Dinozaur aerisit Telepolis

Cunoștințe mai noi despre organele respiratorii ale dinozaurilor, care au permis o respirație extrem de eficientă

În „Insula zilei anterioare” Umberto Eco s-a referit la „Moby Dick”: Dacă a fost corect și corect ca Herman Melville să includă un întreg capitol despre balene în roman și să explice cu pricepere cetologia, Eco dorea și un capitol despre sistematica Având papagali în propriul său roman - ceea ce a făcut. Chiar înainte de Anul Nou, simplilor muritori ar trebui să li se permită să le oferim cititorilor un capitol despre dinozauri.

Dinozaurii au fascinat întotdeauna oamenii de știință și publicul larg. În fiecare an sunt descoperite noi fosile, adăugând piese suplimentare ale puzzle-ului la imaginea de ansamblu a acestor viețuitoare. Dinozaurii cu pene, animale chiar mai mari și mai puternice și chiar rude anterioare ale păsărilor sunt descoperite în mod regulat pe toate continentele, inclusiv în Antarctica.

Abia în ultimul deceniu a fost deschis un câmp interesant de cercetare referitor la organele respiratorii ale dinozaurilor: este vorba despre sacii de aer, acele organe care ajută la determinarea respirației la păsări și, în același timp, le fac foarte ușor de zbor. Se pare că și dinozaurii aveau astfel de construcții pneumatice în corpul lor, făcându-i mai ușori, dar cel mai important, respirând mai eficient. Dinozaurii extrag mult mai mult oxigen din aer decât pot extrage mamiferele (măsurate pe unitatea de suprafață a plămânilor). Împreună cu descendenții lor, păsările, au fost cele mai eficiente centrale energetice animale pe care natura le-a produs vreodată.

Oxigenul atmosferic

Oxigenul a devenit atât de important pentru respirație, deoarece reacționează rapid cu multe alte elemente și eliberează multă energie în proces. Oxigenul atmosferic era greu disponibil la începutul dezvoltării pământului. Cu toate acestea, după apariția vieții și fotosinteza plantelor și algelor, cantitatea de oxigen din atmosferă a crescut treptat: din ce în ce mai mult a fost produs, în timp ce oceanele au absorbit concentrații considerabile de carbon care altfel ar fi legat imediat oxigenul.

De-a lungul a milioane de ani, procentul de oxigen din atmosferă a fost deci întotdeauna determinat de condițiile de viață de pe pământ. Dacă zonele împădurite au devenit mai mici din cauza fenomenelor geologice sau a proceselor tectonice, a scăzut și proporția de oxigen din atmosferă. În timp ce proporția de oxigen a crescut în epoci atunci când vegetația de pe pământ a explodat. Astăzi respirăm într-o atmosferă cu 21% oxigen. Cu toate acestea, au existat epoci geologice în care această proporție a scăzut la 10% și altele în care proporția a crescut cu până la 30%.

Fig. 1 prezintă o curbă a concentrației postulate de oxigen în atmosfera terestră în ultimii 600 de milioane de ani. Deși limitele de eroare pentru fiecare epocă nu sunt deloc de neglijat, totuși puteți observa o scădere clară a conținutului de oxigen din Triasic (acum aproximativ 250 de milioane de ani), care a fost apoi compensată încet în Jurasic. Aceasta este epoca dinozaurilor.

Nimeni nu a subliniat relația dintre morfologia animală, respirația și oxigenul din atmosferă mai eficient decât Peter Ward în lucrarea sa „Out of Thin Air” (2006), din care este preluată figura 1. Cartea pare uneori o explicație monocauzală la scară largă a vieții pe pământ, dar este valoroasă datorită afirmațiilor sale ascuțite, care pot fi apoi falsificate cu descoperiri paleontologice.

Teza lui Ward este simplă: un strămoș dinozaur a dezvoltat o respirație eficientă în urmă cu peste 250 de milioane de ani. În loc să respire aer în plămâni (o fundătură) și apoi să-l expire ca mamiferele (pierzând jumătate din timpul disponibil pentru aportul de oxigen), aerul a fost lăsat să curgă prin bronhiile dinozaurilor neîntrerupt și într-o singură direcție, ca în păsările de azi. Aceasta înseamnă că mai mult oxigen este extras din aer pe unitate de timp și unitate de zonă pulmonară. Păsările pot de ex. zboară peste Alpi sau chiar Himalaya, la altitudini la care mamiferele și-ar pierde instantaneu cunoștința.

Această adaptare la concentrația scăzută de oxigen din triasic și jurasic a dat dinozaurilor control asupra pământului. Animalele mai puțin eficiente și mai lente au dispărut. În timpul dinozaurilor, mamiferele puteau ocupa doar câteva nișe ecologice - erau nocturne și de dimensiuni limitate.

