– Kiedy mgr Rafał Lach, doktorant z Katedry Paleontologii i Stratygrafii (WNoZ), znalazł w Niecce Miechowskiej okazy szkarłupni kopalnych posiadające niezwykle ciekawe struktury, nie wiedzieliśmy jeszcze, jak ważne okażą się one w naszych dalszych badaniach. Interpretowaliśmy je na początku jako mało ciekawe guzki czy wyrostki. Dopiero później okazało się, że mamy do czynienia ze strukturami ocznymi! – mówi członek zespołu badawczego dr hab. Mariusz Salamon, który przybliży znaczenie dokonanego odkrycia. To właśnie owe struktury zostały opisane w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Nature Communications”.

Dr hab. Mariusz Salamon z Katedry Paleontologii i Stratygrafii (WNoZ UŚ)

Podwodny dramat

W morskich głębinach cały czas rozgrywany jest spektakl pełen aktów przemocy, podczas którego wszyscy nieustająco szukają pożywienia, by przetrwać. Ten, który szuka, sam może stać się pożywieniem dla innych, dlatego dynamiczność wspomnianych relacji ukrywa się w ciągłej zmienności funkcji: albo pożerasz, albo zostajesz pożarty. Codzienna batalia trwa od milionów lat, lecz nadal fascynuje dzięki zdolnościom organizmów do zmian form i kształtów, ich przystosowaniu do znanych i nowych zagrożeń oraz subtelnym udoskonalaniu istniejących już mechanizmów obronnych. Wyobraźmy sobie zatem ogromne akwarium, imitujące naturalne środowisko organizmów morskich, i przyjrzyjmy się zachowaniom szkarłupni, bezkręgowych zwierząt, takich jak liliowce, jeżowce czy wężowidła, którymi pasjonują się naukowcy skupieni wokół dr. hab. Mariusza Salamona. Zwierzęta te znajdują się na szczycie drabiny ewolucyjnej wszystkich bezkręgowców. Są organizmami prymitywnymi, aczkolwiek posiadają złożony układ wodny pełniący funkcje pokarmowe, wydalnicze i lokomotoryczne.

Prowadzone dotychczas badania koncentrowały się przede wszystkim na materiałach kopalnych, pochodzących sprzed kilkuset milionów lat, ale niezwykle cenne okazało się porównanie otrzymanych wyników z interakcjami obserwowanymi na przykładzie dzisiejszych szkarłupni. – Miałem okazję obserwować te zwierzęta w ich naturalnym środowisku. Proszę sobie wyobrazić liliowca, do którego podpływa jeżowiec i zasysa, niczym kluskę spaghetti, jedno z jego ramion, następnie częściowo je wydalając. Dodam tylko, że takie wydzieliny również są przez nas badane. Na ciele liliowca pozostaje ślad zębów latarni Arystotelesa, czyli narządu gębowego jeżowca. Okazało się jednak, że ofiara nie odczuła znacznie stresu związanego z utratą części ciała, dalej spokojnie filtrowała wodę, a ramię w krótkim czasie... odrosło – opowiada naukowiec. Badane zwierzęta charakteryzują się wysokim stopniem regeneracji uszkodzonych fragmentów ciała. Odrasta jednak nie tylko spałaszowana przez drapieżnika łodyga czy pożarte ramię, lecz również częściowej regeneracji ulega pokiereszowany kielich. Wiele cennych informacji zapisanych jest w materiale kopalnym.

– Dochodzi do przedziwnych sytuacji! Otóż w jednym z artykułów mgr Rafał Lach z naszego zespołu udowodnił, że również sama łodyga, a więc element podtrzymujący ciało zwierzęcia, potrafi „żyć” samodzielnie! – dodaje dr hab. Salamon.

