) gromadzi się na anodzie oddzielonej od akceptora elektronów (ang. acceptor) specjalną membraną, która przepuszcza tylko protony. Ruch elektronów z anody do katody, czyli prąd elektryczny, odbywa na zewnątrz membrany się przez odbiornik energii. Jako membrany (ang. PEM - Polymer Electrolyte Membrane) stosuje się obecnie polimery fluorowe. Warto jeszcze dodać, że ogniwa paliwowe, w odróżnieniu od tzw. zwykłych baterii, nie wymagają wcześniejszego naładowania. Nie magazynują prądu, ale za to wytwarzają go już od momentu rozpoczęcia reakcji utleniania.
Schemat działania ogniwa paliwowego: 1) wodór; 2) ruch elektronów; 3) odbiornik; 4) tlen; 5) katoda; 6) membrana; 7) anoda; 8) woda; 9) jony (żr. wikipedia)

Jak łatwo się można zorientować, wykorzystanie takiego ogniwa niesie ze sobą wymóg dostarczania paliwa, co może być ekonomicznie nieopłacalne. Kolejnym progiem jest sprawność energetyczna samego ogniwa. Teoretycznie może ona wynosić do 83%, jednak w praktyce, w przypadku pojazdów mechanicznych uzyskuje się w tej chwili ok. 40% sprawność. Niewątpliwym jednak atutem jest ekologiczna czystość odpadów podczas uzyskiwania takiej energii. W obecnie stosowanych ogniwach paliwowych, paliwem dostarczanym do ogniwa jest najczęściej wodór, zaś produktem ubocznym woda (para wodna). Jak widać kolejnym atutem są także w zasadzie niewyczerpane źródła wodoru.

Ale - właśnie problem z dostawą wodoru do układu ogniwa paliwowego powoduje, że ogniwa wodorowe są obecnie drogie i trudno sobie wyobrazić coś w rodzaju takiego ogniwa zaopatrującego dom w energię elektryczną. Gdybyśmy chcieli zrealizować taki pomysł musielibyśmy mieć dostęp do źródła wodoru, najlepiej w postaci skroplonej. Łatwo się zorientować, że koszt działania takiej instalacji mógłby przewyższać cenę wyprodukowanej energii. Próbuje się temu zaradzić łącząc ogniwo wodorowe np. z wiatrakami lub panelami słonecznymi, które produkują wodór. Jednak to taka hybryda, która trochę rozmywa pomysł stosowania ogniwa paliwowego.

Najpopularniejsze zastosowanie, czy też cieszące się największym zainteresowaniem potencjalnych nabywców, ogniwa paliwowe znalazły w przemyśle motoryzacyjnym. Honda, Toyota czy Mercedes mają w swej gamie samochodów również modele wykorzystujące ogniwa paliwowe. Na razie są to pojazdy prototypowe, ale obejmują one także autobusy, które będą mogły być wykorzystywane w centrach dużych miast, gdzie zanieczyszczenie powietrza, może skutecznie wyeliminować ruch konwencjonalnych pojazdów benzynowych. W rur wydechowych będzie wylatywać para wodna. Oczywiście potrzeba do tego sieci dystrybucji wodoru, ale niektóre państwa pewnie będzie stać na stosunkowo szybką rozbudowę takiej sieci. Można nawet w ciemno stawiać w pierwszym rzędzie na Niemcy, gdzie już dziś do centrów miast mogą wjeżdżać tylko samochody o odpowiednio niskiej emisji spalin. No i jeszcze jedno, cena w salonie za takie autko. Na razie za drogo, nawet dla Niemców, ale Toyota obiecuje, że już za parę lat wprowadzi na rynek model za ok. 50 tys dolarów.
Honda FCX - model na wodorowe ogniwo paliwowe za nieco ponad 100 tys. $ (źr. Honda News)

Oprócz samochodów, próbuje się konstruować również inne pojazdy, typu motorów, statków czy łodzi podwodnych. W USA, na wyspie Stuarta uruchomiono także elektrownię, która działa na zasadzie pętli: panele słoneczne → elektroliza wodoru → ogniwo paliwowe → prąd elektryczny. Sama wyspa zamieszkana jest przez 800 mieszkańców i elektrownia traktowana jest na razie jako eksperyment, tym bardziej, że jej sprawność wynosi zaledwie ok. 7%.

Wróćmy jednak do bakterii. Bakteryjne ogniwa paliwowe z angielska zwane microbial fuel cells (MFC) związane są z bio-elektrochemicznymi systemami (ang. BES). W takim systemie bakteria reaguje z elektrodami, anodą i katodą czyli donorem i akceptorem, transportując pomiędzy nimi elektrony. Donorem (anodą czyli paliwem) może być tak jak poprzednio wodór, ale mogą być także metale (żelazo, mangan) czy też kwas mrówkowy. Akceptorem jest oczywiście tlen. Do warunków takiej wymiany elektronów czyli płynięcia prądu elektrycznego przewodzonego przez bakterie może dochodzić w kilku przypadkach i przy udziale kilku typów bakterii.

W pierwszym typie MFC bakterie hodowane są w oddzielnym zbiorniku gdzie w efekcie swojego metabolizmu wytwarzają wodór dostarczany do ogniwa paliwowego. Mamy więc klasyczne rozwiązanie, gdzie beztlenowe bakterie, np. Escherichia coli wytwarzają wodór w wyniku fermentacji kwasów mieszanych. Podobno najlepiej sprawdza się kwas masłowy i bakteria z rodzaju Clostridium.

W drugim typie jako paliwo używany jest wodór, siarkowodów i kwas mrówkowy. Całość, donor i akceptor, znajduje się w tym samym zbiorniku. W ogniwie biorą udział bakterie siarkowe z rodzaju Desulfovibrio, które żyją z redukcji siarczanów.

W trzecim typie MFC do przekazywania elektronów służą tzw. mediatory redoks, które przedostają się do wnętrza komórki bakteryjnej, gdzie ulegają redukcji. Zredukowany mediator opuszcza komórkę bakterii i szybko ulega utlenieniu na elektrodzie nie osiadając na niej. W tym przypadku bakterie pełnią tylko rolę redukcji mediatorów-paliw. Jako przykład takiego duetu może służyć wymieniana już pałeczka okrężnicy Escherichia coli i błękit metylowy jako mediator.

Do czwartego typu MFC należą bakterie które bezpośrednio łączą paliwo z anodą, czyli przekazują na nią elektrony. Ten typ bakteryjnego ogniwa paliwowego jest najbardziej wydajny i nad nim skupia się większość prac badawczych. Jak to wygląda? W gruncie rzeczy związane jest to ze sposobem komunikowania się ze sobą bakterii. Bakterie potrafią przekazywać informacje o swoim stanie i otoczeniu innym bakteriom w pobliżu. Oczywiście, najszybszą metodą są sygnały optyczne rozchodzące się przecież z prędkością światła, jednak nie zawsze można z nich skorzystać. Wtedy najlepszym sposobem jest bezpośredni kontakt. który bakterie realizują w różny sposób. Najczęściej stosowanym sposobem jest łączenie się bakterii w zespoły wielu komórek, które działają jak jeden organizm.
Fragment bakteryjnego biofilmu - widać cienkie pili łączące ze sobą bakterie (źr. adonofrio)

Wielokomórkowe agregaty bakteryjne mogą tworzyć cienkie powłoki pokrywające różne powierzchnie, tzw. biofilm. W takim biofilmie pojedyncze bakterie połączone są z innymi bakteriami zewnątrzkomórkowymi wypustkami zwanymi pili. Pili tworzą skomplikowaną sieć powiązań międzykomórkowych, a sygnał pomiędzy komórkami przekazywany jest przy pomocy ładunku elektronów. Trochę przypomina to strukturę mózgu. Dość dobrze poznaną bakterią, która w ten sposób przewodzi prąd, jest rodzaj Shewanella. Doświadczenia przeprowadzano w osadach bogatych w materię organiczną i pozbawionych tlenu, tzw. osadach anoksycznych. Wtedy gdy kolumna wody ponad osadem także pozbawiona była tlenu, w osadzie nie obserwowane żadnych zmian. Gdy jednak do dna dostarczono trochę tlenu okazało, że materia organiczna i zgromadzony w strefie anoksycznej siarkowodór uległy gwałtownemu utlenieniu, któremu towarzyszyła jednoczesna redukcja strefy utlenionej oraz wzrost alkaliczności wody (pH). Jedynym wytłumaczeniem był proces transportu elektronów wzdłuż bakteryjnych pili, które zyskały miano nanokabelków (ang. nanowires). W późniejszych badaniach okazało się, że nie tylko bakteryjne pili mogą przewodzić prąd elektryczny.

