O tym, jak szybki był tyranozaur

Odwołania do pop-kultury w nauce są ostatnio trendy, więc i ja powtórzę wyświechtane już pytanie: Pamiętacie Park jurajski? Jeśli nie mieliście siły śledzić losów bohaterów tego klasyka fantastyki naukowej, to przypomnę, że bohaterowie przez większość filmu uciekali przed dinozaurami. Najbardziej we znaki dawał im się Tyrannosaurus rex czyli popularny T-rex. W ten sposób obraz śmigającego T-rexa wrył się w pamięć pokolenia wychowanego na filmie Spielberga. Do kwestii sprawności T-rexa odnoszono się wielokrotnie, sugerując, że jednak nie był to zbyt szybki teropod. Nie musiał biegać, bo żywił się głównie padliną, na co wskazuje budowa jego czaszki.
Ostatnio raz jeszcze powrócono do kwestii przemieszczania się tyranozaura wykorzystując analogie do poruszania się współczesnych ssaków i ptaków nielotów. Analogia też już wyświechtana, ale tym razem z nowym spojrzeniem.


Punktem wyjścia do rozważań o tempie poruszania się tyranozaura, było dość oczywiste założenie, że im większe tempo tym dłuższy krok zwierzęcia. Kalkulowano więc tempo poruszania się T-rexa na podstawie skamieniałych tropów. W latach 70-tych R. McNeill Alexander opracował nawet zależność na podstawie której można było wyliczyć prędkość teropoda (drapieżnego dinozaura) (Alexander, 1976):

v = 0.25*g^0.5*DK^1.67*b^-1.17

Zależność geometryczna długości kroku
i wysokości bioder (Thulborn, 1989)

gdzie: v - prędkość poruszania się ptaka nielota (np. strusia); g - przyspieszenie ziemskie; DK - długość kroku mierzona pomiędzy odciskami tej samej stopy; b - wysokość bioder.

W przypadku dinozaurów wysokość bioder można było określić na podstawie wielkości odcisku stopy. Alexander wyliczył, że średnio wysokość bioder u teropodów wynosiła 4 długości stopy.
Na podstawie powyższej zależności można także było stwierdzić, czy zwierzak stąpał, truchtał czy biegł. Ważny był stosunek długości kroku do wysokości bioder czyli DK/b.  Odpowiednio DK/b <= 2.0 oznaczało chód, 2.0 < DK/b < 2.9 trucht, a DK/b => 2.9 bieg (Thulborn, 1984).
Później wprowadzono pewne modyfikacje proporcji długości odcisku stopy (OS) do wysokości bioder (b), w zależności od ogólnej budowy dinozaura (Thulborn, 1990). Odciski stopy (OS) podzielono na dwie grupy, odpowiednio, krótsze i dłuższe od 25 cm i podano dla nich przelicznik wysokości biodra (b):

OS < 0.25m małe teropody małe ornitopody ogólnie, małe dwunożne dinozaury

b=4.5 x OS b=4.8 x OS b=4.6 x OS

OS > 0.25m duże teropody duże ornitopody ogólnie, duże dwunożne dinozaury

b=4.9 x OS b=5.9 x OS b=5.7 x OS

Więcej problemów stwarzały duże, roślinożerne, czworonożne dinozaury (zauropody) i dla nich przelicznik wysokości biodra nie był tak oczywisty. Sugerowano przelicznik w stosunku do szerokości odcisku stopy. Ogólnie Thulborn (1990) zaproponował mnożnik ok. 6 długości odcisku stopy dla wysokości biodra zauropoda.
Ponieważ zauropody nastręczają zbyt wielu problemów, no i nie są krwiożerczymi bestiami, zostawmy kwestię ich poruszania się na boku. Wróćmy do naszego T-rexa.

Z powyższych rozważań wynika, że wyliczenie prędkości poruszania się T-rexa nie było zbyt skomplikowane. Wystarczyło postarać się o dobrze zachowane tropy tego gada, pomierzyć, wstawić do wzoru i gotowe.

Rekonstrukcja brachiozaura (cv.tu-berlin.de)

Problem w tym, że budowa i rozmieszczenie kończyn wymarłych teropodów odbiega znacznie od współczesnych analogii. Zatem przełożenie chodu czy też biegu współczesnych zwierząt na wymarłe teropody niekoniecznie prowadzi do prawdziwych rezultatów.
Aby rozwikłać problem, przeprowadzono dokładną analizę kształtu, rozmieszczenia i ciężaru mięśni kończyn dinozaurów. Na podstawie tych danych  przy pomocy oprogramowania inżynierskiego (patrz Mallison, 2009) stworzono model kroczącego dinozaura uwzględniający przemieszczanie się masy zwierzęcia po powierzchni Ziemi. Analiza komputerowa wykazała, że długość kroku uzależniona była od konstrukcji szkieletu. Ponadto, dinozaury w porównaniu np. ze współczesnymi ssaki, miały o wiele większe mięśnie pośladków, które znaczenie wpływały na ich sposób poruszania. Efekt wszystkich przemyśleń nad modelem skłonił naukowców do wniosku, że zależność Alexandra (1976) nie jest spełniona w przypadku dinozaurów (Mallison, 2011; za Kaplan, 2011).

Jak zatem poruszał się tyranozaur? U ssaków i nielotów najszybszą formą poruszania się jest bieg. Zwierzę wydłuża wtedy swój krok i w pewnej fazie ruchu występuje etap całkowitego oderwania się od ziemi. Tyranozaur nie miał tej fazy, nie odrywał się od ziemi, więc nie biegł.