Pentru o astfel de ispravă, păsările folosesc saci de aer care sunt distribuiți pe tot corpul. La inhalare, aerul curge prin plămâni, dar umple și sacii de aer din partea din față și din spate a corpului. Pe măsură ce expiri, sacii de aer care funcționează ca burduful se dezumfla și aerul continuă să curgă prin bronhii și să iasă. Bronhiile sunt astfel alimentate în mod constant cu aer proaspăt. Fig. 2 arată cum funcționează această "turbo-încărcare" la păsări prin cooperarea sacilor de aer din față și din spate.

Ca mamifer, s-a dorit să existe un sistem respirator atât de eficient, deoarece sacii de aer permit următoarele:

Cu astfel de organe respiratorii, dinozaurii aveau mai multă energie și rezistență decât alte animale. În timp ce unele dintre reptilele mici de astăzi nu pot alerga și respira în același timp, dinozaurii au avut respirația mai lungă atunci când sunt urmărite.
Pungile de aer cresc suprafața corpului, pe care animalele o pot folosi pentru a se răcori mai repede. Acest lucru ar fi fost foarte important pentru dinozaurii cu corpurile lor masive. În plus, totul funcționează complet automat: mai mult efort creează un flux de oxigen mai mare și, astfel, o capacitate de răcire mai mare.
Sacii de aer duc la un corp mai ușor. Dacă un animal cântărește câteva tone, fiecare spațiu gol ajută la economisirea greutății. Dinozaurii și păsările par să fi dus la extremă această „pneumaticitate”.

Prin urmare, dinozaurii ar putea fi văzuți ca centrale electrice agile. De asemenea, erau ușoare, deoarece erau simple și umflate pur și simplu. În Theropoda, cu mersul lor vertical, plămânii au fost, de asemenea, decuplați de mișcările musculare ale picioarelor.

Pneumatica

Importanța sacilor de aer în reducerea greutății dinozaurilor nu este de fapt nimic nou. Încă de la începutul secolului al XX-lea, existența sacilor de aer a fost suspectată pe baza studiilor coloanei vertebrale a dinozaurilor.

La păsări, sacii de aer nu ar trebui pur și simplu imaginați ca niște buzunare rotunde, ci ca o structură cu multe procese lungi (numite diverticuli) care pătrund în oase. Materialul osos este pur și simplu înlocuit cu o „pernă de aer”. Acest lucru face oasele mai ușoare fără prea multe pierderi structurale (unele oase de păsări sunt, de asemenea, în mare parte goale și au o structură internă cu diferite grinzi, ca la macarale).

Fig. 3 arată o comparație între o pasăre modernă și o Theropoda. Există saci de aer în spate și în față, care ajută la eficientizarea respirației și, prin pătrunderea oaselor, fac gâtul și coloana vertebrală mai ușoare.

O senzație a apărut în 2008, cu prima descriere detaliată a Aerosteon riocoloradensis, care a fost descoperită în Argentina în 1996.1 După cum sugerează și numele, Aerosteon a fost pătruns de sacii de aer. Au existat saci de aer în claviculă, piept, zona pelviană posterioară și abdomen. Importanța pernelor de aer ca material structural în structura corpului dinozaurilor a fost din nou în centrul analizelor morfologice.

Astfel de studii comparative au fost stimulate și de o teză de doctorat publicată în același timp. În 2007, Matthew Wedel și-a prezentat disertația despre pneumatica dinozaurilor. Lucrarea descrie cavitățile din oasele dinozaurilor care sunt uimitor de asemănătoare cu cele din oasele păsărilor. Știm că la păsări aceste cavități sunt pătrunse de diverticulii sacilor de aer și că un volum relativ mare poate fi umplut cu ele (pentru a demonstra acest lucru, rațele au trebuit să creadă în el cu doi ani înainte, ale căror sacuri de aer au fost umplute și pregătite cu latex lichid)

Wedel a arătat că coloanele vertebrale anterioare și posterioare ale păsărilor sunt străpunse de pungile aeriene anterioare și respectiv posterioare. Cu toate acestea, coloana vertebrală mijlocie este pătrunsă doar la sfârșitul dezvoltării păsării. Uneori dezvoltarea se oprește prematur și coloana vertebrală mijlocie rămâne ca oase solide. Wedel a reușit să determine exact același lucru în fosilele dinozaurilor, demonstrând astfel o dezvoltare paralelă cu păsările.

Fig. 4 este foarte ilustrativă în acest context. Arată coloana vertebrală a unui dinozaur cu un gât lung (așa cum se poate admira la Muzeul de Istorie Naturală din Berlin). 3 Sacurile de aer sunt indicate în albastru și, după cum puteți vedea, o bună parte din spațiul din gâtul acestui dinozaur a fost umplut cu aer. Prin urmare, unii cercetători cred că sacii de aer au adus dinozaurilor o economie de greutate de până la 20%.