Prąd może być także transportowany wzdłuż bakteryjnych nitek, tzw. filamentów. Skala tego zjawiska jest już znacznie większa, gdyż filamenty przewodzące prąd mogą mieć do kilku centymetrów długości i kilka mikrometrów grubości. Mimo, że to wciąż bardzo mało (ponad 100 metrów takiego kabelka mieści się w 1 cm³ osadu), to jednak mikrokable (ang. microcables) mają już potencjał do wykorzystania przez człowieka.

Bardzo ciekawym przykładem bakterii siarkowych, które tworzą rozległe pola mat bakteryjnych wypuszczających w głąb osadu, długie na kilkanaście cm filamenty, są gigantyczne bakterie z rodzaju Thioploca. Filamenty takich bakterii mogą mieć do 1.5 mm średnicy, na dodatek łączą się w wiązki, które pokryte są wspólną osłonką - taki splot kabelków w koszulce. Bakterie te operują w strefie pomiędzy anoksyczną a utlenioną, tzw. suboksycznej, dbając o to, żeby nie było w niej ani za dużo siarki, ani za dużo tlenu. Energię czerpią z utleniania siarczków w głębokiej części strefy ankosycznej przy pomocy azotanów z pogranicza strefy anoksycznej i suboksycznej, jako ostatecznych akceptorów.

Wracając do początku, do działki z bakteriami produkującymi prąd, sytuacja wyglądałaby podobnie jak w czwartym typie bakteryjnych ogniw paliwowych, gdzie bakterie utleniałyby butwiejącą w strefie anoksycznej materię organiczną. Początkiem całego łańcucha jest oczywiście fotosynteza, czyli wzrost roślin, które po obumarciu dostają się do osadu pozbawionego tlenu, gdzie dochodzi do procesów gnicia, tworzenia się siarczków i ostatecznie metanogenezy. Bakterie działające na granicy stref anoksycznej i tlenowej generowałyby ruch elektronów w stronę tlenowego akceptora wzdłuż swoich filamentowych struktur.
Schemat działania PMFC (źr. Nature)
Cały pomysł tzw. Plant Microbial Fuel Cell (PMFC) jest w tej chwili opracowywany na uniwersytecie w Wageningen w Holandii, gdzie założono spółkę typu spin-off o nazwie Plant-e, która chce wykorzystać rośliny z nadmorskich równi pływowych i bagien. W przypadku braku działki, na której mogłyby takie rośliny rosnąć, Holendrzy proponują produkcję bakteryjnego prądu na płaskich dachach. Zobaczymy jak spółka się rozwinie, bo sam projekt ma być wcielony w życie do 2015 roku.

Źródła:
Huettel M, Forster S, Kloser S, & Fossing H (1996). Vertical Migration in the Sediment-Dwelling Sulfur Bacteria Thioploca spp. in Overcoming Diffusion Limitations. Applied and environmental microbiology, 62 (6), 1863-72 PMID: 16535328

Nielsen, L., Risgaard-Petersen, N., Fossing, H., Christensen, P., & Sayama, M. (2010). Electric currents couple spatially separated biogeochemical processes in marine sediment Nature, 463 (7284), 1071-1074 DOI: 10.1038/nature08790

Pfeffer, C., Larsen, S., Song, J., Dong, M., Besenbacher, F., Meyer, R., Kjeldsen, K., Schreiber, L., Gorby, Y., El-Naggar, M., Leung, K., Schramm, A., Risgaard-Petersen, N., & Nielsen, L. (2012). Filamentous bacteria transport electrons over centimetre distances Nature, 491 (7423), 218-221 DOI: 10.1038/nature11586

Rabaey K, Rodríguez J, Blackall LL, Keller J, Gross P, Batstone D, Verstraete W, & Nealson KH (2007). Microbial ecology meets electrochemistry: electricity-driven and driving communities. The ISME journal, 1 (1), 9-18 PMID: 18043609

Reguera G (2011). When microbial conversations get physical. Trends in microbiology, 19 (3), 105-13 PMID: 21239171

Sikora, A. & Sikora, R. 2005. Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe. Biotechnologia, 2: 68-77.

Fot. w nagłówku: na amerykańskim rynku już pojawiły się dystrybutory z wodorem (źr. flickr)


piątek, 2 listopada 2012

Reguła Cope'a - czasem się sprawdza

Ewolucja zwierząt w długim okresie czasu często prowadzi do powiększania się ich gabarytów - od małych do gigantycznych form. Przynajmniej tak mówi nam reguła zaproponowana przez paleontologa Edwarda Cope'a, znana jako reguła Cope'a. Reguła ta była często krytykowana (Gould, 1997). Tym razem sprawdzano jej prawdziwość przy użyciu najnowszych sposobów modelowania statystycznego. Oczywiście, testowano na dinozaurach i okazało się, że reguła Cope'a jest prawdziwa...czasami.

Dinozaury bowiem uważane były za klasyczny przykład działania reguły Cope'a (Hone et al., 2005). Podobnie zresztą ssaki, które dostarczały wielu przykładów potwierdzających jej rzekomą prawdziwość (np. Alroy, 1998). W opisywanym teście do oszacowania wielkości dinozaura wykorzystano jego kości udowe (Hunt et al., 2012). Dane z pomiarów tych kości wrzucono do modelu statystycznego, który sprawdzał bezpośredni trend wzrostu w czasie geologicznym oraz czy można było określić górny limit wzrostu ciała dinozaura. Pozwoliło to na odpowiedź czy trend wzrostu obecny w linii rozwojowej jest stały i odpowiada regule Cope'a.
Edward Drinker Cope - barwna postać. Chciał zostać po śmierci holotypem Homo sapiens (fot. Gutenkunst, PD)

Dinozaury w obrębie tych samych kladów rzeczywiście wykazują tendencję do powiększania gabarytów w trakcie ewolucji. Ich trendy wzrostu są zgodne z regułą Cope'a. Np. ceratopsy i hadrozaury w miarę ewolucji generalnie były coraz większe, chociaż trafiały się linie rozwojowe o zmniejszających się systematycznie osobnikach.

Nieco inaczej sprawa wygląda z maksymalną, możliwą wielkością ciała. Symulacja wykazała, że czasem taki limit w obrębie kladu występował, czasem nie. Przykładowo, klady zauropodów oraz ornitopodów (iguanodony, ceratopsy) nie wykazywały istnienia górnego limitu wzrostu do jakiego mogłyby, teoretycznie ewoluować. Jak sami wiemy, te klady dinozaurów faktycznie wydały na świat największe zwierzęta lądowe, jakie kiedykolwiek pojawiły się na Ziemi.
Hadrozaury (jak widać) z biegiem czasu były coraz większe, zgodnie z regułą Cope'a (rys. Debivort CC-BY-SA)

Z kolei teropody, w tym słynny tyranozaur, wykazywały cechy limitu maksymalnego wzrostu. Jednym z powodów ograniczenia wzrostu teropodów była ich dwunożność. Olbrzymie cielska w pewnym momencie okazywały się za ciężkie, jak na dwie nogi.

Ptaki, pomimo, że wywodzą się od teropodów, zostały wykluczone z badań statystycznych. Wydaje się, że presja ewolucyjna premiowała formy lekkie, radzące sobie lepiej w powietrzu, więc niekoniecznie większe.