Zamiast tego szybko chodził. Pomagały mu w tym silne mięśnie pośladków. Jeśli macie kłopoty ze zrozumieniem na czym polegało to szybkie chodzenie, przypomnijcie sobie Roberta Korzeniowskiego i chodziarstwo.
To taki dziwny sport, gdzie nie wolno oderwać się od ziemi, przynajmniej jedna stopa musi mieć kontakt z podłożem. Ile się przy tym trzeba napracować pośladkami to widać podczas zawodów, kiedy zawodnicy w pląsach choroby św. Wita zasuwają w stronę mety.

Takim chodziarzem był Tyrannosaurus rex.

Warto uzmysłowić sobie także, że w przypadku chodu nie długość kroku ma znaczenie, ale częstotliwość jego występowania. Nie można zatem oszacować tempa przemieszczania się zwierzęcia na podstawie tropów, jeśli nie wie się, jak często stawiały kroki. A tego wzór Alexandra nie uwzględnia.


Źródła:
1. Alexander, R.M. (1976). Estimates of speeds of dinosaurs Nature 261: 129-130.
2. Kaplan, M. (2011). Tyrannosaurs were power-walkers Nature DOI: 10.1038/news.2011.631
3. Mallison, H., Hohloch, A., & Pfretzschner, H.-U. (2009). Mechanical Digitizing for Paleontology - New and Improved Techniques Palaeontologia Electronica 12 (2-4T): 41 http://palaeo-electronica.org/2009_2/185/index.html
4. Mallison, H. (2011). Journal of Vertebrate Paleontology 31 (S150).
5. Thulborn, R.A. (1984). Prefered gaits of bipdeal dinosaurs. Alcheringa 8: 243-252.
6. Thulborn, R.A. (1989). The Gaits of dinosaurs. [W:] Dinosaur Tracks and Traces (Ed. D.D.Gillette & M.G.Lockley), str. 39-50. Cambridge University Press, Cambridge.
7. Thulborn, T. (1990). Dinosaur tracks. str. 410. Chapman and Hall, New York  
8. Dinosaur Speed Calculator http://www.sorbygeology.group.shef.ac.uk/DINOC01/dinocal1.html 
9. Rekonstrukcje 3D dinozaurów http://www.cv.tu-berlin.de/menue/abgeschlossene_projekte/3d_rekonstruktion_von_dinosauriern/fruehere_arbeiten/brachiosaurus_brancai/ 
10. Fot. w nagłówku: Deutsche Post AG Public Domain 

Czytaj więcej

Odmłodzone sagowce

Sagowce, m.in. popularne ostatnio rośliny doniczkowe, ze względu na podobieństwo liści mylnie nazywane "palemkami", często podawane są za przykład tzw. żywej skamieniałości. Żywa skamieniałość to współczesny organizm, reprezentujący powszechną niegdyś grupę, obecnie wymarłą. Taki świadek dawnych czasów. Wśród roślin, obok sagowców, należy do nich także miłorząb, a ze zwierząt, chyba najczęściej podawane jako przykład żywych skamieniałości są ryby trzonopłetwe (słynna Latimeria). Z analiz porównawczych skamieniałości i współczesnych okazów wynika, że żywe skamieniałości niewiele różnią się od swoich przodków. W przypadku sagowców, wydaje się, że nie zmieniły się od ponad 200 mln lat (od triasu). Wskazuje się też, że linia rozwojowa sagowców oddzieliła się od miłorzębowych ponad 250 mln lat temu, czyli jeszcze w późny permie.
Podobieństwo do odległych przodków stworzyło wrażenie, że współczesne sagowce wywodzą się w prostej linii z permsko-triasowych gatunków. Okazuje się jednak, że są znacznie młodsze.

Wspomniałem wcześniej, że sagowce nie są palmami. Mało tego, nie są nawet roślinami kwiatowymi czyli okrytozalążkowymi (Angiospermata). Należą natomiast do roślin nagonasiennych (Gymnospermata), czyli do tej samej grupy, co rośliny iglaste (Conifera) oraz miłorzębowe (jeden żyjący obecnie gatunek Ginkgo biloba czyli miłorząb dwuklapowy). Linia sagowców wyodrębniła się prawdopodobnie z karbońsko-permskich paproci nasiennych. Sagowce i spokrewnione z nimi benetyty powszechnie występowały w mezozoiku (trias, jura i kreda) (Fig. 1).

Fig. 1. Ewolucja świata roślin, na fioletowo sagowce i miłorzębowe dominujące w triasie 250-200 mln lat tem (rys. A. R. Hemsley, palaeobotany.org)

Do tej pory wydawało się, że, podobnie jak ryby trzonopłetwe czy miłorząb dwuklapowy, sagowce reprezentowane współcześnie przez jeden rodzaj Cycas są konserwatywną grupą, wywodzącą się bezpośrednio gdzieś z mezozoiku.
Ostatnia badania przeprowadzone na grupie 199 gatunków reprezentujących wszystkie współcześnie żyjące sagowce wykazały, że pochodzą one z linii rozwojowych, które pojawiły się dopiero po koniec miocenu czyli zaledwie ok. 12 mln lat temu (Nagalingum et al., 2011). Nie są więc bezpośrednimi potomkami mezozoicznych sagowców!
Na podstawie badań udało się także ustalić moment rozdzielenia linii sagowców i miłorzębowych. Nastąpiło to ok. 271 mln lat temu, czyli już w połowie permu.