Nu toți dinozaurii au dezvoltat saci de aer. Așa-numiții dinozauri pelvieni nu au avut niciun folos pentru el. Au apărut atunci când conținutul de oxigen din atmosferă a crescut deja din nou - conform ipotezei lui Peter Ward. Pe de altă parte, pterozaurii, dinozaurii zburători, aveau saci de aer și îi foloseau atât pentru respirație, cât și pentru pierderea în greutate.

Cu toate acestea, este surprinzător faptul că respirația unidirecțională a fost descoperită și la crocodili în 2010. Crocodilii nu au saci de aer, motiv pentru care inhalarea și expirația lor nu au fost studiate de mult timp. Cu toate acestea, investigațiile pe cadavre au constatat că crocodilii, la fel ca păsările, pot inspira aer printr-un canal și expira printr-un al doilea canal.4 Acest lucru ar însemna că așa-numiții arzauroși inventaseră deja respirația unidirecțională și că dinozaurii aveau doar sacii de aer pentru această inovație. contribuit.

Recent, însă, au fost descoperite mai multe reptile care practică și respirația unidirecțională, care crește încet numărul de specii cunoscute cu această proprietate. Recent s-a arătat că până și dragonii lent Komodo pot respira într-o singură direcție, ceea ce înseamnă că momentul în care a fost creată această formă de absorbție a oxigenului a fost amânată acum 270 de milioane de ani

Cu toate acestea, cineva nu are încă certitudinea deplină cu investigațiile dinozaurilor. Măsurătorile conținutului de oxigen din atmosferă în timpurile preistorice pot fi efectuate numai indirect (de exemplu, folosind mineralele prezente în diferitele straturi ale pământului). Alte tipuri de măsurători duc uneori la rezultate care pun în perspectivă fluctuațiile mari ale conținutului de oxigen din atmosferă, de ex. proprietățile chimice ale chihlimbarului pot fi folosite.6 Atunci nu ar mai fi atât de clar că dinozaurii au fost obligați să introducă sau să îmbunătățească respirația unidirecțională. Ar fi fost mai mult o coincidență. Cu toate acestea, paleontologii urăsc vidul teoretic.

Aerul ca material structural

Exemplul păsărilor și dinozaurilor arată că aerul poate juca, de asemenea, un rol în biologie ca material structural prin intermediul pneumaticii. Actuatoarele hidraulice (dacă puteți vorbi despre astfel de lucruri biologice) sunt bine cunoscute și nu trebuie să dau exemple speciale. Sau poate doar un singur lucru, nu ceea ce cititorul ar putea avea în vedere: păianjenii își întind picioarele folosind presiune hidraulică. În timp ce mușchii pot contracta picioarele, mișcarea opusă este creată de presiunea asupra unui fluid din picioarele păianjenului.

Dar și pneumatica poate realiza ceva. Pentru gâtul lung al unui Diplodoc de ex. Economiile de greutate erau foarte importante (gâtul putea avea o lungime de până la 15 metri). Modele artificiale ale vertebrelor din gât au fost construite în laborator cu tuburi de aer și s-a demonstrat că nu numai tendoanele se pot mișca și menține gâtul în poziție verticală, dar că și aerul comprimat poate ajuta la ieșirea din sacii de aer. Densitatea gâtului Diplodocus ar putea fi redusă de sacii de aer la sub 500g pe litru. Dinozaurii pur și simplu nu se puteau scufunda în apă.

Aerul din cavități joacă un rol major nu numai în biologie, ci și în tehnologie. După cum arată exemplul dinozaurilor, elementele pneumatice pot îndeplini sarcini structurale. În tehnologia de automatizare de ex. actuatoarele de aer comprimat sunt folosite de mult timp. Pernele de ridicare care funcționează cu aer comprimat dezvoltă, de asemenea, forțe mari. Un stadion de baseball din Tokyo a fost complet acoperit cu un plic din elemente de aer comprimat. În multe orașe există săli de tenis care constau doar dintr-un cort cu aer comprimat. Aerul este cu adevărat un „material de construcție” excelent și subestimat de nenumărate ori.

Și chiar dacă cercetarea dinozaurilor atinsă aici lasă mai multe întrebări fără răspuns decât poate răspunde cu privire la evoluția buzunarelor de aer, se poate face din nou referire la Melville, care a remarcat în capitolul cetologie din „Moby Dick”: Proiectele mici se încheie rapid; dar finalizarea unor proiecte cu adevărat extraordinare, precum cea a Catedralei din Köln, poate fi lăsată în siguranță generațiilor viitoare.

Mai multe fosile și tehnici mai bune de măsurare vor oferi, în timp, răspunsuri la toate întrebările ridicate aici.