Jak widać, reguła Cope'a czasem działa, czasem nie (Hunt et al., 2012). Zatem twierdzenie, że "większe jest lepsze" wymaga co najmniej kilku zastrzeżeń. Jednym z nich jest wspomniany problem szkieletu i podtrzymywania wewnętrznych organów. Wiadomo, że zwiększanie powierzchni do kwadratu, powoduje zwiększanie objętości do sześcianu, więc przyrost objętości jest o wiele szybszy niż przyrost powierzchni.
Drugim jest dostępność pożywienia. Duży musi jeść więcej. Można sprawdzić ogólną biomasę mezozoicznych dinozaurów i porównać je ze współczesnymi ssakami. Średnio rzecz biorąc, pojedynczy dinozaur był kilkanaście tysięcy razu większy od uśrednionego, współczesnego ssaka (Trammer, 2011). Dinozaurów musiało być zatem kilkaset razy mniej. Gdyby były większe, ich liczba byłaby jeszcze mniejsza, przy stałej ogólnej biomasie. Zatem stosowanie się zauropodów do reguły Cope'a mogło w którymś momencie sprawić, że liczba osobników zaczynała spadać.

Źródła:
Trammer, J., 2011. Differences in global biomass and energy use between dinosaurs and mammals. Acta Geologica Polonica, 61: 125-132.

Rys. w nagłówku Mark Witton Camarasaurus CC-BY-SA

środa, 31 października 2012

Powstanie życia na Ziemi, czyli który cukier tuczy a leki leczą

Pierwszy śnieg tej zimy, pierwsze rękawiczki i powracające skojarzenia z chiralnością cząsteczek. A jak chiralność, to aminokwasy, a jak aminokwasy i zima, to oczywiście powstanie życia na Ziemi. A jak powstanie życia, to panspermia i meteoryty. A w tym roku łączy się to z aminokwasami z kanadyjskiego upadku meteorytu w rejonie jeziora Tagish. Znaleziono w nim L-asparaginę używaną do produkcji aspartamu.

Kiedy Miller i Urey wykonywali w latach 50-tych ubiegłego wieku swój eksperyment z wytwarzaniem prostych aminokwasów przy pomocy oparów amoniaku, metanu, pary wodnej i wyładowań elektrycznych, wydawało się, że zagadka powstania życia została rozwiązana i proste związki organiczne mogą powstawać niemalże w tak banalny sposób jak alanina i glicyna.
Eksperyment Millera-Ureya (Carny CC-BY-2.5)

Problem w tym, że od aminokwasów z kolby Millera do syntezy białek jest bardzo daleka droga. Ponadto w eksperymencie Millera-Ureya otrzymano zarówno aminokwasy L- jak i D-. Tymczasem wszystkie znane aminokwasy występujące w białkach to L-aminokwasy. Gdyby synteza białek przebiegała w środowisku podobnym do kolby Millera, powinniśmy mieć oba aminokwasy, L i D w białkach - nie różnią się właściwościami. Tak się nie stało. Dlaczego? Jest to jedna z zagadek powstania życia na Ziemi, która jak bumerang wraca na naukową kanwę. Ostatnio za sprawą meteorytu z jeziora Tagish w Kanadzie.

Co to są aminokwasy L i D?

Zróżnicowanie na aminokwasy L i D związane jest z tzw. chiralnością cząsteczek. Brzmi to bardzo naukowo, ale jak skojarzy się komuś z chiromancją, to będzie dobrze. Chiralność cząsteczek to cecha symetrii podobna do symetrii lewej i prawej dłoni. Łatwo takie cząsteczki wyobrazić sobie jak lewą i prawą rękawiczkę (uwaga: przykład działa tylko na rękawiczce pięciopalczastej, z odrębnie doszytym kciukiem). O chiralności można też myśleć zakładając rękawiczki. Choćbyśmy nie wiem jak obracali lewą rękawiczkę, to nijak nie będzie nam pasowała do prawej dłoni, mimo, że jej odbicie lustrzane jest identyczne z prawą rękawiczką.
Cząsteczki chiralne L- i D-aminokwasów

Takie dwie cząsteczki - izomery, które są swoimi lustrzanymi odbiciami nazywamy enancjomerami. Enancjomerami mogą być np. aminokwasy. W eksperymencie Millera-Ureya otrzymano oba enancjomery prawe i lewe (D- i L-aminokwasy), ale w naturalnych białkach występują tylko L-aminokwasy. Mało tego, syntetyczne białka zawierające mieszaninę enancjomerów aminokwasów nie funkcjonują prawidłowo.

D-aminokwasy są obrócone w prawo (ang. dextrorotation), zaś L-aminokwasy są obrócone w lewo (ang. levorotation). Kobiety rozpoznają lewą dłoń po tym, że ma kciuk z prawej strony, a to dlatego, że dłonie oglądają z zewnętrznej strony, w ten sposób, że kciuki skierowane są do środka. W przypadku chiralności cząsteczek, dłonie otwieramy, kciukami na zewnątrz. Więc L-aminokwasy to lewa dłoń. I tylko takie występują w białkach, jakie znamy na Ziemi. Wszystkie 21 aminokwasów, to L-aminokwasy.

Mieszanina racemiczna a powstanie życia na Ziemi

Wróćmy jeszcze raz do Millera i Ureya. Mieszankę, którą otrzymali można nazwać racemiczną, gdyż występowały w niej oba enancjomery białek. Nie trzeba wielkiego wysiłku umysłowego by stwierdzić, że taka mieszanka nie doprowadziłaby do powstania białek zawierających tylko L-aminokwasy, skoro było ich tylko połowę. Co się stało z pozostałymi D-aminokwasami? A może ich w ogóle nie było? Mogło ich nie być od początku, wtedy eksperyment Millera-Ureya i synteza aminokwasów, to tylko zabawa chemików, która nie ma nic wspólnego z powstaniem życia. Wracamy zatem do punktu wyjścia.

Ale można inaczej tłumaczyć. Mieszanka racemiczna aminokwasów została w jakiś sposób zmieniona, tak aby pozostały w niej tylko L-aminokwasy. Tu z pomocą przyszedł meteoryt z jeziora Tagish w subarktycznej Kanadzie.

Upadek meteorytu wyjaśnia wszystko

W styczniu 2000 r. nad jeziorem Tagish ok. 30 km nad ziemią eksplodował  spory meteoryt. Rozbłysk światła był na tyle silny, że wiele osób wyruszyło na poszukiwania szczątków, które spadły na ziemię. Do tej pory znaleziono ok. 500 fragmentów. Szczególnie ważne dla badaczy było to, że fragmenty spadły do wiecznej zmarzliny i zostały znalezione niemal natychmiast po upadku, więc prawdopodobieństwa zanieczyszczenia jakimiś substancjami ziemskimi było niewielkie.
Meteoryt z jeziora Tagish (NASA, Public Domain)

Znalezione fragmenty przebadano gruntownie i stwierdzono w nich obecność aminokwasów. Najważniejsze jest jednak to, że po raz pierwszy uzyskano dane dotyczące chiralności nieorganicznych aminokwasów przybywających do nas z kosmosu. L-aminokwasów w meteorycie było 4 razy więcej niż D-aminokwasów.

Wygląda na to, że w Układzie Słonecznym z jakichś powodów występuje nadmiar L-aminokwasów. Zmienia to też nasze wyobrażenia o początkach życia na Ziemi. Wygląda na to, że aminokwasy powstały bardzo wcześnie, jeszcze na etapie tworzenia się planetozymali i były na młodej Ziemi od początku. L-aminokwasy związane są raczej z początkiem Układu Słonecznego, a nie samej Ziemi.

No to dlaczego cukier nie tuczy a leki leczą?

No właśnie, tym przeważającym L-aminokwasem z meteorytu była asparagina. Co ciekawe, innym aminokwasem w meteorycie była alanina, która nie wykazywała przewagi żadnego enancjomeru. Badania izotopowe wykazały, że żaden z aminokwasów nie jest biogeniczny i powstał w czasie formowania się Układu Słonecznego. Być może promieniowanie spolaryzowanego światła ultrafioletowego w tym czasie faworyzowało powstawanie L-aminokwasów. Jeśli tak było, życie w Układzie Słonecznym, a być może wszędzie oparte będzie zawsze na L-aminokwasach.