Wyniki badań są o tyle zaskakujące, że obecne sagowce występują na wielu kontynentach, które w miocenie były już od siebie mocno oddalone (Ameryka Śr., pd-wsch. Azja, Afryka czy Australia) (Fig. 2). Wcześniej tłumaczono to jako relikt wspólnego występowania na superkontynencie Pangei, teraz badacze skłonni są uważać, że jednoczesna ewolucja sagowców pod koniec miocenu, to efekt globalnych zmian klimatycznych.

Fig. 2. Zasięg występowania współczesnych sagowców (rys. Esculapio GNU FL)

 Jeszcze bardziej zaskakujące jest stwierdzenie Nagalignum et al. (2011), że większość współczesnych roślin nagozalążkowych (datę powstania rodzajów ustalono średnio na 32 mln lat temu) jest ewolucyjnie młodsza od okrytozalążkowych.
Dowodzi to olbrzymiej przebudowy świata roślin w kenozoiku. Mówiąc kolokwialnie: kwiatki są starsze od szyszek.

Źródła:
1. Nagalingum, N., Marshall, C., Quental, T., Rai, H., Little, D., & Mathews, S. (2011). Recent Synchronous Radiation of a Living Fossil Science, 334 (6057), 796-799 DOI: 10.1126/science.1209926
2. fot w nagłówku Adrian Pingstone Public Domain

Czytaj więcej

Pij mleko, będziesz mieć biegunkę

Z moich obserwacji wynika, że krowie mleko ma całą rzeszę zagorzałych zwolenników, którzy nerwowo reagują na informację, że jego spożycie wcale nie leży w ludzkiej naturze. Można nawet stwierdzić, że jest wbrew ludzkiej naturze. Jestem pewien, że wśród Czytelników znajdzie się niejedna osoba, która po wypiciu mleka ma.... mówiąc wprost, biegunkę. A jak to się ma do hasła reklamowego "Pij mleko! Będziesz wielki"?

Cały problem z mlekiem wynika z tego, że człowiek spożywa je przez całe swoje życie. Jest w tym zupełnie odosobnionym ssakiem, gdyż pozostałe spożywają mleko tylko będąc oseskami, czyli przez ok. 3% swojego życia. Dzieje się tak dlatego, że później zanikają u nich enzymy laktazy i galaktozydazy potrzebne do rozkładu cukru prostego znajdującego się w mleku, czyli laktozy. U dzieci enzymy te zanikają w wieku ok. 4 lat. Spożycie mleka w późniejszym wieku, wobec braku enzymów rozkładających laktozę, kończy się fatalną biegunką. Nierozłożona laktoza zatrzymuje wodę w jelitach, a przy udziale bakterii ulega fermentacji tworząc kwas mlekowy i duża ilość gazu. Jak widać, skutki opłakane i już na samą myśl odechciewa się mleka.

Dlaczego więc mleko stało się tak popularne i część ludzi bez problemu radzi sobie z trawieniem?
Trzeba sięgnąć do początków upowszechniania się spożycia mleka wśród ludzi. Wiąże się to niewątpliwie z powstaniem i rozwojem osiadłych kultur rolniczych, które wyparły kultury łowiecko-zbierackie. Rolniczy tryb życia okazał się bardziej rozwojowy od łowieckiego. Zapewne miało to związek z trybem bogacenia się ludzi. Rolnik szybciej dorabiał się pokaźnego stada, dzięki któremu był atrakcyjniejszy wśród panien na wydaniu. Mógł wśród nich przebierać, mieć ich wiele, a przy tym wiele dzieci. Same korzyści. Do dziś u wielu ludów prestiż narzeczonego mierzony jest pogłowiem jego stada. Bywa, że krów, a bywa, że reniferów. Jak widać wszystko jedno, ważne, żeby był bogaty.
Od hodowli krów do spożycia mleka, droga bardzo krótka. Z resztek mleka zachowanych w naczyniach do przerobu mleka, wiemy, że był to produkt dość powszechny już 6000-7000 lat temu.

Czyżby pierwsi rolnicy cierpieli na chroniczną biegunkę? Niekoniecznie. Z pomocą przyszły badania genetyczne. Udało się zlokalizować gen odpowiedzialny za zanik enzymu laktazy i okazało się, że ci którzy chętnie piją mleko bez żadnych konsekwencji są nosicielami mutacji, która sprawia, że enzym ten nie zanika i wytwarzają go przez całe życie.
Obecnie jesteśmy skłonni uważać, że ta mutacja zaczęła się upowszechniać wraz z rozwojem hodowli bydła. Po prostu, przeżywali tylko ci, którzy tolerowali mleko.

Jeśli powyższy wniosek jest prawdziwy, mutacja powinna być szczególnie popularna wśród potomków najstarszych hodowców bydła, a nieliczna wśród ludów łowiecko-zbierackich. I tak rzeczywiście jest. Największy odsetek ludzi tolerujących mleko w stadium dorosłym występuje wśród Europejczyków (np. Szwedzi w 98% populacji tolerują laktozę), ale już Aborygeni czy Chińczycy mają z trawieniem laktozy problemy (tylko kilka procent z nich ją trawi). Amerykanie swego czasu przeprowadzili badania nad wprowadzeniem akcji typu "Szklanka mleka dla każdego ucznia" i okazało się, że odsetek nietolerancji laktozy jest zdecydowanie większy u Afroamerykanów (ok. 60%) niż u Euroamerykanów (ok. 5%). Generalnie, nietolerancja laktozy jest powszechna wśród mieszkańców Afryki i Azji (nawet do 100% populacji na Dalekim Wschodzie). Pamiętajmy o tym i nie częstujmy gości z dalekich krajów "zdrowym" polskim mlekiem. Ewentualnie od razu wskażmy im najkrótszą drogę to toalety.

