Od lipca 2008 roku, kiedy to podano do publicznej wiadomości informacje o spektakularnym odkryciu zachowanych szczątków kręgowców w Lipiu Śląskim koło Lisowic, nie ustają nowe doniesienia o kolejnych ważnych odkryciach związanych z kopalnymi kręgowcami w polskim triasie. Badanie tych kopalnych biocenoz kręgowców jest również naukowym celem uniwersyteckiego projektu DinoSilesia. Co tak naprawdę można uzyskać, analizując skamieniałe tkanki kostne? Jakim problemom musi sprostać badacz kopalnych kręgowców?
Nie licząc bardzo sporadycznych przypadków spektakularnego zachowania tkanek miękkich ciała, kości są jedynym materiałem, którym dysponuje paleontologia kręgowców czy archeologia. Dlatego w tych dziedzinach pozyskiwanie danych wyłącznie na podstawie szczątków kostnych opracowane musi być niemal do perfekcji. Badanie skamieniałych szkieletów jest rzecz jasna domeną paleontologii, jednakże coraz częściej staje się gałęzią interdyscyplinarną, korzystającą z wielu dziedzin nauki. W nowoczesnej metodologii badawczej wykorzystywana jest tutaj wiedza z zakresu nauk geologicznych, takich jak mineralogia czy geochemia oraz całego szeregu nauk biologicznych, włącznie z weterynarią.
 

Każda skamieniałość jest unikatowa

Proces powstawania skamieniałości (fosylizacji) bywa niekiedy bardzo selektywny, dlatego dla paleontologa każda skamieniałość jest unikatowa. Kości nie zawsze zachowują się w materiale kopalnym. W szczególności istotne jest środowisko, w jakim truchło dostało się do osadu. Większość lądu pokrywa warstwa gleby zawierająca kwasy humusowe, których odczyn może spowodować zupełne rozpuszczenie fosforanowej kości. W środowiskach leśnych zawierających dużo humusu w glebie, kości się nie zachowają. Na lądzie znajdujemy je głównie w środowiskach jaskiniowych lub szczelinach krasowych, w których istnieje migracja jonów alkaicznych, skutecznie buforujących działanie kwasów humusowych i stabilizujących fosforany. Ponadto truchło często bywa rozwleczone przez żerujące na nim inne zwierzęta. W środowiskach morskich nie jest dużo lepiej – mimo, że większość z nich ma korzystny dla zachowania kości odczyn alkaiczny, to także nie brak organizmów żerujących na martwych szczątkach. W grę wchodzą także efekty falowania i sztormy, które mogą rozwlec kości na duże odległości od miejsca pierwotnego pogrzebania szczątków.