Słowem, organizmy żywe ewoluowały w środowiskach gdzie występowały tylko L-aminokwasy i tylko takie są przez nie przyjmowane. To rozróżnianie chiralności ma kapitalne znaczenia dla ludzkości. Okazuje się, że część związków, np. glukoza jest przyswajalna przez organizm w zależności do tego jaki enancjomer zawiera. Jedna glukoza tuczy, inna o odwrotnej chiralności nie.

Na podobnej zasadzie działają też niektóre leki. Ich przyswajalność zależy od składu enancjomerów. Być może na tym polega różnica pomiędzy lekami różnych producentów, których skład chemiczny jest taki sam, jednak skuteczność bywa różna. Słynnym przykładem jest talidomid. Kiedy lek wprowadzano na rynek, nie wiedziano o właściwościach enancjomerów. Lek podawany był kobietom w ciąży. Z biegiem czasu okazało się, że jeden enancjomer ma właściwości lecznicze, a drugi uszkadza płód.
Ofiara enancjomerów w talidomidzie (NCP14053)
 I jeszcze jedno. Enancjomery różnych związków organicznych w żywności zmieniają się wskutek ich przetwarzania. Surowe jabłko to nie to samo co pasteryzowany sok jabłkowy. Podobnie z mlekiem, UHT to już nie jest mleko krowie. Właściwości odżywcze żywności przetworzonej są znacznie mniejsze. Nic nie zastąpi surowych owoców i warzyw o właściwej chiralności cząsteczek. Aby temu zapobiec stosuje się analizę chiralności cząsteczek, np. w mleku UHT, ale jak wiadomo, proces taki nie jest idealny.

ps. Post dedykuję Mariuszowi Rospondkowi dziękując niniejszym za stymulującą dyskusję.

Fot. w nagłówku by fdecomite CC-BY

wtorek, 2 października 2012

Chłop pańszczyźniany, miłośnik przyrody

Morderczy topór omija tylko stare drzewo, na którym wisi obrazek święty lub kapliczka, bo kto by się ważył złamać dawne nakazy pradziadów, na tego choroba spadnie lub piorun w dom jego uderzy. Te dawne nakazy, wypływające z prostaczych wiar ludu, otaczają pieczą niektóre zwierzęta. Kto jaskółkę zabije, temu krowy krwią doić się będą, kto zniszczy gniazdo bociana, temu bociany dom podpalą lub grady pole wybiją, kto pszczołę zdepcze, temu matka umrze.

Tak o wierzeniach ludności Husowa sprzed 100 lat pisał znany polski etnograf Tadeusz Seweryn. Tekst, z którego pochodzi powyższy fragment, przypominam niniejszym, aby uczynić zadość obietnicy, jaką swego czasu złożyłem Makromanowi.

Husów położony jest kilka kilometrów na południe od Łańcuta. Jest to jedna z podkarpackich wsi związanych z kolonizacją niemiecką okolic Kańczugi. Sam artykuł Tadeusza Seweryna poświęcony jest niejakiemu Janowi Rakowi, chłopowi pańszczyźnianemu, pierwszemu spośród chłopów szermierzowi idei ochrony przyrody w Polsce, który swą postawą wzbudził podziw uczonych mężów z Krakowa.
Wrażliwość na nędzę ludzką złączyła się u niego z wrażliwością na ból zwierzęcia.
Wychodząc naprzeciw życzeniom Seweryna, postanowiłem postać Raka - obrońcy przyrody przenieść także do internetu. Niech jego postawa świadomego ekologa będzie przykładem dla wszystkich tych, którzy kochają przyrodę, jak to się mówi: bezwarunkowo.

Jan Rak - husowski poeta i filozof pozostawił po sobie skrypty przechowywane w Muzeum Etnograficznym w Krakowie. Na nie właśnie natknął się Tadeusz Seweryn. Twórczość Raka można przybliżyć sobie w Podkarpackiej Bibliotece Cyfrowej w Rzeszowie.


Niestety, nie udało mi się ustalić skąd pochodzi i kiedy został opublikowany artykuł. Przeglądnąłem bibliografię prof. Seweryna, ale tam pominięto tę krótką wzmiankę o Janie Raku. Mam tylko odbitkę ksero bez stron tytułowych, ale na pewno pochodzi sprzed II wojny światowej.
Źródła:
Fot. w nagłówku BiLK_Thorn CC-BY-SA

środa, 26 września 2012

Blink & glamour w świecie kryształów

28–go września br. w Instytucie Nauk Geologicznych Uniwersytetu Jagiellońskiego przy ul. Oleandry 2a w Krakowie odbędzie się impreza z cyklu Małopolska Noc Naukowców, na którą serdecznie zapraszamy wszystkich zainteresowanych naukami o Ziemi i nie tylko! Zaprezentujemy sporo atrakcji geologicznych. Startujemy o godz. 20.00.

W tym roku główną atrakcją będzie wystawa Blink & glamour w świecie kryształów, prezentowana w Muzeum Geologicznym Instytutu. Tam również, można będzie przeżyć bliskie spotkanie III stopnia z „Przybyszami z kosmosu” oraz zobaczyć unikatową kolekcję minerałów w niecodziennej odsłonie. .

Osoby, które mają ochotę przyjrzeć się pracy geologa i paleontologa, serdecznie zapraszamy na warsztaty paleontologiczne, gdzie wytłumaczymy „Dlaczego gotuje się skały” a także „Kto zamieszkiwał przed wiekami okolice Krakowa” oraz „Na czym Kraków zbudowano?”.
Opal naturalny, szlifowana biżuteria (fot. W. Obcowski)
 Ponadto proponujemy odwiedzenie pracowni mikroskopii skaningowej gdzie zaprezentujemy działanie mikroskopu skaningowego, dzięki któremu zobaczyć można minerały i skamieniałości mikro rozmiarów powiększone nawet 500 000 razy!

Podczas tej magicznej nocy spodziewane są erupcje Jagielloniusa, ostatniego czynnego wulkanu w Polsce. Zapraszamy do obserwacji tego osobliwego zjawiska przyrodniczego. Studenci geologii Uniwersytetu Jagiellońskiego wytłumaczą w przestępny sposób „Dlaczego wulkany wybuchają” i co, lub kto, za tym stoi .

Czas oczekiwania na wybuchy wulkanu umili wszystkim odwiedzającym jedyne działające w mieście paleo-kino. Pod gołym niebem prezentowane będą filmy o zjawiskach geologicznych, okraszone dowcipną narracją.

W zeszłym roku odwiedziło nas aż 2000 osób i mamy nadzieję, że w tym roku liczba zwiedzających będzie jeszcze większa!


W imieniu organizatorów

Beata Dziubińska
Agata Jurkowska
fotografie: Waldemar Obcowski

czwartek, 13 września 2012

Zestresowani mężczyźni i otyłe kobiety

 Jak wiadomo, ideał kobiety zmieniał się w ciągu wieków. Chodzi mi oczywiście o męski ideał kobiety, bo przecież kobiet idealnych nie ma. Mężczyzn zresztą też, choć tu bym polemizował z samym sobą. Tak czy siak, od kiedy pierwszy raz zobaczyłem Wenus z Willendorfu, zastanawiałem się co to byli za goście, dla których był to ideał kobiety. A może taka była wtedy moda? Tak jak z butami czy kołnierzykami. Raz są fajansiarskie, a raz top-trendy. Okazuje się jednak, że nie tylko moda i wszechobecna reklama mają wpływ na męski ideał kobiety. Można nawet powiedzieć, że mężczyzną kieruje stres przy wyborze partnerki idealnej. Jak mądrzy ludzie doszli do takiego wniosku?

