WRACAMY NA ŁAMY. „Indeks” zaprasza do lektury
Kość udowa metopozaura (wielkiego płaza triasowego)*
Wszechobecna koronawirusowa przeszkoda uniemożliwiła
również bezpośredni kontakt „Indeksu” z Czytelnikami. Kolejny numer musi więc poczekać
na warunki umożliwiające druk, a zwłaszcza kolportaż. Do tego czasu „Indeks”
będzie się tu przypominał tekstami, którym upływ czasu nie zaszkodził.
Autorka tekstu, Dorota Konietzko-Meier z Instytutu Biologii UO, ściśle współpracująca z Uniwersytetem w Bonn, jest jednym z zaledwie dziesięciu paleohistologów na świecie, zajmujących się poznawaniem życia zwierząt na podstawie analizy składu i wyglądu kości pochodzących sprzed setek milionów lat.
Dorota Konietzko-Meier
Drugie życie martwych kości
Każdy oglądał albo przynajmniej słyszał o filmie „Park Jurajski” i jego najnowszej odsłonie – „Jurassik World”. Jurajskie filmy wzbudzają gorące emocje nie tylko wśród miłośników sensacji w kinie, fanatycznych sympatyków dinozaurów, ale również wśród poważnych naukowców. Całkiem niedawno na forach, tych popularnych, i tych naukowych, głównym tematem dyskusji były pióra, a raczej ich brak u dinozaurów filmowych. Ostatnie doniesienia wskazują bowiem, że teropody były opierzone i do tego kolorowe! Proszę sobie więc wyobrazić ikonę paleontologii popularnej: wielkiego i groźnego tyranozaura, okrytego błękitno-czerwonymi piórami. Czyż nie odbiera to królowi jego grozy i dostojeństwa? Czy ten szary, łuskowaty potwór, do którego się przyzwyczailiśmy, był w istocie kolorową, pierzastą przytulanką? Nic bardziej mylnego, na szczęście zmiana wizerunku nie zmieniła charakteru króla i T-rex pozostaje T-rexem, zachowując swoją pozycję władcy dinozaurów. Ale na poważnie, czy zastanawiali się państwo, skąd filmowcy wiedzieli, jak wyglądały dinozaury: czy ich filmowy wizerunek to czysta fantazja, czy też ma jakieś podstawy naukowe?
Na podstawie wielkości i morfologii kości można odtworzyć wygląd zwierzęcia, zęby natomiast zdradzą nam, w jaki sposób się odżywiał. Ale czy możemy określić, ile lat miało dane zwierzę, jak szybko rosło, w jakiej kondycji zdrowotnej było? Możemy! Okazuje się bowiem, że struktura wewnętrzna kości ujawnia wiele tajemnic życia ich właścicieli. Dziedziną, która rozszyfrowuje znaczenie sygnałów ukrytych w mikroanatomii kości i zębów kopalnych kręgowców jest paleohistologia. Sama histologia, czyli nauka opisująca budowę komórkową tkanek, jako nauka jest prawie tak stara, jak mikroskopy umożliwiające jej badanie. W XIX wieku każdy szanujący się badacz natury, oprócz cech morfologicznych żywych organizmów, standardowo badał mikroskopową strukturę roślin i zwierząt. Do badania histologii kości mikroskop został po raz pierwszy wykorzystany przez austriackiego anatoma Josefa R. Schaffera (1861–1939). Historia paleohistologii rozpoczyna się w momencie, kiedy Richard Owen, opisując w 1861 roku dinozaury, włożył pod mikroskop skrawek kości jednego z nich – scelidozaura (Scelidosaurus).Ale rozwój paleohistologii jest zasługą włoskiego profesora Rodolfo Amprina (1912–2007), który zaczynał swoją karierę w Turynie, zajmując się biologią porównawczą kręgowców i histologią kości. Koronnym dziełem Amprina jest opublikowana w 1947 roku La structure histologique de l’os envisagée comme expression de différences dans la vitesse de l’accroissement– opisał w niej histologię kości kopalnych płazów i owodniowców. Istotna dla rozwoju paleohistologii była również tzw. niemiecka szkoła histologiczna, stworzona przez Franza Weidenreicha (1873–1948) i Waltera Roberta Grossa (1903–1974).
Po latach wczesnej fascynacji, późniejszy rozwój biologii molekularnej i genetyki przyćmił znaczenie histologii w ogóle – jako staromodnej i niewnoszącej niczego nowoczesnego do nauki. Histologia, a razem z nią paleohistologia, została sprowadzona ponownie do roli nauki uzupełniającej badania morfologiczne i anatomiczne. Dopiero w latach 60.XX wieku zaczęto dostrzegać, że w kościach są zakodowane również inne informacje, nie tylko te przydatne w diagnostyce medycznej. I – co najważniejsze – informacje te mogą przetrwać miliony lat w niezmienionej formie, dostarczając wiedzy o historii życia danego osobnika. Jest to potencjał niedostępny przy zastosowaniu klasycznych badań morfologicznych. Paleohistologia odkrywa bowiem zupełnie nowe oblicze kopalnych zwierząt, pozwala badać ich historię na poziomie osobniczym: określić wiek zwierzęcia w momencie śmierci, prześledzić szybkość wzrostu, stan zdrowotny, pozwala pośrednio wnioskować o środowisku, w którym zwierzę żyło, o pokrewieństwach i o ścieżkach ewolucji.
