Levegős dinoszaurusz Telepolis
Újabb ismeretek a dinoszauruszok légzőszerveiről, amelyek lehetővé tették a rendkívül hatékony légzést
Az "előző nap szigete" című részben Umberto Eco a "Moby Dick" -re hivatkozott: Ha Herman Melville számára helyes és korrekt volt egy egész fejezetet a bálnákról beilleszteni a regénybe, és ügyesen megmagyarázni a cetológiát, Eco egy fejezetet is kívánt a Papagájok vannak a saját regényében - amit meg is tett. Közvetlenül az újév előtt nekünk, egyszerű halandóknak meg kell engedni, hogy felajánlják az olvasóknak a dinoszauruszokról szóló fejezetet.
A dinoszauruszok mindig is lenyűgözték a tudósokat és a nagyközönséget. Minden évben új kövületeket tárnak fel, amelyek további darabokkal egészítik ki ezen élőlények összképét. Tollas dinoszauruszokat, még nagyobb és erősebb állatokat, sőt a madarak korábbi rokonait is rendszeresen felfedezik minden kontinensen, így az Antarktiszon is.
Csak az elmúlt évtizedben nyílt meg egy izgalmas kutatási terület a dinoszauruszok légzőszerveivel kapcsolatban: a légzsákokról szól, azokról a szervekről, amelyek segítenek meghatározni a madarak légzését, és ugyanakkor nagyon könnyen repülhetnek. Kiderült, hogy a dinoszauruszok testében is voltak ilyen pneumatikus konstrukciók, amelyek könnyebbé, de ami a legfontosabb: hatékonyabban lélegeztek. A dinoszauruszok sokkal több oxigént vonnak le a levegőből, mint amennyit az emlősök képesek kivonni (a tüdő területegységére mérve). Leszármazottaikkal, a madarakkal együtt ők voltak a leghatékonyabb állati erőművek, amelyeket a természet valaha is előállított.
Légköri oxigén
Az oxigén azért vált annyira fontossá a légzés szempontjából, mert sok más elemmel gyorsan reagál, és sok energiát szabadít fel a folyamat során. A légkör oxigénje a föld fejlődésének kezdetén alig volt elérhető. Az élet megjelenése, valamint a növények és az algák fotoszintézise után azonban az oxigén mennyisége a légkörben fokozatosan nőtt: egyre több termelődött belőle, miközben az óceánok jelentős koncentrációjú széndioxidot szívtak fel, amely egyébként azonnal megkötötte az oxigént.
Évmilliók során az oxigén százalékát a légkörben ezért mindig a földi élet viszonyai határozták meg. Ha az erdős területek kisebbek lettek a geológiai jelenségek vagy a tektonikai folyamatok miatt, akkor az oxigén aránya a légkörben is csökkent. Ezzel szemben az oxigén aránya nőtt azokban a korszakokban, amikor a földi növényzet felrobbant. Ma 21% oxigént tartalmazó légkört lélegzünk. Vannak azonban olyan geológiai korszakok, amelyekben ez az arány 10% -ra esett vissza, és mások, ahol ez az arány akár 30% -kal is növekedett.
Az 1. ábra a föld légkörében az elmúlt 600 millió év feltételezett oxigénkoncentrációjának görbéjét mutatja. Bár az egyes korszakok hibahatárai nem elhanyagolhatóak, a triászban (kb. 250 millió évvel ezelőtt) mégis egyértelműen csökken az oxigéntartalom, amelyet aztán a jura lassan kompenzált. Ez a dinoszauruszok kora.
Senki sem hívta fel hatékonyabban az állati morfológia, a légzés és az atmoszférában lévő oxigén kapcsolatát, mint Peter Ward "Out of Thin Air" (2006) című művében, amelyből az 1. ábra származik. A könyv olykor a földi élet nagyszabású monokausális magyarázatának tűnik, de hegyes állításai miatt értékes, amelyeket aztán paleontológiai megállapításokkal hamisíthatnak meg.
Ward tézise egyszerű: egy dinoszaurusz ős több mint 250 millió évvel ezelőtt fejlesztette ki a hatékony légzést. Ahelyett, hogy levegőt fújt volna a tüdőbe (zsákutca), majd kilégezte, mint az emlősök (az oxigénbevitelre rendelkezésre álló idő felét pazarolta), a levegőt hagyták zavartalanul és csak egy irányban áramolni a dinoszaurusz hörgőin keresztül, mint például a mai madarak. Ez azt jelenti, hogy időegységenként és tüdőterület-egységenként több oxigént vonnak ki a levegőből. A madarak repülhetnek például az Alpok vagy akár a Himalája felett, olyan magasságban, ahol az emlősök azonnal elveszítenék az eszméletüket.
A triász és a jura alacsony oxigénkoncentrációjához való alkalmazkodás lehetővé tette a dinoszauruszok irányítását a föld felett. A kevésbé hatékony és lassabb állatok eltűntek. A dinoszauruszok idején az emlősök csak néhány ökológiai fülkét tudtak elfoglalni - éjszakaiak és korlátozott méretűek voltak.