Ano tak. Wzięli 81 chłopa i podzielili na dwie, prawie równe grupy (40 i 41). Jedna grupa - eksperymentalna, została porządnie zestresowana przed odpowiedzią na testowe pytania; druga - kontrolna, podchodziła do odpowiedzi na luzie.
Jak się łatwo domyślić, obie grupy oceniały cielesną atrakcyjność kobiet, w tym:
  • stopień otyłości (od wychudzonych do otyłych)
  • ogólne wrażenie atrakcyjności
  • wskaźnik masy ciała (BMI - Body Mass Index)
Anja Rubik (fot. stilettobootlover_83 CC-BY-ND)
Zestresowanie grupy eksperymentalnej mierzono na podstawie poziomu kortyzolu nazywanego czasem hormonem stresu. Domyślam się, że tym samym uzyskano poziom luzu grupy kontrolnej. Zresztą szczegóły stresowania znaleźć można w cytowanym artykule Swami & Tovée (2012). Zebrane odpowiedzi porównano i wynika z tego porównania jasno, że facetom w stresie bardziej podobają się kobiety większe i lepiej zbudowane, puszyste. Takie Wenus z Willendorfu jakby.

I to by się nawet zgadzało. Wspomniana Wenus pochodzi z okresu oryniackiego, jednego z wczesnych etapów kolonizacji Europy przez Homo sapiens. Stres - zimno, nieznane tereny, jakieś obce kobiety neandertalskie.

Jak widać wnioski są dość łatwe do sformułowania: im nam się bardziej błogo żyje, tym kobiety są szczuplejsze. A np. taki zestresowany Inuit, nawet nie spojrzy na chuderlawą kobietę typu Anja Rubik. Słowem, żeby reklamy seksistowskie działały w każdych (i niepowtarzalnych) okolicznościach przyrody, potrzebny jest podobny poziom stresu (tak sobie wymyśliłem jako ew. prowokację). W związku z powyższym badaniem postanowiłem też od jutra przyglądać się parom na ulicy, czy uda mi się odgadnąć poziom stresu u mężczyzn..

Źródła:
Swami V, & Tovée MJ (2012). The Impact of Psychological Stress on Men's Judgements of Female Body Size PLoS ONE, 7 (8) DOI: 10.1371/journal.pone.0042593

Zdjęcie w nagłówku: Wenus z Willendorfu, Autor: Don Hitchcock CC-BY-SA

niedziela, 2 września 2012

Szczelinowanie i sekwestracja dwutlenku węgla - dwa w jednym

Pomysł wykorzystania skroplonego dwutlenku węgla do zabiegów szczelinowania wydaje się posunięciem rozwiązującym dwa, a nawet trzy problemy za jednym zamachem. Z jednej strony uzyskujemy dostęp do pokładów gazu uwięzionego w łupkach, z drugiej strony pozbywamy się nadmiaru CO2, a z trzeciej strony nie musimy obawiać się o dostęp do wody używanej do tej pory do szczelinowania.

O szczelinowaniu pisałem już wcześniej i chyba każdy, komu choć trochę obiło się o uszy hasło gaz łupkowy wie mniej więcej na czym to polega. Jednak jak wspomniałem idea szczelinowania dwutlenkiem węgla rozwiązuje jeszcze problem jego sekwestracji.

Sekwestracja CO2 to nic innego jak wtłaczanie dwutlenku węgla pochodzącego głównie z emisji związanej ze spalaniem węglowodorów z powrotem pod ziemię. Skoro człowiek uwolnił spore ilości tego gazu cieplarnianego do atmosfery, i póki co nie zanosi się na jakieś drastyczne zmniejszenie emisji, to dobrze byłoby COwyłapywać i wtłaczać z powrotem do skał. Tworzylibyśmy coś w rodzaju takich podziemnych śmietników na dwutlenek węgla. Skały wykorzystane do sekwestracji muszą być odpowiednio porowate, żeby przyjąć gaz wtłaczany do siebie i muszą też być odpowiednio odizolowane od atmosfery, żeby CO2 nie ulatniało się do niej. Na takie podziemne zbiorniki idealnie nadają się pokłady gazu łupkowego, np. sylurskie łupki w Polsce. Dlaczego?
Idea sekwestracji dwutlenku węgla (wg LeJean Hardin i Jamie Payne CC-BY-SA)
Przede wszystkim wynika to z właściwości samego dwutlenku węgla. Na powierzchni i w atmosferze występuje w stanie gazowym, ale pod pewnym ciśnieniem i w odpowiedniej temperaturze można go skroplić. Dla CO2 wartości punktu krytycznego ciśnienia i temperatury, w którym występuje jako ciecz, wynoszą ok. 300o K dla temperatury i ok. 100 atm dla ciśnienia. Powyżej tych wartości CO2 występuje w stanie cieczy nadkrytycznej (ang. supercritical fluid). I takie właśnie warunki panują na głębokościach większych od 1000 m. Przypomnę tylko, że w Polsce łupki sylurskie zalegają z reguły znacznie głębiej, ok. 3 km, a więc tam CO2 byłby utrzymywany w stanie płynnym. Głównie za sprawą ciśnienia. Na powierzchni, aby skroplić CO2, lepiej go schłodzić, żeby nie wytwarzać zbyt dużych ciśnień.
Właściwości dwutlenku węgla w zależności od ciśnienia i temperatury (wg Benn Finney i Mark Jacobs CC)
Jak widać samo przechowywanie czyli sekwestracja CO2 głęboko pod ziemią teoretycznie wygląda dość fajnie. Jednak wykorzystanie dwutlenku węgla do szczelinowania zamiast wody to już inny, poważniejszy problem. Głównie za sprawą lepkości skroplonego CO2, która jest o rząd wielkości mniejsza od wody. Sprawą zajęli się Japończycy, którzy na Uniwersytecie w Kioto laboratoryjnie sprawdzili możliwość wykorzystania CO2 do szczelinowania. Całość badań prowadzono na kostkach granitowych o boku 17 cm. Okazało się, że płynny CO2 rozszczelnia skałę bardziej niż woda. Mało tego, siatka spękań dla CO2 w stanie cieczy nadkrytycznej jest bardziej przestrzenna niż w przypadku szczelinowania płynnym CO2. Zatem wtłoczony CO2 na pewnej głębokości zyskuje na wartości jako środek szczelinujący. Zresztą w przypadku szczelinowania wodą, siatka spękań ma też tendencję do układania się w równoległe pasy, zgodne z uwarstwieniem. CO2 pozwoliłoby tę siatkę bardziej rozprzestrzenić. Do tego Japończycy stwierdzili, że dwutlenek węgla wymaga mniejszych ciśnień do szczelinowania niż roztwór wodny.

Szczelinowanie CO2 ma jeszcze jeden aspekt, o którym nie wspomniałem. Pozwala wywołać większy wypływ metanu ze skały niż w przypadku wody. Wynika to z tego, że łupki chętniej wchłaniają, na drodze reakcji chemicznej, dwutlenek węgla niż metan czy wodę. Tak więc, otwory byłyby bardziej produktywne, zwiększając opłacalność wydobycia.

Po prostu nic, tylko przyklasnąć projektowi. Będziemy mogli wyciągnąć z łupków więcej metanu, a jednocześnie będziemy mogli pozbyć się nadmiaru CO2. Na zakończenie jeszcze wspomnę, że w Polsce działa Krajowy Program Rozpoznanie formacji i struktur do bezpiecznego geologicznego składowania CO2 wraz z ich programem monitorowania. Ciekawe czy rozważane są w nim pomysły mózgowców z Kioto?

ps. Dziękuję Maciejowi Ćwikowi, Mateuszowi Orzechowskiemu i Karolowi Jewule za dyskusję i motywację do napisania tego postu.