Pojawił się jednakże problem: jak przetłumaczyć te skomplikowane, skamieniałe układy komórkowe na język życia? Bo mimo że skamieniałe kości badano mikroskopowo od niemal wieku, wciąż nie prowadzono systematycznych, przekrojowych badań bazujących na większej liczbie okazów. Dotychczasowe badania były raczej przypadkowe, oparte na fragmentach kości, często o wątpliwej przynależności taksonomicznej, więc wszelkie generalizacje i uogólnienia były dość wątpliwe. Pionierem nowoczesnej paleohistologii jest paryski profesor Armand de Ricqles, który wyprowadził ją z poziomu badań ciekawostkowych, dodatkowych – do rodziny nauk podstawowych, stworzył też podstawy interpretacji skamieniałych tkanek.
Najbardziej interesujące naukowo są kości niessaków, w szczególności płazów kopalnych i gadów, a więc również dinozaurów! Kość ssaków jest biologicznie kością wtórną, czyli silnie przebudowaną. Kość pierwotna, najbogatsza w zapis dziejów, u ludzi i u większości ssaków występuje bowiem tylko w okresie płodowym i bardzo wcześnie ulega przebudowie. Nie oznacza to jednak, że z punku widzenia paleohistologii kość wtórna jest zupełnie nieprzydatna – wymaga ona jednak innej metodologii czytania. Ale to właśnie kości dinozaurów są najlepiej poznane histologicznie wśród kopalnych kręgowców. Wynika to z dwóch głównych powodów. Powód pierwszy: dinozaury są grupą unikatową pod względem biologii – to do niej należały największe żyjące na Ziemi kręgowce, które ze względu na rozmiary musiały wytworzyć specyficzne adaptacje w zakresie budowy szkieletu i fizjologii. Paleohistologia pozwoliła znaleźć odpowiedzi na wiele czysto biologicznych pytań, jak stałocieplność, tempo wzrostu, wytrzymałość mechaniczna szkieletu takich olbrzymów czy długość ich życia. Powód drugi jest bardzo prozaiczny: dinozaury były i są medialne – więc po prostu łatwiej znaleźć fundusze na ich badanie. Paradoksalnie (ale i korzystnie dla nas, o czym później) prawie zupełnie nieznana jest histologia kości wielkich płazów kopalnych.
Jak jednak interpretować zapis widoczny w kościach? Na przestrzeni lat okazało się, że najlepsza do badań historii życia jest kość udowa. Jest to kość stosunkowo wcześnie kostniejąca podczas tworzenia szkieletu, zawiera więc najdłuższy czasowo zapis życia zwierzęcia. Jest również kością anatomicznie stosunkowo prostą, więc zaburzenia zapisu, wynikające z przebudowy struktury kości podczas wzrostu, są też najmniejsze. Po ustabilizowaniu naszej eksperymentalnej kości w żywicy, należy wykroić ścinek w przekroju poprzecznym (jak plasterek ogórka) ze środka trzonu kości, a więc w miejscu, gdzie w ontogenezie zaczyna ona swoje kostnienie. Pobrany wycinek szlifuje się do pożądanej grubości, najczęściej około 130 do180 mikrometrów, uzyskując tzw. szlif cienki. I w zasadzie można przystąpić do obserwacji...
Czego można się dowiedzieć? – tak naprawdę interpretacja każdego slajdu jest bardzo indywidualna i zależna od wielu czynników. Najogólniej jednak mówiąc: u zwierząt zmiennocieplnych mamy szanse zaobserwować znaczniki wzrostu, widoczne jako różnie zorganizowane pierścienie tkankowe. W najbardziej klasycznej postaci możemy obserwować regularnie następujące po sobie sezonowe zahamowania wzrostu, widoczne jako ciemne linie, tkankę bogato unaczynioną, odpowiadającą strefom szybkiego wzrostu oraz strefy przejściowe (mniej unaczynione), obrazujące zwolniony przyrost. Strefy zahamowania wzrostu odpowiadają niekorzystnym dla danego zwierzęcia warunkom życia, np. z powodu zbyt wysokiej lub zbyt niskiej temperatury, powodzi czy suszy, albo niedoboru pokarmu. Wysoko unaczyniona tkanka rośnie bardzo szybko, co oznacza, że zwierzę miało optymalne dla siebie warunki wzrostu. U zwierząt zmiennocieplnych wahania tempa wzrostu są najczęściej zależne od pogody. Na podstawie liczby i grubości poszczególnych pierścieni możemy wnioskować pośrednio o wieku osobniczym (liczba cykli: szybki wzrost – brak wzrostu) i o lokalnym klimacie (grubość danej strefy oznacza długość danej pory roku). Wszelkie stany chorobowe są widoczne bezpośrednio w samej histologii (np. regeneracja po złamaniach) lub jako zaburzenia regularności cyklu wzrostowego. Pusta jama szpikowa i cienka, kompaktowa kora kości są typowe dla zwierząt lądowych, natomiast jama szpikowa wypełniona kością gąbczastą (nie tylko w nasadach kości) i porowata kora kości są typowe dla zwierząt wodnych. Wśród zwierząt wodnych wyraźne zgrubienia kory kości, prowadzące do zaniku jamy szpikowej, świadczą o powolnym i dennym trybie życia, podczas gdy ekstremalnie gąbczasta kość jest typowa dla aktywnych pływaków.