Egy ilyen nagy teljesítmény érdekében a madarak a testben elosztott légzsákokat használnak. Belégzéskor a levegő átáramlik a tüdőn, de kitölti a test elülső és hátsó részén lévő légzsákokat is. Kilégzéskor a léghólyagok, amelyek működnek, amikor a fújtató leereszkedik, és a levegő tovább áramlik a hörgőkön és ki. A hörgőket tehát folyamatosan friss levegővel látják el. A 2. ábra mutatja, hogy ez a "turbófeltöltés" hogyan működik a madaraknál az első és a hátsó légzsákok együttműködésével.
Emlősként ilyen hatékony légzőrendszert kívánt, mert a légzsákok a következőket teszik lehetővé:
- Ilyen légzőszervekkel a dinoszauruszok több energiával és állóképességgel rendelkeztek, mint más állatok. Míg a mai kis hüllők egy része nem tud egyszerre futni és lélegezni, a dinoszauruszok hosszabb ideig lélegeztek üldözés közben.
- A légzsákok megnövelik a test felületét, amelyet az állatok gyorsabban lehűlhetnek. Ez nagyon fontos lett volna a hatalmas testű dinoszauruszok számára. Ezenkívül az egész teljesen automatikusan működik: Több erőfeszítéssel nagyobb oxigénáramlás és ezáltal nagyobb hűtési kapacitás jön létre.
- A légzsákok könnyebb testhez vezetnek. Ha egy állat súlya néhány tonna, minden üreges hely segít megtakarítani a súlyt. Úgy tűnik, hogy a dinoszauruszok és a madarak ezt a "pneumatikusságot" a végletekig elérték.
Ezért a dinoszauruszokat mozgékony erőműveknek lehetett tekinteni. Könnyűek is voltak, mert egyszerűen felpuffadtak. A Theropodában egyenes járásukkal a tüdőket is leválasztották a lábak izommozgásairól.
A pneumatika
A légzsákok jelentősége a dinoszauruszok súlyának csökkentésében valójában nem újdonság. A dinoszauruszok gerincére vonatkozó vizsgálatok alapján már a 20. század elején sejteni lehetett a légzsákok létezését.
A madaraknál a légzsákokat nem egyszerűen kerek zsebekként kell elképzelni, hanem inkább egy olyan szerkezetként, amelynek sok hosszú folyamata van (diverticula), amelyek behatolnak a csontokba. A csont anyagát egyszerűen egy "légpárna" váltja fel. Ez a csontokat könnyebbé teszi, sok szerkezeti veszteség nélkül (néhány madárcsont is nagyrészt üreges, és belső szerkezete különböző keresztgerendákkal rendelkezik, mint a darukban).
A 3. ábra egy modern madár és egy Theropoda összehasonlítását mutatja. A légzsákok hátul és elöl vannak, segítik a légzést, és a csontokba hatolva könnyebbé teszik a nyakat és a gerincet.
Szenzáció 2008-ban történt az Aerosteon riocoloradensis első részletes leírásával, amelyet Argentínában 1996-ban fedeztek fel.1 Amint a neve is mutatja, az Aerosteont légzsákok ázták. A kulcscsontban, a mellkasban, a hátsó kismedence területén és a hasban légzsákok voltak. A légpárnák mint szerkezeti anyag jelentősége a dinoszauruszok testszerkezetében ismét a morfológiai elemzések középpontjában állt.
Az ilyen összehasonlító tanulmányokat egy körülbelül egy időben megjelent doktori disszertáció is ösztönözte. 2007-ben Matthew Wedel benyújtotta disszertációját a dinoszauruszok pneumatikájáról. A munka leírja a dinoszauruszok csontjainak üregeit, amelyek meglepően hasonlítanak a madarak csontjaiban található üregekhez. Tudjuk, hogy a madaraknál ezeket az üregeket a légzsákok divertikulái hatolják át, és hogy viszonylag nagy mennyiséget lehet velük betölteni (ennek bizonyításához a kacsáknak két évvel előre kellett hinniük, akiknek a légzsákjait folyékony latex töltötte meg és készítették elő)
Wedel kimutatta, hogy a madarak elülső és hátsó gerincoszlopát az elülső és a hátsó légzsák átszúrja. A középső gerinc azonban csak a madár fejlődésének végén hatol be. Néha a fejlődés idő előtt leáll, és a középső gerinc szilárd csontként marad. Wedel pontosan ugyanazt tudta meghatározni a dinoszaurusz kövületekben, ezzel párhuzamos fejlődést mutatva a madarakkal.
A 4. ábra ebben a kontextusban nagyon szemléletes. Egy hosszú nyakú dinoszaurusz gerincét mutatja (amint azt a berlini Természettudományi Múzeumban meg lehet csodálni) .3 A légzsákokat kék színnel jelölték, és mint látható, ennek a dinoszaurusznak a nyakában lévő tér jó részét levegő töltötte meg. Egyes kutatók ezért úgy gondolják, hogy a légzsákok a dinoszauruszokat legfeljebb 20 tömeg% -ban megtakarították.