Kolejny cios mleku zadali archeologowie. Na Bliskim Wschodzie znanych jest kilka stanowisk gdzie dokopano się do osiedli rolniczych założonych w miejscach starszych osad łowców-zbieraczy. Badaczy zaskoczył bardzo duży odsetek pochówków małych dzieci wśród rolników, w porównaniu z łowcami. Na podstawie zmian szkieletów maluszków stwierdzono, że cierpiały one na alergię spowodowaną piciem mleka krowiego i umierały. Dlaczego więc je karmiono? Pewnie dlatego, że matka mogła wcześniej odstawić dziecko od piersi, zostawić np. z babcią i zając się pracą, np. wyplataniem koszyków. Odstawienie dziecka od piersi powodowało przerwanie laktacji i powrót owulacji, więc rodziło się więcej dzieci. Co prawda więcej też umierało, ale bilans musiał być lepszy niż u łowców, więc już tak zostało.

Slogan "Pij mleko! Będziesz wielki!" ma jednak w sobie ziarenko prawdy. Nie jestem pewien, czy lobby mleczarskie świadomie go wprowadziło, ale dotknęło także innego problemu. Chodzi o to, że krowie mleko jest dobre dla cielaka, a nie dla człowieka. Czym się różni jedno od drugiego, to każdy z nas wie. Tu jednak chodzi o tempo wzrostu cielaka i człowieka. Cielaki rosną bardzo szybko, dzieci troszkę wolniej (jakieś 15 razy wolniej). Żeby zapewnić składniki pokarmowe dla szybko rosnących cieląt, krowie mleko zawiera trzykrotnie więcej tłuszczu, białka, cukru i związków mineralnych. Układ pokarmowy cielaka radzi sobie z tymi dobrodziejstwami, dziecka niekoniecznie. Do sloganu należy zatem dodać: Będziesz wielki, jeśli jesteś cielakiem!
Duża zawartość białka krowiego (głównie kazeiny) powoduje, że jest ono rozpoznawane przez organizm dziecka jako zagrożenie. Stąd prawie 50% dzieci ma alergię na mleko.

W świetle powyższych rozważań inaczej należy spojrzeć na niechęć niektórych dzieci do mleka. W tej chwili nietolerancję laktozy uważa się za stan normalny, zaś tolerancję za stan anormalny (chorobowy).

Mówiąc w skrócie, picie mleka to stan anormalny. Normą jest nie picie.
Już nie chcę pisać, że pijący są chorzy, ale na pewno są nosicielami mutacji genetycznej.

PS. Z dedykacją dla Karolinny z okazji urodzin

Źródła:
1. Konarzewski, M., 2005. Na początku był głód. PIW Warszawa. 222 str. ISBN 83-06-02954-2
2. http://pl.wikipedia.org/wiki/Nietolerancja_laktozy
3. Fot. w nagłówku Public Domain

Czytaj więcej

Tektonika i diamenty czyli co porusza kontynenty?

Tektonika kier (płyt) kontynentalnych to obowiązujący obecnie paradygmat w naukach geologicznych, poparty wieloma obserwacjami. Dzięki satelitom GPS możemy obserwować ruch kontynentów w czasie rzeczywistym. W zasadzie wszystko jest jasne. Skorupa oceaniczna tworzy się w grzbietach śródoceanicznych zwanych strefami przyrostu dna oceanicznego, spredingu oceanicznego (spreading seafloor zones) lub strefami ryftu, po czym zapada się na krańcach oceanu, zanurzając się pod lżejszą płytę kontynentalną w tzw. strefie subdukcji. Prowadzi to do ciągłego ruchu kontynentów.
Wszystko super, ale tylko teoretycznie.

Tak naprawdę, powyższy model sprawdza się jedynie w przypadku Oceanu Spokojnego. Atlantyk i Ocean Indyjski pozbawione są w zasadzie stref subdukcji. Wygląda to tak, jakby Afryka stała w miejscu, a jedynie grzbiety atlantycki i indyjski odsuwały się od niej, popychając wszystkie kontynenty przed sobą, aż do Pacyfiku lub zderzenia z Eurazją. Sprawę komplikuje jeszcze fakt, że przecież wschodnia część Afryki też odsuwa się od reszty kontynentu, co możemy obserwować w dolinach ryftowych Wielkich Rowów Afrykańskich. Osobnym problemem są plamy gorąca (hot spots), które występują na Ziemi w stałych miejscach, niezależnie od stref ryftowych, jakby ich ruch kontynetów nie dotyczył. Jak sobie z tym poradzić?

Rozmyślania należy rozpocząć od zebrania kilku podstawowych danych. Po pierwsze, dlaczego w ogóle dno oceaniczne przyrasta? Żeby odpowiedzieć na to pytanie, trzeba było zaglądnąć pod skorupę oceaniczną, do wnętrza Ziemi i zobaczyć jak jest zbudowana. Oczywiście, tak głęboko jeszcze się nie dowierciliśmy, więc skorzystano z innych metod.