Doktorant zaobserwował pod mikroskopem strefy przyrostowe owego liliowca już po odrzuceniu kielicha. Z obserwacji jasno wynikało, że organizm nie obumarł, bo rósł. – To akurat było dosyć duże zwierzę, liliowiec na stałe przymocowany do podłoża. Mimo tego nie poddawał się łatwo drapieżnikom. Jego wysokość mogła osiągać około 3 m wysokości, przy grubości łodygi o średnicy nawet kilku centymetrów. Trudno sobie zatem wyobrazić, aby główny winowajca odpowiedzialny za sianie spustoszenia wśród liliowców, czyli jeżowiec, skądinąd również należący do szkarłupni, mógł wyrządzić takiej masywnej formie jakąkolwiek krzywdę – wyjaśnia paleontolog. Zdolność do regeneracji uszkodzonego organizmu to nie jedyny mechanizm decydujący o przewadze w relacji drapieżnik – ofiara. Dr hab. Salamon wymienia także szereg zmian, jakie zaszły w tych organizmach na przestrzeni wieków. Okazuje się, że w tym czasie, czyli około 79–80 mln lat temu, żyło już wiele liliowców, które mogły prowadzić swobodny tryb życia. Dziś większość z nich całkowicie odrzuca łodygę w stadium młodocianym, aby móc sprawnie przemieszczać się po dnie morskim.

W 2010 i 2012 roku naukowcy opublikowali w „Proceedings of the National Academy of Sciences” artykuł, z którego wynika, że to właśnie jeżowce zapoczątkowały tę morfologiczną i ekologiczną przemianę wśród liliowców. – W poprzednim artykule sugerowaliśmy, że nie tylko „oderwanie” od podłoża, lecz również schodzenie na bardzo duże głębokości czy wykształcanie kolców w okolicach kielicha, służących ochronie tego, co najważniejsze, to tylko niektóre z wykształcających się mechanizmów obronnych. Ponadto dzisiaj liliowce są niezwykle kolorowe. To sygnał dla drapieżnika: Uważaj! Jestem toksyczny! Nie zbliżaj się! – mówi naukowiec.

Zaskakujące guzki

Fragmenty współczesnego liliowca

W materiale kopalnym udało się nie tylko znaleźć ślady ugryzień jeżowców, pozostawione na szkieletach liliowców, lecz również zaobserwowane zostały niezwykłe guzki na szkieletach rozgwiazd i wężowideł. – Pan mgr Lach, który prowadzi badania do swojego doktoratu w Niecce Miechowskiej, w obrębie osadów kredowych, znalazł tego typu izolowane szczątki mające 79-80 mln lat, na których obserwowaliśmy dziwne guzki – opowiada dr hab. Salamon. – Po paru latach wróciliśmy do tego intrygującego odkrycia, nawiązując współpracę z innymi specjalistami fascynującymi się tym typem zwierząt.

Oprócz dr. hab. Mariusza Salomona oraz mgra Rafała Lacha w zespole badawczym pracuje dr Przemysław Gorzelak z Instytutu Paleobiologii PAN z Warszawy, który zarówno w pracy magisterskiej, jak również doktorskiej, zajmował się mikrostrukturą szkieletu szkarłupni. W badania zaangażował się również mgr Michał Loba, doktorant profesor Urszuli Radwańskiej z Uniwersytetu Warszawskiego. Czwarty członek zespołu to dr Bruno Ferrè z Sotteville-lès-Rouen (Francja), który swój doktorat także poświęcił szkarłupniom. – Zależało nam na tym, by zespół składał się z najlepszych światowych „szkarłupniarzy”, a więc ludzi pasjonujących się tym typem bezkręgowców – dodaje kierownik projektu.

Kiedy naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego zaobserwowali interesujące wypustki na materiale kopalnym, zwrócili się z prośbą o pomoc do dr. Gorzelaka, który wykonał szereg analiz, w tym zdjęcia pod mikroskopem skaningowym. Tropem do rozwiązania zagadki okazała się praca Joanny Aizenberg z Instytutu Weismana z Izraela. Jej badania koncentrowały się wokół analizy struktur tzw. oczu złożonych współczesnych szkarłupni. Ich struktury mają charakter unikatowy. Otrzymane przez dr. Gorzelaka dane zostały porównane z tymi pochodzącymi z materiału współczesnego i wówczas wszystko stało się jasne – tajemnicze guzki zlokalizowane na materiale kopalnym to struktury oczne. Jest to najstarszy przykład tego prymitywnego narządu wzroku zaobserwowany u szkarłupni, który nie występował we wcześniejszych jurajskich szczątkach.