Źródła:
Ishida, T., K. Aoyagi, T. Niwa, Y. Chen, S. Murata, Q. Chen, & Y. Nakayama (2012). Acoustic emission monitoring of hydraulic fracturing laboratory experiment with supercritical and liquid CO2 Geophys. Res. Lett, 39 DOI: 10.1029/2012GL052788

fot. w nagłówku: Skroplony dwutlenek węgla w temperaturze pokojowej, fot. Mu6 CC-BY-SA

wtorek, 14 sierpnia 2012

Cała prawda o smoku wawelskim - tym razem naprawdę

W poprzednim poście o odkryciu smoka z Lisowic, którego skamieniałe kości nazwane zostały Smok wawelski pisałem, że trzeba poczekać na oficjalne ukazanie się artykułu, w którym nowy gatunek (i przy okazji nowy rodzaj) zostanie ogłoszony światu. I oto jest, w ostatnim numerze Acta Palaeontologica Polonica ukazał się artykuł Niedźwiedzkiego, Suleja i Dzika, tak więc od tego momentu do nomenklatury paleontologicznej wszedł na stałe Smok wawelski. W międzyczasie ukazał się także krótki artykuł Tomasza Skawińskiego, który poruszył kwestię nazewnictwa nowo kreowanych gatunków. Za przykład Skawiński wziął sobie oczywiście smoka wawelskiego. Co może być złego w tym, że nazywamy jakiegoś wymarłego gada nazwą legendarnego stwora?

Sam początkowo nie zwróciłem na to uwagi, ale Skawiński ma chyba rację. Nazwa Smok wawelski nieobeznanemu miłośnikowi dinozaurów może w pierwszej chwili sugerować, że legendarny smok wawelski istniał naprawdę. Maluczcy uwierzą, że rację ma Maciej Giertych twierdząc, że ludzie ewoluowali w cieniu dinozaurów. Jak zauważył Skawiński (2012), prezydent Krakowa Jacek Majchrowski, już podziękował naukowców z Warszawy za odkrycie, iż smok istniał naprawdę.

Czy aby Smok wawelski nie będzie wodą na młyn kreacjonistów? Jestem przekonany, że nie o to chodziło twórcom nazwy, jednak tak się może poniekąd stać. Przypomniałem sobie też, jak to śp. prof. Wojtusiak planował przed wejściem do projektowanego na kampusie UJ Centrum Edukacji Przyrodniczej postawić rekonstrukcję Smok wawelski (o niuansach pisania kursywą i antykwą pisałem w poprzednim poście). Niby pomysł fajny, ale... Jesteśmy przyzwyczajeni do smoka pod Wawelem dłuta Bronisława Chromego, niektórzy być może pamiętają smoka z bajek Makuszyńskiego i Walentynowicza. I może lepiej, żeby ta dziecięca bajka nie przybierała postaci realnego archozaura z Lisowic. Niektórzy w swej edukacji przyrodniczej mogą zatrzymać się na poziomie prezydenta Jacka Majchrowskiego czy profesora Macieja Giertycha i tak już im zostanie na starość.

Zatem panie Prezydencie i panie Profesorze, całej prawdy o smoku wawelskim dowiedzieć się można z tego filmu:

A całej prawdy o Smok wawelski z artykułu Niedźwiedzkiego et al. (2012).

ps. Jak donosi Onet.pl, tylko co drugi Polak wie, że ludzie nie żyli w epoce dinozaurów.

Źródła:
Maciej Giertych (2006). Creationism, evolution: nothing has been proved Nature DOI: 10.1038/444265d
Grzegorz Niedźwiedzki, Tomasz Sulej, & Jerzy Dzik (2012). A large predatory archosaur from the Late Triassic of Poland Acta Palaeontologica Polonica DOI: 10.4202/app.2010.0045
Tomasz Skawiński (2012). Potential Effects of a Species’ Name Evo Edu Outreach, 5 DOI: 10.1007/s12052-012-0391-4

fot. w nagłówku: http://www.book.hipopotamstudio.pl/?p=1052

niedziela, 12 sierpnia 2012

Zakwity sinic w Bałtyku - skąd się biorą i jak z nimi walczyć

Zakwity toksycznych sinic w Bałtyku to niestety norma. Ich częstotliwość rośnie z roku na rok. Ostatnio jednak pojawiła się nadzieja na zmianę tej sytuacji. Szwedzi mają pewien pomysł, który może uratować Bałtyk i uwolnić go nie tylko od sinic, ale także od ogólnej dewastacji ekologicznej. Pomysł, dość prosty w swej istocie, jest jednak kontrowersyjny i nie do końca wiadomo, jaki będzie efekt. Wydaje się jednak, że nie ma co zwlekać z ratowaniem Morza Bałtyckiego. To przecież jedno z najbardziej zanieczyszczonych mórz świata, a jego dno przypomina stale powiększającą się pustynię ekologiczną. Brak wymiany wód dennych z powierzchniowymi sprzyja stopniowej eutrofizacji naszego morza i okresowym zakwitom sinic. Z czego to się bierze?

Niezależnie od naszego umiłowania Bałtyku i jego plaż, trzeba podkreślić, że Bałtyk posiada największą na świecie strefę pozbawioną życia - spowodowaną działalnością człowieka. Jest to przydenna strefa zubożona w tlen, za to przepełniona składnikami odżywczymi, które opadły na dno i nie mogą się stamtąd wydostać. Mówiąc dosadnie - takie podmorskie szambo. Uwięzione na beztlenowym dnie składniki odżywcze to głównie azot i fosfor pochodzące ze ścieków oraz nawozów sztucznych dostających się do morza rzekami. Polska niestety jest jednym z głównych trucicieli Bałtyku. W liczbach wygląda to tak - w ciągu ostatnich 50 lat do Bałtyku wpuszczono łącznie 20 milionów ton azotu oraz 2 miliony ton fosforu

Każdy kto uprawiał jakąś roślinkę, wie, że drobinka "azofoski" wystarczy, żeby roślinka wybujała. Tak też dzieje się z sinicami w Bałtyku, które ochoczo korzystają z nadmiaru azotu i fosforu. Sinice nazywane też cyjanobakteriami, należą, podobnie jak rośliny, do organizmów samożywnych. Są to jedne z najstarszych organizmów na Ziemi zaliczanych obecnie do królestwa bakterii. Oprócz światła słonecznego, do życia potrzebują też składników odżywczych, przede wszystkim fosforu. Ponieważ nie są osamotnione w wyścigu do światła i pożywienia, zakwitają głównie wtedy gdy następują warunki im sprzyjące - ciepła, stagnująca woda przypowierzchniowa. Tak zdarza się najczęściej latem. Na domiar złego - bałtyckie sinice potrafią być toksyczne, także dla ludzi.

Zdjęcie satelitarne Bałtyku z zakwitem sinic
(fot. trojmiasto.pl)
Co roku, zielony dywan sinic pokrywa bałtyckie plaże. Kiedy zakwit sinic się kończy, obumarłe organizmy opadają na dno i rozkładając się zużywają resztki pozostałego tam tlenu. W pozbawionych tlenu wodach dennych nie może przeżyć żaden tlenowy organizm, np. ryby czy mięczaki. Rybacy określają to wdzięcznym terminem - przyducha. Dno staje się pozbawione życia, a strefa beztlenowa rozprzestrzenia się. Wiele gatunków fauny Bałtyku, np. dorsz, ma coraz mniej miejsca do życia. W ciągu ostatniego dziesięciolecia, co roku w Bałtyku występuje ok. 60 tys. km2 dna pozbawionego tlenu. To powierzchnia kilku polskich województw całkowicie pozbawionych życia.

Problem przydennych wód beztlenowych (anoksycznych) pojawia się ostatnio coraz częściej w naukowych opracowaniach i mediach, głównie za sprawą rosnących temperatur mórz i oceanów. Ciepłe wody przyspieszają rozkład gnijących sinic ograniczając jednocześnie natlenianie wód przypowierzchniowych. W wodach anoksycznych dochodzi do szybszego uwalniania fosforu, a niski poziom tlenu zatrzymuje denitryfikujące bakterie w osadzie powodując wzrost zawartości azotu. Koniec końców, prowadzi to do kolejnego zakwitu, który powiększa zawartość fosforu i azotu na anoksycznym dnie i powstania samonapędzającej się spirali następnych zakwitów sinicowych.