 

Rozchodzenie się fal sejsmicznych we wnętrzu Ziemi; P - fale podłużne; S - fale poprzeczne

Z pomocą przyszły fale sejsmiczne wywoływane przez trzęsienia ziemi. Z grubsza można je podzielić na fale podłużne i poprzeczne. Obie rozchodzą się z różną prędkością. Szczególnie ważne jest także to, że fale podłużne mogą się rozchodzić we wszystkich ośrodkach, a fale poprzeczne tylko w ośrodkach o stałym stanie skupienia (skałach). Fale podłużne są o ok. 10% szybsze od poprzecznych. Pomiary rozchodzenia się fal sejsmicznych we wnętrzu Ziemi ujawniły jej wewnętrzną budowę. Okazało się, że pod skorupą oceaniczną jest płaszcz ziemski zbudowany z uplastycznionych skał, a pod nim jądro Ziemi. Jądro ma swoją płynną część zewnętrzną, która stanowi barierę dla rozchodzenia się poprzecznych fal sejsmicznych.

Całość procesów dotyczących przyrostu dna oceanicznego rozgrywa się w płaszczu ziemskim. Ponieważ przyrost ten odbywa się poprzez wydostawanie się gorącej magmy z wnętrza Ziemi w postaci tzw. pióropuszy płaszcza, odpowiedzialnością obarczono konwekcję w płaszczu. Konwekcja tłumaczyła też grzęźnięcie zimnej skorupy oceanicznej w płaszczu, która opadając w stronę jądra, stopniowo się ogrzewa, po czym znów konwekcyjnie unosi i wydostaje na powierzchnię w strefach ryftu. Wszystko to odbywa się w olbrzymich komorach konwekcyjnych w płaszczu ziemskim. Wyszedł piękny model, prawda? Tylko co z konwekcją pod Atlantykiem skoro nie ma tam stref subdukcji? A plamy gorąca?

Konwekcję w płaszczu pod Atlantykiem odłóżmy na razie na bok. Zajmijmy się plamami gorąca. Najsłynniejszą chyba plamą gorąca jest hawajski hot spot. Wydostająca się z niej magma wychodzi na powierzchnię przez kratery hawajskich wulkanów, a przesuwająca się nad plamą gorąca płyta spowodowała, że mamy cały archipelag wysp hawajskich. Najstarsze, to pozostałości po nieczynnych już wulkanach, gdyż odpłynęły już sponad hawajskiej plamy gorąca. Wniosek z Hawajów jest prosty. Plamy gorąca nie przemieszczają się. To skorupa ziemska porusza się względem nich.

 Jak powiązać nieruchome plamy gorąca z pióropuszami płaszcza? Jeśli mechanizm wydostawania się gorącej magmy z płaszcza jest ten sam, to musi być jakieś wspólne rozwiązanie.

Trzeba zatem sięgnąć do historii Ziemi i prześledzić ruch kontynentów. Jeśli plamy gorąca nie przemieszczają się, powinnyśmy odnaleźć wygasłe wulkany, które powstały, kiedy skorupa znajdowała się ponad plamą. Przesuwając kontynenty do ich położenia z okresu powstania wulkanu nad hot spotem, otrzymamy lokalizację plam gorąca na przestrzeni dziejów.
Rozwiązania dostarczają diamenty.

Diamenty tworzą się pod wpływem ogromnego ciśnienia, ponad 150 km pod powierzchnią, w obrębie płaszcza ziemskiego. Niektóre z diamentów mogły powstać nawet na głębokościach rzędu 660-1700 km. Na powierzchnię wynoszone są w kominach skał wulkanicznych zwanych kimberlitami, stowarzyszonych często z plamami gorąca. Znanych jest kilkanaście tysięcy kimberlitów, ale najsłynniejsze są te położone pod starymi częściami skorupy ziemskiej (kratonami, np. w RPA). Po zestawieniu lokalizacji kimberlitów z uwzględnieniem ruchu kontynentów, okazało się, że większość z nich występuje w pobliżu dużych prowincji magmowych, czyli miejsc gdzie w przeszłości dochodziło do intensywnego wulkanizmu.

Miejsca te nazwano strefą tworzenia się plam (pióropuszy) gorąca (Plum Generation Zone - PGZ) (Torsvik et al., 2010). Najciekawsze dla naszych rozważań jest to, że strefa tworzenia się plam gorąca (nie lubię określenia pióropuszy gorąca) otacza głównie Afrykę! Ale jeszcze ciekawsze jest to, że druga taka strefa umieszczona jest symetrycznie, po drugiej stronie globu, pod obecnym Pacyfikiem! (Fig. 1).

Fig. 1. Obszary gwałtownego zwolnienia fal poprzecznych Tuzo i Jason. Prędkość fali podana w skali poziomej (dVs). PGZ - strefa tworzenia się pióropuszy gorąca; LIP - duża prowincja magmowa; gwiazdka w żółtym kółeczku - aktywne wulkany na plamach gorąca (wg Burke'a, 2011).

Uwzględniając ruch kontynentów, okazało się, że większość dużych prowincji magmowych w przeszłości, np. permskie trapy syberyjskie, umieszczona była dokładnie we wspomnianej strefie (Torsvik et al., 2010).
Na dobitkę dodam, że strefy tworzenia się plam (pióropuszy) gorąca otaczają rozległe obszary cechujące się gwałtownym zwalnianiem fal poprzecznych na pograniczu płaszcza i jądra ziemskiego. Obszary wyhamowania fal poprzecznych nazwano Tuzo (Afryka) i Jason (Pacyfik) (Burke, 2011) (Fig. 1).

Patrząc na przekrój przez Ziemię, uwzględniający strefy Tuzo i Jasona, jasne staje się co napędza tektonikę kier. Tuzo i Jason powodują wybrzuszenie geosfery ziemskiej i dzięki nim wszystko, co jest na zewnątrz Afryki, niejako spływa ku obniżonym miejscom. Ryft śródatlantycki generowany jest w strefie tworzenia się plam gorąca wokół Afryki. Właściwie fig. 2 jest tak wymowna, że nie wymaga komentarza.