Szczątki szkarłupni (liliowców, rozgwiazd i wężowideł) jurajskich. Średnica naczynia wynosi 5 cm

Kolejnym krokiem było połączenie dokonanego odkrycia z tak zwaną mezozoiczną rewolucją morską, podczas której pojawiło się szereg nowych drapieżników zagrażających szkarłupniom. Była to prawdopodobnie najważniejsza przyczyna wykształcenia się struktur ocznych u szkarłupni, które nie widziały wprawdzie dokładnego kształtu, ale wystarczyło, że dostrzegły nad sobą cień jakiegoś innego zwierzęcia i to był dla nich sygnał ostrzegawczy: Uwaga! Zbliża się niebezpieczeństwo! – Płytki kalcytowe tworzące owe struktury oczne są niezwykle wytrzymałe i mają nadzwyczajne właściwości optyczne. Są już prowadzone badania, pozwalające otrzymać tego typu płytki w warunkach laboratoryjnych. Stały się one inspiracją dla bioników, a więc naukowców, którzy czerpią informacje ze środowiska naturalnego, by je następnie zaadaptować dla potrzeb naszego codziennego życia. Elementy zaczerpnięte z budowy ciała wielu organizmów, w tym również ze szkarłupni, już są na świecie wykorzystywane – tłumaczy paleontolog. Chodzi nie tylko o architekturę (przykładem jest chociażby niezwykle wytrzymała i zarazem giętka konstrukcja pałąkowata inspirowana budową kolca jeżowca), lecz i medycynę. Elementem bionicznym jest na przykład implant ślimakowy, który pozwala głuchoniemym słyszeć. – Nie chciałbym za bardzo wybiegać w przyszłość, ale odkrycia Joanny Aizenberg i naszego zespołu mogą w przyszłości przyczynić się do skonstruowania sztucznego oka kalcytowego, którym mogłoby być pokryte... całe ciało. Na razie trudno to sobie wyobrazić, ale pierwszy krok został już wykonany – mówi kierownik projektu.

Teraźniejszość jest kluczem do poznania przeszłości

Ogromną zasługą dr. hab. Salomona i jego współpracowników było dowiedzenie tego, że tzw. oczy złożone u szkarłupni pojawiły się już w okresie kredy i najprawdopodobniej powiązane jest to z mezozoiczną rewolucją morską. Naukowcy rozpoczęli już badania porównawcze nad innymi interakcjami drapieżnik – ofiara. – Mogę zdradzić, że próbujemy uzyskać zgodę na budowę akwarium morskiego w piwnicach Wydziału Nauk o Ziemi w Sosnowcu. Chcielibyśmy obserwować relacje drapieżnik – ofiara na przykładzie organizmów, którymi się zajmujemy. Ogromną zaletą takiego przedsięwzięcia będzie nasza niezależność od badań prowadzonych w innych częściach świata. Materiał kopalny mamy, brakuje jeszcze obserwacji organizmów współczesnych, żeby lepiej zrozumieć przeszłość – wyjaśnia paleontolog. W planach znalazło się utworzenie kilku zbiorników, z których największy miałby 1000 litrów pojemności. Dzięki temu możliwa będzie kontynuacja badań oraz otworzy się tym samym droga do kolejnych ciekawych odkryć. – Publikacja w „Nature Communications” to był oczywiście wielki sukces. Pierwsze lody zostały przełamane, gdy nasz wcześniejszy artykuł związany z aspektami eksperymentalnymi ukazał się we wspomnianym „PNAS”. Projekt okazał się rozwojowy, recenzenci byli pod wielkim wrażeniem naszego odkrycia. Złapaliśmy wiatr w żagle i zaczynamy już myśleć o kolejnych wyzwaniach! – zapowiada dr hab. Salamon.