Porównując histologię grup spokrewnionych, ale żyjących w różnym czasie geologicznym, możemy wnioskować o ewolucji danego taksonu, wykształcaniu adaptacji do danego środowiska, itp. Porównując kości, należące do jednego gatunku, możemy prześledzić rozwój ontogenetyczny danego organizmu, określić, w jakim wieku zwierzęta osiągały dojrzałość płciową czy kiedy przestawały rosnąć, czasami można nawet określić płeć danego osobnika. Musimy jednak pamiętać o statystyce –aby móc określić jakikolwiek trend i odróżnić zdarzenie przypadkowe od tendencji, musimy dysponować odpowiednio dużą liczbą zdarzeń. W paleontologii jest to niezwykle trudne, bowiem niektóre taksony są znane z pojedynczych kości, i to w zasadzie stanowi główny faktor hamujący rozwój badań paleohistologicznych. Paleohistologia w swojej klasycznej postaci ma bowiem jedną wielką wadę – prowadzi do mniejszego lub większego uszkodzenia okazu. Oczywiście, przy obecnych możliwościach technicznych i rekonstrukcyjnych uszkodzenia można zminimalizować i zamaskować do poziomu niewidocznego gołym okiem. Jednakże sama świadomość poświęcenia okazu dla badań paleohistologicznych (w domyśle –narażenia okazu na uszczerbek) wzbudza u kuratorów kolekcji paleontologicznych nieopanowany (i w zasadzie zrozumiały) odruch sprzeciwu. W konsekwencji badania paleohistologiczne są wciąż dość elitarną dziedziną. Kuratorzy, jeżeli zgadzają się poświęcić okruch swoich skarbów, powierzą analizy tylko uznanym ośrodkom naukowym (a tych jest bardzo niewiele w świecie) – bo to daje gwarancję efektywnego wykorzystania materiału.
Nasza uczelnia ma to szczęście, że niedaleko Opola, w Krasiejowie, odkryto bogate złoża kostne triasowych kręgowców. Ogromna liczba kości otwiera zupełnie nowe możliwości badawcze triasowej fauny, w tym również możliwość prowadzenia seryjnych badań paleohistologicznych, zakrojonych na skalę nieznaną dotychczas na świecie. Szczęśliwie dla nas, badania paleohistologiczne kopalnych płazów, tych dominujących w Krasiejowie, właśnie ze względu na znikomą ilość dostępnego materiału, praktycznie do tej pory nie istniały. Wykorzystując ten fakt, przy współpracy z ośrodkami z Niemiec i Francji, w Opolu rozwija się obecnie jeden z przodujących w świecie ośrodków badania struktury kości tej grupy.
Fascynacja i próba rozwikłania tajemnicy życia, zakodowanej w kościach, trwa od lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku. I mimo że obecnie paleohistologia korzysta nie tylko z pomocy klasycznego mikroskopu świetlnego, ale sięga po wysoko rozwinięte technologie, jak mikroskopia elektronowa, mikrotomografia komputerowa czy cyklotrony, wciąż jeszcze wiele starych pytań pozostaje bez odpowiedzi, a nowe ustalenia rodzą nowe pytania.
* Na zdjęciu powyżej - kość udowa metopozaura (wielkiego płaza triasowego) z Krasiejowa z komputerowo wkomponowanym obrazem przekroju poprzecznego trzonu kości, uzyskanym w mikroskopie świetlnym. Kość ma około 9 cm długości, średnica przekroju to nieco ponad 1 cm. Znaczniki wzrostu widoczne jako jasno- i ciemnobrązowe linie blisko krawędzi i w środkowej części przekroju oraz warstwy silnie unaczynione (naczynia widoczne jako białe i czarne plamy). Linie oznaczają zwolnienie wzrostu występujące w okresie suszy, obszary silnie unaczynione wskazują na szybki wyrost typowy dla pory deszczowej. Grafika ukazała się na okładce międzynarodowego, specjalistycznego czasopisma „Journal of Vertebrate Paleontology”.