Fig. 2. Z cyklu niesamowite przekroje, przekrój przez Ziemię na wysokości równika. Widać stałe jądro wewnętrzne (inner core), płynne jądro zewnętrzne (outer core), dolny płaszcz ziemski (lower mantle), górny płaszcz (upper mantle). Pomiędzy strefami Jason i Tuzo występują strefy grzęźnięcia płaszcza ziemskiego (sinking mantle), który schodzi do powierzchni jądra (wg Burke'a, 2011).

Sprawa istnienia Tuzo i Jasona staje się genialnie oczywista, jeśli przeglądniemy mapy paleogeograficzne. Okazuje się, że Tuzo i Jason istnieją już od proterozoiku i wszystko na Ziemi kręciło się wokół nich (Torsvik et al., 2010). Cała tektonika kier. Ich rozmieszczenie na wysokości równika, na antypodach, sprawia wrażenie, że powstały one w wyniku ruchu obrotowego Ziemi.

Źródła:
1. Burke, K. (2011). Plate Tectonics, the Wilson Cycle, and Mantle Plumes: Geodynamics from the Top Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 39 (1), 1-29 DOI: 10.1146/annurev-earth-040809-152521
2. Torsvik, T., Burke, K., Steinberger, B., Webb, S., & Ashwal, L. (2010). Diamonds sampled by plumes from the core–mantle boundary Nature, 466 (7304), 352-355 DOI: 10.1038/nature09216 
3. Post o przyszłych kontynentach Następna Pangea
4. Fig. w nagłówku: Wiek dna oceanicznego - NOAA Public Domain

ps. Tuzo i Jason nawiązują do imion  Jasona Morgana i Johna Tuzo Wilsona, słynnych geofizyków (szczególnie Wilson zasłynął jako twórca tzw. cyklu Wilsona). Burke (2011) utworzył te nazwy jako akronim od zwrotów The Unmoved Zone Of Earth's deep mantle (TUZO) oraz Just As Stable ON the opposite meridian (JASON).

Czytaj więcej

Skąd się wzięły ziemskie oceany?

Bez wody nie byłoby życia na Ziemi. Wydaje się nawet, że woda jest jednym z koniecznych składników do podtrzymywania życia gdziekolwiek we Wszechświecie. Skąd jednak woda wzięła się na Ziemi? Jak dotąd nie dano jasnej odpowiedzi.

Do tej pory uważano, że woda została przyniesiona na Ziemię w postaci tzw. suchego lodu towarzyszącego kometom na etapie wczesnego formowania się Układu Słonecznego. Ten etap nazywa się etapem wielkiego bombardowania, bowiem dochodziło wtedy do masowych kolizji różnych obiektów w świeżo utworzonym dysku protoplanetarnym. W efekcie kolizji z pyłu, poprzez planetzymale i protoplanety, powstały obecne planety, a liczba kolizji systematycznie malała. Pozostałością etapu tworzenia się planet w Układzie Słonecznym jest pas asteroid pomiędzy Marsem a Jowiszem, oraz tzw. pas Kuipera na zewnątrz Układu Słonecznego. Te pasy wciąż dostarczają niewielkich obiektów, które krążą pomiędzy planetami od czasu do czasu zderzając się z nimi.
Ta koncepcja pojawienia się wody na Ziemi była jednak czysto teoretyczna. Szukano dowodów, a najlepszym dowodem potwierdzającym tezę, jest obserwacja na żywo, stąd też poszukiwano na niebie obiektów przypominających nasz młody Układ Słoneczny. Uwagę swą skierowano na gwiazdy typu pomarańczonych karłów, ze względu na ich stabilność, sprawiającą, że tzw. eko-strefa wokół nich pozostaje niezmienna przez wiele milionów lat, poza tym są 10x częściej spotykane od Słónca.
Jednym z takich pomarańczowych karłów jest TW Hydrae (z gwiazdozbioru Hydry) oddalony od nas o 176 lat świetlnych. Ostatnie obserwacje pokazują, że wokół TW Hydrae występuje dysk protoplanetarny, z którego wyparowywuje woda.


Obserwacje prowadzone były z przez teleskop Kosmicznego Obserwatorium Herschela wyniesiony na orbitę przez Europejską Agencję Kosmiczną do prowadzenia obserwacji w zakresie dalekiej podczerwieni.
Teleskop ten zaobserwował w pobliżu TW Hydrae linie emisyjne odpowiadające parującej wodzie, i to w obu postaciach izomerowych wodoru, orto- i parawodoru, które wchodzą w skład cząsteczki wody. Ortowodór posiada oba protony o spinie skierowanym w tym samym kierunku, zaś parawodór protony o spinie skierowanym przeciwnie. W tzw. normalnych ziemskich warunkach, 3/4 wodoru to ortowodór.
Woda pochodzi z dysku planetarnego krążącego wokół pomarańczowego karła. Oszacowano, że ilość wody zawartej w dysku odpowiada masie kilkunastu tysięcy zasobów ziemskich oceanów.
Porównano również udział ortowody do parawody w stosunku do komet z Układu Słonecznego i okazało się, że w pobliżu TW Hydrae jest on znacznie niższy. Świadczyć to może o tym, że komety zbierają zróżnicowaną wodę w wewnętrznych częściach pierścienia protoplanetarnego w początkowej fazie tworzenia się układów planetarnych.