Za sprawą szwedzkich geoinżynierów pojawił się ostatnio pomysł na ograniczenie strefy beztlenowej w Bałtyku. Szwedzi stwierdzili, że wystarczy po prostu pompować tlen na dno Bałtyku. Spowoduje to także mieszanie się wód i zahamuje proces denitryfikacji w osadzie. Czyli mechanizm podobny do tego stosowanego w agrotechnice, z tym, że teraz dotleniać będziemy dno bałtyckie, tzn. Szwedzi będą dotleniać. Chcą wykorzystać do tego ok. 100 pomp, które będą wtłaczać natlenioną wodę z ok. 50 m, wgłąb na głębokość ok. 125 m przez kilkanaście lat. Całość ma kosztować co najmniej 200 mln euro (patrz Stigebrandt & Gustafsson, 2007).

Obliczono, że potrzeba od 2 mln do 6 mln ton tlenu, żeby podnieść natlenienie dna Bałtyku powyżej poziomu dla wód uznawanych za zubożone w tlen, czyli powyżej 2 mg na litr. W 2009 roku Szwedzi wydali już prawie 4 mln dolarów na pilotażowy program. Okazało się, że rzeczywiście można w ten sposób natlenić dno Morza Bałtyckiego. Pojawiły się jednak pewne zagwozdki, sprawiające, że cały projekt coraz częściej określa się mianem kontrowersyjnego.

Przede wszystkim, takie pompowanie narusza naturalną cyrkulację termohalinową czyli opadanie cięższych, słonych wód na dno. Pompowane wody powierzchniowe są mniej zasolone. Są też cieplejsze, co może spowodować podniesienie temperatury wód dennych nawet do ok. 8oC. To z kolei też stymuluje rozwój sinic, a więc stać się może odwrotnie do zamierzonego efektu. Nie wspominając już o wtłoczonych przypadkowo, wbrew ich woli, organizmach wód przypowierzchniowych, które nagle znajdą się na dnie. Jak na razie, najlepsze rezultaty osiągnięto dotleniając dna niewielkich jezior, jednocześnie wiążąc chemicznie fosfor na ich dnie. W Polsce także prowadzono podobne eksperymenty na Jeziorze Kortowskim czy sztucznym zbiorniku w Turawie. Powodzenie areacji dna jezior zachęciło Szwedów do działania na szerszą skalę w Bałtyku.

To jednak nie koniec zastrzeżeń wobec projektu. Natlenienie dna Bałtyku w ciągu najbliższych kilkunastu lat w dość gwałtowny sposób pociągnąć może za sobą łańcuch niekontrolowanych zdarzeń, których nie jesteśmy w stanie w tej chwili przewidzieć. Trochę przypomina to sytuację z pogranicza proterozoiku i kambru związaną z zagospodarowaniem dna morskiego przez organizmy penetrujące w osadzie. Wtedy ten proces przebiegał przez miliony lat i ostatecznie doprowadził, jak się wydaje, do eksplozji życia kambryjskiego. W Bałtyku mamy jednak nieco inną sytuację. Organizmy penetrować będą w dnie, które zawiera mnóstwo zanieczyszczeń typu DDT czy polichlorowane bifenyle (PCB). Dla przypomnienia - DDT to popularny środek owadobójczy, zaś PCB stosuje się głównie do produkcji smarów. Największe obawy może budzić PCB, który jest rakotwórczy i najwięcej znajduje się go właśnie w rybach z Bałtyku. Natlenienie dna spowodować może uwolnienie tych substancji i chyba nie muszę rozwijać co to będzie oznaczać dla bałtyckiego rybołówstwa.
Plan redukcji strefy minimum tlenowego w Bałtyku (wg Conley, 2012)
Cóż zatem robić? Jeśli pozostawimy Bałtyk samemu sobie, to pod koniec wieku 1/4 jego powierzchni będzie pustynią ekologiczną. Wtedy pewnie w ogóle nie zanurzymy palca w wodzie, bo kożuch sinicowy może występować całe lato. Szwedzi zakładają, że przy pomocy pomp uda im się ograniczyć "strefę śmierci" do ok. 40 tys km2 w 2100 roku.

Przeciwnicy stosowania pomp uważają, że lepiej zacząć od redukcji zanieczyszczeń odprowadzanych do Bałtyku. Ostatnio udało się ograniczyć udział fosforu o ok. 30 tys ton rocznie i azotu o ok. 400 tys ton. Zakłada się obniżenie do 2016 roku poziomu fosforu do 42% obecnego poziomu oraz azotu do 18%, tak, by już w 2021 móc ogłosić zadowalający status ekologiczny Bałtyku.

Tytułem końcowej refleksji - przykład z pompami pokazuje, że część inżynierów nie wyszła z piaskownicy. Nie widzą skomplikowanej sieci powiązań i złożoności biotopów morskich. To nie jest maszyna skonstruowana wg określonego wzoru, tylko wynik wielu przypadkowych procesów i bardzo trudno jest odtworzyć stan sprzed jakiegoś okresu. To taka droga jednokierunkowa, gdzie nie można zawrócić. Można tylko zwolnić. Ja wierzę w redukcję zanieczyszczeń i naturalny powrót do czystego Bałtyku, który sam będzie ewoluował zgodnie ze zmianami zachodzącymi w środowisku przyrodniczym. Może lepiej już nie majstrować więcej.

Źródła:
Daniel J. Conley (2012). Save the Baltic Sea Nature DOI: 10.1038/486463a
Stigebrandt A, & Gustafsson BG (2007). Improvement of Baltic proper water quality using large-scale ecological engineering. Ambio, 36 (2-3), 280-6 PMID: 17520945

fot w nagłówku: Autor: thewamphyri CC-BY-SA

czwartek, 2 sierpnia 2012

Czy warto adoptować koty?

Kot domowy (Felis catus) to groźny i bezwzględny drapieżnik. Należy do setki najbardziej inwazyjnych gatunków świata. Warto o tym pamiętać, decydując się na przygarnięcie tego zwierzaka. Kot jest bardzo mocno osadzony w naszej tradycji wyrastającej z rolniczych kultur przybyłych do Europy z Bliskiego Wschodu. Traktowany jest jako odwieczny towarzysz człowieka, który jednak zachował sporo ze swej niezależności. Ta kocia niezależność jest dość wygodnym wytłumaczeniem dla właścicieli kotów, których nie wyprowadza się w Polsce na smyczy. Jeśli już, to głównie kotki w trakcie rui. Koty biegają samopas. A tak nie powinno być. Upraszczając - kot to morderca, którego trzeba pilnować.

W wielu krajach kocia wolność powoli się kończy albo już skończyła. Świadomość ekologiczna wielu społeczeństw zachodnich jest znacznie wyższa niż w Polsce i tam kot traktowany jest tak jak gatunek zagrażający rodzimej bioróżnorodności, czy bioróżnorodności w ogóle. W Polsce niestety nie. Tymczasem koty w większości miejsc nie mają naturalnych wrogów, a wspierane ręką człowieka, stają się panami życia i śmierci większości ptaków, gryzoni i innych drobnych zwierząt typu jaszczurki, żaby itp. Pomijam już fakt, że formalnie, jako gatunek inwazyjny, kot powinien być tępiony, a w ostateczności jego populacja powinna być pod ścisłą kontrolą.

W Australii, USA czy Wielkiej Brytanii wprowadzono regulację wielkości populacji kotów i wałęsające się samopas koty są wyłapywane, sterylizowane i umieszczane w schroniskach, skąd nie ma ucieczki. Dla przeciętnego Polaka może to dziwne czy szokujące, ale tak powinno być. Kotów jest za dużo, a najlepiej gdyby ich, w pewnych "okolicznościach przyrody" w ogóle nie było. Dlaczego? Liczby powiedzą same za siebie.