Nem minden dinoszauruszban alakultak ki légzsákok. Az úgynevezett kismedencei dinoszauruszoknak semmi haszna nem volt. Akkor keletkeztek, amikor a légkör oxigéntartalma már ismét megemelkedett - Peter Ward hipotézise szerint. A pterosauruszok, a repülő dinoszauruszok viszont légzsákokkal rendelkeztek, és mind légzésre, mind fogyásra használták őket.
Meglepő azonban, hogy 2010-ben a krokodilokban is felfedezték az egyirányú légzést. A krokodilok nem rendelkeznek légzsákokkal, ezért a belégzésüket és a kilégzésüket sokáig nem vizsgálták. A kutatókon végzett vizsgálatok során azonban kiderült, hogy a krokodilok, a madarakhoz hasonlóan, egy csatornán keresztül belélegezhetik a levegőt, egy második csatornán keresztül pedig kilégezhetnek.4 Ez azt jelentené, hogy az úgynevezett archosauruszok már feltalálták az egyirányú légzést, és hogy a dinoszauruszok csak légzsákokkal rendelkeznek ehhez az újításhoz. hozzájárult.
Nemrégiben azonban több olyan hüllőt fedeztek fel, amelyek szintén egyirányú légzést gyakorolnak, ami lassan növeli az ezzel a tulajdonsággal rendelkező ismert fajok számát. Nemrégiben bebizonyosodott, hogy még a lassú Komodo sárkányok is képesek egyirányú lélegzésre, ami azt jelenti, hogy 270 millió évvel ezelőtt elhalasztották azt az időpontot, amikor az oxigénfelvétel ezen formája létrejött.
A dinoszaurusz-vizsgálatokkal kapcsolatban azonban még nincs teljes bizonyosság. A légkör oxigéntartalmának mérése az őskorban csak közvetett módon végezhető (pl. A föld különböző rétegeiben található ásványi anyagok felhasználásával). Más típusú mérések néha olyan eredményekhez vezetnek, amelyek némileg relativizálják a légkör oxigéntartalmának nagy ingadozásait, például ha a borostyán kémiai tulajdonságait alkalmazzuk. 6 Akkor már nem lenne annyira egyértelmű, hogy a dinoszauruszok kénytelenek voltak bevezetni vagy blokkolni az egyirányú légzést javítani. Inkább véletlen lett volna. A paleontológusok azonban irtóznak az elméleti vákuumtól.
Levegő mint szerkezeti anyag
A madarak és a dinoszauruszok példája azt mutatja, hogy a levegő szerkezeti anyagként a biológiában is szerepet játszhat a pneumatika segítségével. A hidraulikus működtetők (ha tudsz ilyen biológiai dolgokról beszélni) közismertek, és nincs szükségem különösebb példákra. Vagy talán csak egy dolog, nem az, amire az olvasó gondolhat: a pókok hidraulikus nyomással nyújtják a lábukat. Míg az izmok összehúzhatják a lábakat, az ellenkező mozgást a pók lábában lévő folyadékra gyakorolt nyomás hozza létre.
De a pneumatika is elérhet valamit. Például a Diplodocus hosszú nyakánál a súlymegtakarítás nagyon fontos volt (a nyak akár 15 méter hosszú is lehet). A laboratóriumban légcsövekkel készítették a nyak csigolyáinak mesterséges modelljeit, és bebizonyosodott, hogy az inak nemcsak a nyakat mozgathatják és tarthatják függőlegesen, hanem a sűrített levegő is elősegítheti a légzsákokat. A Diplodocus nyak sűrűségét a légzsákok csökkenthetik literenként 500 g alá. A dinoszauruszok egyszerűen nem tudtak elsüllyedni a vízben.
Az üregekben lévő levegő nemcsak a biológiában, hanem a technológiában is nagy szerepet játszik. Amint azt a dinoszauruszok példája mutatja, a pneumatikus elemek képesek strukturális feladatokat ellátni. Az automatizálási technológiában például a sűrített levegő működtető berendezéseit már régóta használják. A sűrített levegővel működő emelőpárnák szintén nagy erőket fejlesztenek ki. Tokióban egy baseball-stadiont teljesen borított boríték borított sűrített levegős elemekből. Sok városban vannak olyan teniszcsarnokok, amelyek csak sűrített levegős sátorból állnak. A levegő valóban kiváló, és újra és újra alábecsülik az "építőanyagot".
És még ha az itt felvázolt dinoszauruszkutatás több kérdést is megválaszolatlanul hagy, mint amennyit a légzsebek alakulásával kapcsolatban megválaszolhat, ismét utalhatunk Melville-re, aki a "Moby Dick" cetológiai fejezetében megjegyezte: A kis projektek gyorsan véget érnek; de az igazán nagyszerű projektek, például a kölni székesegyház befejezése nyugodtan a következő generációkra bízható.
A több kövület és a jobb mérési technikák idővel választ adnak az itt felvetett kérdésekre.