Uderzenie komety w protoplanetę w młodym układzie planetarnym - wizja artysty (NASA/JPL-Caltech)

Występowanie wody w wewnętrznych częściach dysku związane jest też z temperaturą. Musi być ona odpowiednia, aby woda mogła występować w stanie ciekłym lub pary wodnej. Szacuje się, że powyżej 3 jednostek astronomicznych (1 jednostka to odległość Ziemi od Słońca), woda występowuje tylko jako lód, stanowiąc rezerwuar wody dla planet położonych bliżej Słońca. W przypadku naszego Układu, może to być Pas Kuipera. W wewnętrznych częściach dysku, przy temperaturze powyżej 250 st. Kelvina (czyli powyżej -23 st C) sublimacja lodu do pary wodnej wiąże tlen w cząsteczkach wody.
Obserwacje TW Hydrae potwierdzone zostały niedawno przez teleskop Spitzera NASA, który zanotował deszcz komet wokół gwiazdy Eta Corvi, które uderzyły w skalną planetę. Z analizy widma wynika, że występują tam nanodiamenty, które tworzą się przy udziale węgla organicznego. Obserwacje te pokazują jak mógły wyglądać początki istnienia Układu Słonecznego.

Zatem woda na Ziemi pochodzi z nieba! A konkretnie, z początkowych etapów tworzenia się dysku protoplanetarnego z krążącej wokół młodej gwiazdy mgławicy pyłu.


Źródła:
1. Hogerheijde, M., Bergin, E., Brinch, C., Cleeves, L., Fogel, J., Blake, G., Dominik, C., Lis, D., Melnick, G., Neufeld, D., Panic, O., Pearson, J., Kristensen, L., Yildiz, U., & van Dishoeck, E. (2011). Detection of the Water Reservoir in a Forming Planetary System Science, 334 (6054), 338-340 DOI: 10.1126/science.1208931
2. NASA's Spitzer Detects Comet Storm in Nearby Solar System http://www.jpl.nasa.gov/news/news.cfm?release=2011-322
3. TW Hydrae http://en.wikipedia.org/wiki/TW_Hydrae
4. Fot. w nagłówku: Kometa 17P/Holmes. Autor: Ivan Eder Wikimedia Commons 

Czytaj więcej

Wędrujące dinozaury

Camarasaurus na suchej równi zalewowej

Wielu z nas pamięta film BBC Walking with Dinosaurs. W którymś z odcinków można było podziwiać olbrzymie stada roślinożernych zauropodów, które wędrowały w poszukiwaniu jedzenia. Przywodziło to na myśl stada bizonów, sezonowo wędrujących wzdłuż kontynentu amerykańskiego.
Zauropody to największe kręgowce jakie do tej pory stąpały po Ziemi. Ci gigantyczni roślinożercy potrzebowali mnóstwo jedzenia i oczywiste było, że nie pasły się ciągle w jednym miejscu. Pomijając kwestię zjedzonego pokarmu, musiały przecież swoim ciężarem tratować podłoże. Wszystko to pociągało za sobą konieczność przemieszczania się na nowe żerowiska. Do tego dochodziła kwestia sezonowości wegetacji na pewnych szerokościach geograficznych (a wiemy, że zauropody występowały nawet do współczesnych szerokości Alaski). Jednym słowem wędrowały, podobnie do stad współczesnych roślinożernych ssaków. Sceny z wędrującymi dinozaurami były jednak tylko prospekcją naszych wyobrażeń o życiu tych gadów.
Nie było przekonujących dowodów kopalnych na dinozaurze wędrówki, a poza tym, nie wiedziano jak daleko i jak często zauropody wędrowały. Ostatnie wyniki pomiarów izotopów stałych tlenu w zębach zauropodów z późnej jury (ok. 150 mln lat temu) przybliżyły nam nieco obraz życia tych roślinożerców (Fricke et al., 2011).

Czaszka kamarazaura
ze zbiorów Smithsonian
Museum of Natural Science (GNU FD License)

Kolekcja, z której brano próby do analiz izotopowych liczyła 32 zęby zauropodów z rodzaju Camarasaurus. Kamarazaury osiągały do 15 metrów długości i były jednymi z najpospolitszych zauropodów. Zęby zebrano w osadach okresowo wysychającej równi zalewowej późnojurajskiego basenu sedymentacyjnego Morrison w stanach Wyoming i Utah. Już środowisko tworzenia się osadów, sugerowało, że zwierzęta podczas pory suchej musiały przenieść się gdzie indziej. Badany skład izotopów stałych tlenu w zębach dinozaurów uzależniony był od składu izotopowego wody, którą spożywały. I okazało się, że nie odpowiadał on składowi izotopowemu osadów węglanowych tworzących się bezpośrednio na równi zalewowej. Dinozaury piły wodę gdzie indziej, a więc opuszczały równię zalewową. Analizując skład izotopowy, lamina po laminie, wgłąb zęba, stwierdzono, że każda z nich ma inny skład izotopowy, czyli, że w ciągu życia zauropoda, kiedy zęby rosły, pił on wodę z różnych źródeł. Z lamin jednego zęba wydedukowano, że zmieniało się to cyklicznie co 4-5 miesięcy, zatem można pokusić się o stwierdzenie, że migracja była sezonowa.
Fricke et al. (2011) twierdzą, że zauropody przenosiły się sezonowo na zielone tereny wegetacji roślinnej położone nieco wyżej, niż wysychająca równia zalewowa.
Z analiz paleogeograficznych wynika, że najbliżym, wyniesionym obszarem, był położony ok. 300 km na zachód łańcuch górski (dzisiejsze Góry Skaliste). Zatem zauropody późnojurajskie przedreptywały rocznie conajmniej 600 km.
Jak się wydaje, nie tylko zauropody wędrowały. Prawdopodobnie, podążały za nimi drapieżniki, np. teropody z rodzaju Allosaurus. Mielibyśmy zatem całą menażerię, która łaziła tam i z powrotem przez cały rok. Gdyby tak było, pociągałoby to za sobą mnóstwo innych konsekwencji, np. składania jaj i wykluwania się młodych dinozaurów w określonych porach roku i na określonym obszarze, podobnie jak to czynią współczesne ptaki.