Przeciętnie, jeden kot zabija rocznie 24 gryzonie, 15 ptaków i 17 jaszczurek. Dane pochodzą z USA i podejrzewam, że w Polsce będzie to znacznie więcej. Ale to dopiero początek wyliczanki. Trzeba to pomnożyć przez liczbę kotów.W USA żyje obecnie prawie 94 mln kotów, co daje łącznie ponad 5 miliardów upolowanych zwierząt. W Wielkiej Brytanii 9 mln kotów zabija co roku 275 mln zwierząt. Koty są odpowiedzialne za ok. 40% śmierci wszystkich ptaków, skutecznie rywalizując nawet z ptakami drapieżnymi.
Koty są szczególnie niebezpieczne dla ptaków (fot. Karelj PD)
[Edit] Tomasz Skawiński podesłał link do artykułu Krauze-Gryz et al. (2012). Autorzy obserwowali tam 34 koty przez łączną liczbę 258 miesięcy, czyli średnio jednego kota przez 7.6 miesiąca. W sumie koty złowiły 1545 ofiar co daje 45.4 ofiary na jednego kota, czyli prawie 6 ofiar miesięcznie i 72 rocznie (na kota). Co ciekawe, większość ofiar koty przynosiły do domu - 1419 w stosunku do 357 bezpośrednio zjedzonych (Krauze-Gryz et., 2012).

Koty polują w pojedynkę, zasadniczo wieczorem i nad ranem. Mogą przetrwać przy ograniczonym dostępie do wody, uzupełniając zapas płynów ze swoich ofiar. W Australii, gdzie wszystkie gatunki przywiezione przez Europejczyków, są wielkim problemem, koty stoją na czele listy gatunków, które odpowiedzialne są za przetrzebienie 35 gatunków ptaków, 36 ssaków, 7 gadów i 3 gatunków płazów.

Trzeba także zdać sobie sprawę z tego, że w warunkach naturalnych, dziki kot, np. żbik żyje parę lat, natomiast kot udomowiony kilkanaście. Jak wykazały badania na Nowej Zelandii, terytorium łowne kota może dochodzić do 1000 hektarów. Wielkość łowiska uzależniona jest oczywiście od dostępności ofiar, a w przypadku wysp, od wielkości samej wyspy. Stąd na Hawajach koty polują na obszarze rzędu 5 ha. To i tak sporo. Problem kotów zawleczonych przez człowieka na wyspy to zresztą zupełnie inna sprawa, szczególnie na Pacyfiku. Na niewielkim obszarze łatwo koty wyłapać a i miejscowa ludność nie ma w swoich baśniach opowieści o kocie w butach.

Wyspy są także doskonałym przykładem jaki wpływ mają zwierzęta inwazyjne na rodzime gatunki i ile nas to wszystko może kosztować - dosłownie. Na wyspie Macquarie, leżącej w australijskiej Antarktyce, koty pojawiły się tuż przed II wojną światową. Wcześniej na wyspę dotarły króliki, które zupełnie zdewastowały środowisko. Kiedy uporano się z królikami przy pomocy zabójczych dla nich wirusów, okazało się, że koty są jeszcze większym problemem. W 1985 roku rozpoczęto program redukcji liczby kotów. Do tej pory wydano 24 miliony dolarów na ratowanie wyspy i przekonano się, że gatunki inwazyjne mogą doprowadzić do całkowitego załamania się ekosystemu (ang. meltdown).

W takim razie, co zrobić jeśli już mamy kotka w domu? Przede wszystkim, wysterylizować. Po drugie, trzymać w domu i wychodzić z nim na smyczy, tak jak z psem. Ja wiem, że kot lubi wskoczyć na drzewo i głupio to wygląda, stać pod drzewem ze smyczą, ale można kotu w domu zorganizować miejsca do skakania. Niech się wyskacze w domu. Jeśli macie duży dom, to nie wypuszczać kota samego z domu. A jeśli już musi wyjść, należy zawiesić na szyi dzwoneczek. Dźwięk dzwonka może skutecznie ostrzegać potencjalne ofiary, które zdążą uciec przed kotkiem.

W Polsce nie brakuje ludzi, którym czułe serce nie pozwala obojętnie przechodzić obok bezdomnych zwierząt. Jednak powinni zdawać sobie sprawę z tego, że udomowione zwierzęta stanowią zagrożenie i mogą, tak jak koty, dewastować środowisko naturalne. Kochajmy zwierzęta, ale wszystkie, nie tylko te udomowione.
* * *
ps. Aleksandra Żurek podrzuciła mi link do postu Adama Wajraka na Facebooku. Warto poczytać razem z dyskusją pod postem. Znajdziecie tam mnóstwo przydatnych linków, np. jak zabezpieczyć ptasie lęgi przed kotami.

pps. Artykuł z 29 stycznia 2013 The impact of free-ranging domestic cats on wildlife of the United States opublikowany w Nature Communications, jako uzupełnienie.

Źródła:
fot. w nagłówku: Stiopa CC-BY-SA

D. Krauze-Gryz, J. Gryz, J. Goszczyński (2012). Predation by domestic cats in rural areas of central Poland: an assessment based on two methods Journal of Zoology DOI: 10.1111/j.1469-7998.2012.00950.x

środa, 18 lipca 2012

Co na Ziemię przyniosły meteoryty?

Wiemy już ile jest wody na Ziemi, ale problem pojawienia się wody na Ziemi co pewien czas powraca na naukową wokandę. Do tej pory, za główne źródło wody uważano komety. Ostatnie badania wskazują jednak, że woda może pochodzić z meteorytów.

Słabością teorii wody z komet była niezgodność składu izotopowego pomiędzy wodą ziemską a wodorem uwięzionym w lodzie wodnym jądra komety. Tym tropem poszli badacze, którzy postanowili przeanalizować ilość ciężkiego izotopu wodoru (deuteru) w stosunku do zawartego w meteorytach z grupy meteorytów kamiennych tzw. chondrytów. Do analizy wzięto 86 próbek pochodzących z chondrytów węglistych.

Z dotychczasowych ustaleń wynika, że im dalej od Słońca tworzył się obiekt w Układzie Słonecznym, tym jest bogatszy w deuter. Okazało się, że analizowane chondryty zawierają znacznie mniej deuteru niż lód w kometach. Znaczy to mniej więcej tyle, że powstały znacznie bliżej Słońca niż komety. Nie jest to wielkie zaskoczenie, gdyż już od dawna podejrzewano, że większość meteorytów pochodzi z pasa planetoid, który rozciąga się pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza.
Kratery na Księżycu widoczne dzisiaj z Ziemi gołym okiem są efektem wielkiego bombardowania młodego Księżyca (po prawej) (rys. Timwether CC-BY-SA)
Co prawda, początki tworzenia się Ziemi i wody na niej sięgają ponad 4 miliardów lat wstecz, więc trudno wyobrazić nam sobie ówczesny Układ Słoneczny. Jednak chondryty węgliste powstały raczej bliżej niż dalej od Słońca, w pobliżu planet typu ziemskiego. Całość wydarzyła się w epoce zwanej wielkim bombardowaniem (ok. 4 mld lat temu), kiedy w młodym Układzie Słonecznym dochodziło do częstych kolizji planetzymali czy też protoplanet. Przez okres ok. 200 mln lat w Ziemię mogło uderzyć naprawdę sporo chondrytów, i to dużych rozmiarów, które dostarczyły mnóstwa składników lotnych. Oprócz wodoru przyniosły one na Ziemię także azot i węgiel, a być może także proste związki organiczne, które stały się zalążkiem życia. Alexander wraz zespołem (2012) twierdzą, że chondryty węgliste były głównym źródłem składników lotnych tworzącej się Ziemi (Alexander et al., 2012). 

Źródła:
C. M. O’D. Alexander, R. Bowden, M. L. Fogel, K. T. Howard, C. D. K. Herd, L. R. Nittler (2012). The Provenances of Asteroids, and Their Contributions to the Volatile Inventories of the Terrestrial Planets Science DOI: 10.1126/science.1223474

Fot. w nagłówku: Meteoryt węglisty NWA 3118 (zgład). Autor: Mario Müller (CC-BY-SA-3.0-DE)