Źródła:
1. Fricke, H., Hencecroth, J., & Hoerner, M. (2011). Lowland–upland migration of sauropod dinosaurs during the Late Jurassic epoch Nature DOI: 10.1038/nature10570
2. Rys. w nagłówku Dmitry Bogdanov GNU Free Documentation License

Czytaj więcej

Cykle słoneczne z NASA

Polecam film NASA o zmieniającej się cyklicznie aktywności Słońca. Efektowe zdjęcia wyrzutów plazmy z powierzchni Słońca robią niesamowite wrażenie. Jedno mnie tylko zastanawia.. Naukowcy z NASA (jak to się zwykło określać), wykoncypowali sobie, że aktywność Słońca w kolejnych 11-letnich cyklach będzie coraz mniejsza. Następne cykliczne maksima aktywności mają być coraz słabsze, a minima nieco wydłużone w czasie. Niektórzy twierdzą, że się nawet dobrze składa, bo będzie to częściowo niwelowało notowany ostatnio globalny wzrost temperatury. Jednak proponowany spadek aktywności wydedukowano na podstawie zaledwie trzech ostatnich cykli, czyli od 1975 r. Czy to już świadczy o trwałym trendzie?

Czytaj więcej

Woda a gaz łupkowy

Unia Europejska grozi Polsce karami za niedostosowanie gospodarki wodno-kanalizacyjnej do wymogów europejskich. Mamy czas do 2015 r. i już teraz wiadomo, że nie zdążymy, zabraknie funduszy. Z drugiej strony szykujemy się do wydobycia gazu łupkowego, a technologia jego pozyskania wymaga zabiegów szczelinowania skał i wpompowywania do otworu wiertniczego roztworu wodnego, który pomaga wypchnąć gaz z rozszczelinowanych łupków na powierzchnię. Będziemy zatem potrzebować wody, i to sporo. Obrońcy środowiska naturalnego wskazują na zagrożenia związane ze stosowaniem rakotwórczych dodatków do roztworu używanego do szczelinowania. Wszyscy chyba słyszeli, bądź oglądali film Josha Foxa "Gasland", gdzie wymienia się mnóstwo składników chemicznych rzekomo dodawanych do wody. Pora więc na wysłuchanie argumentów drugiej strony. Oto co na temat techniki szczelinowania łupków gazonośnych w Polsce twierdzi BNK Petroleum.

Czytaj więcej

Trzęsienie ziemi w Turcji

Earthquake Alert

Naturalne trzęsienia ziemi są nieuniknioną konsekwencją ruchu płyt litosferycznych. Do trzęsień dochodzi w miejscach kolizji takich płyt. Ostatnie wydarzenia w Turcji, po raz kolejny boleśnie uświadamiają nam, że kolizja płyt powoduje ogromne naprężenia w skorupie ziemskiej, których uwolnienie, może prowadzić do potężnych zniszczeń. I jak zwykle przy takiej okazji, media gorączkowo poszukują fachowców, którzy przed kamerą skomentują bieżące wydarzenia. Tak się jakoś składa, że i podczas trzęsienia w Japonii i teraz, przed kamerami TV, którą akurat oglądałem, występowali specjaliści z Instytutu Geofizyki PAN. Nazwisk nie pamiętam, za to pamiętam, jak pierwszy specjalista narysował przed kamerą kierunek zanurzania się płyty euroazjatyckiej pod pacyficzną (!) czyli dokładnie na odwrót niż w rzeczywistości. Tym razem, przy okazji trzęsienia w Turcji, specjalista stwierdził, że dla przeciętnego Turka obecne trzęsienie to szok, bo z czymś takim może się spotkać średnio 1-2 razy w ciągu swojego życia. Nie wiem co miał na myśli specjalista, bo wypowiedź została urwana i chyba trochę wyciągnięta z kontekstu. Dlatego post ten umieściłbym w kategorii: co artysta miał na myśli.

Czytaj więcej

Ciepło, coraz cieplej

Świat naukowców był do tej pory podzielony na tych, którzy wieścili globalne ocieplenie, oraz na tych, którzy byli sceptycznie nastawieni do tych poglądów. Zresztą nie tylko świat naukowców. Także politycy, którzy z reguły wiedzą wszystko lepiej, twierdzili, że globalne ocieplenie to jest spisek wiadomych sił, które chcą zahamować rozwój krajów rozwijających się nakładając na nie ograniczenia emisji gazów cieplarnianych (np. ditlenku węgla).
Sceptycy, aby ostatecznie pokazać, że jednak nie ma globalnego ocieplenia, utworzyli projekt o nazwie BEST (Berkeley Earth Surface Temperature), w którym zebrali dane meteorologiczne gromadzone od 1800 roku do dziś, pochodzące z ponad 15 źródeł, m.in. Światowej Organizacji Meteorologicznej oraz amerykańskich i brytyjskich służb meteorologicznych. W sumie ponad 1.5 mld zapisów. Oto co im wyszło:

Czytaj więcej