Skarbnica informacji

Skamieniałe szczątki szkieletowe są skarbnicą informacji. Opracowując je, wyłania się niekiedy bardzo rzetelny i wszechstronny obraz badanego zwierzęcia – od jego ogólnej anatomii, poprzez morfologię funkcjonalną, szczegółową biomechanikę, ontogenezę (analizę rozwoju osobniczego), aż po pewne implikacje fizjologiczne. Ciekawym aspektem badawczym jest także analizowanie śladów drapieżnictwa na kościach prehistorycznych zwierząt, a także analiza pod kątem występowania schorzeń (paleopatologia). Bywało, że kości kopalnych zwierząt nosiły ślady infekcji – aktynomikozy, a także nowotworów – kostniaków i mięśniaków.
Pamiętajmy, że każda kość cechuje się własną, charakterystyczną budową. Kości kończyn mają na swojej powierzchni różne elementy, którym przypisane jest pełnienie określonej funkcji. Są to powierzchnie połączeń z innymi kośćmi, miejsca przyczepu mięśni, ścięgien, czy ślady po naczyniach krwionośnych. Obserwując zatem już zewnętrzną morfologię kości, można dowodzić pewnych faktów o trybie życia zwierzęcia – czy pływało, czy poruszało się na lądzie; jeśli tak, to czy było dwunożne czy czteronożne. Oczywiście prócz analizy trybu życia, morfologia kości pozwala na ocenę pewnych pokrewieństw pomiędzy danymi grupami zwierząt. Współcześnie w takich analizach coraz częściej wykorzystuje się metody filogenetyczne, bazujące na znajomości cech prymitywnych i pochodnych organizmów, co umożliwia określenie ich pokrewieństwa rodowego.
Interesujących danych o biologii zwierzęcia dostarcza również analiza mikrostruktury kości. Na podstawie takich obserwacji histologicznych, wykonywanych pod mikroskopem w świetle przechodzącym, można wyciągnąć wnioski na temat fizjologii wymarłego zwierzęcia. Uzyskane tą drogą obrazy budowy tkankowej porównuje się z danymi mikrostruktury tkanki kostnej współczesnych kręgowców, o znanej nam fizjologii. Dobrym przykładem jest analiza mikrostruktury kości słynnego szkieletu tyranozaura Sue, odnalezionego w 1990 roku w Dakocie Południowej. Analizując szlif wykonany z kości piszczelowej, znaleziono charakterystyczny rodzaj tkanki kostnej zwany medullary bone. Identyczna tkanka otacza jamę szpikową kości współczesnych samic ptaków, takich jak strusie. Wykorzystują one tę tkankę jako rezerwuar jonów wapnia w czasie składania jaj (jony służą do produkcji skorupy jaja). Stąd wiadomo, że Sue istotnie nie tylko była samicą dinozaura, ale nawet ciężarną samicą.
Z niektórych skamieniałych kości udało się wyekstrahować białka. Tkanki miękkie głównie znajdywane są w młodszych kościach, wieku najwyżej dziesiątków tysięcy lat, jednakże ostatnimi czasy opisano włókna kolagenowe z kości dinozaurów wieku kredowego. W specyficznych warunkach zachowania szczątków, w kościach można natrafić na pewne chemiczne substancje, takie jak pozostałości materii organicznej, na przykład produkty degradacji biopolimerów budujących tkanki miękkie. Takie dane chemiczne pozwalają zrozumieć zmiany, jakim podlegała kość w trakcie przeobrażenia w skałę. Pomimo dziesiątków lat badań, proces ten wydaje się nie do końca poznany, a jego zrozumienie przyczyni się do pozyskiwania większej ilości danych o wymarłych organizmach.
O ile pewne wskaźniki chemiczne mogą pozwolić w przyszłości na określenie biologicznych pokrewieństw pomiędzy organizmami kopalnymi, to możliwość znalezienia DNA w skamieniałych kościach jest nadal domeną science fiction. DNA szybko ulega degradacji i może być znalezione wyłącznie w subfosylnych szczątkach, nie starszych niż sto tysięcy lat. DNA mitochondrialne ma większą szansę zachować się w materiale kopalnym niż DNA jądrowe, ze względu na znaczną liczbę kopii mtDNA w komórce. Do niedawna jedyne znane sekwencje kopalnego DNA stanowiły wyłącznie sekwencje mitochondrialne. Ponadto, samo DNA obumarłego organizmu często ulega kontaminacji (zanieczyszczeniu) przez obce DNA, np. grzybów lub bakterii, które rozwijają się na truchle. Ekstrakcja DNA ze szczątków kopalnych musi być prowadzona w ściśle sterylnych warunkach, gdyż bywało, że zostało ono zanieczyszczone przez… śniadanie laboranta, przeprowadzającego badanie.
Wielu informacji o środowisku życia organizmu dostarcza analiza izotopów stabilnych różnych pierwiastków występujących akcesorycznie w mineralnej materii tkanki kostnej. Zapisane w izotopach dane mogą dotyczyć zarówno metabolizmu i diety badanego zwierzęcia, jak i informacji o pośmiertnych losach pogrzebanego w osadzie truchła. Pomiar stosunków stabilnych izotopów strontu 87Sr/86Sr pozyskanego z zębów kręgowców morskich (zwłaszcza rekinów) jest perspektywiczną metodą datowania, podobnie jak pomiar niestabilnego izotopu węgla 14C w przypadku znalezisk archeologicznych. Szczegółowe analizy zawartości pierwiastków ziem rzadkich (REE) w kościach pomagają ocenić na przykład, czy spoczywająca w osadzie kość stanowi autonomiczne środowisko, niezależne od środowiskowych fluktuacji otoczenia. Jeżeli jest tak w istocie, to w niektórych przypadkach zachowane tkanki kostne będą tylko częściowo zmienione przez późniejsze procesy geologiczne. Zrozumienie tego pomoże naukowcom jeszcze dokładniej rekonstruować wymarłe zwierzęta i ich ekosystemy.

Rekonstruowanie kopalnych kręgowców

W nowoczesnej paleontologii coraz częściej stosuje się digitalizację okazów celem otrzymania cyfrowego modelu, stosowanego w późniejszych etapach rekonstrukcji. Do dokładnego obrazowania różnych struktur wykorzystuje się aparaturę powszechnie stosowaną w diagnostyce medycznej. Mowa tutaj o tomografii komputerowej, która od wielu lat, głównie w Stanach Zjednoczonych, jest wykorzystywana w badaniach paleontologicznych. Stosuje się ją zwłaszcza do uwidocznienia wewnętrznej budowy czaszek – służy do oceny obszaru puszki mózgowej, rozwoju poszczególnych obszarów mózgu, czy też czaszkowych struktur odpowiedzialnych za generowanie dźwięku. Silne promienie rentgenowskie wykorzystuje się także w celu obejrzenia danej skamieniałości bez konieczności preparowania jej z otaczającej skały. Jest to o tyle wygodne, że część najlepiej zachowanych okazów stanowi cenne obiekty muzealne, tak jak słynny Archeopteryx w Muzeum Historii Naturalnej w Berlinie. Niektóre z tych znalezisk są także na tyle kruche, że wszelkie działania związane z preparacją mogą być bardzo ryzykowne i spowodować zniszczenie cennego okazu. Osiągnięcie pozytywnych rezultatów w stosowaniu rentgenowskich metod obrazowania nie jest jednak proste. Promienie X mają czasem za słabą energię, aby prześwietlać lite bloki skalne o dużej twardości. Powodzenie takiej metody jest zależne od gęstości skanowanego obiektu, a także różnicy gęstości pomiędzy skamieniałością, a tłem skalnym. Prześwietlenie wapiennego bloku przy pomocy standardowego ośmiorzędowego tomografu komputerowego nie jest możliwe, o czym osobiście przekonaliśmy się próbując zeskanować tkwiący w skale kręg.
Do skanowania trójwymiarowego wypreparowanych okazów z zewnątrz stosuje się skanery laserowe. Przykładowo, zeskanowany w ten sposób zespół kręgów można poddać obróbce komputerowej i modelować zakres możliwych ruchów kręgosłupa, co niekiedy daje obraz o biomechanice i sposobie lokomocji całego zwierzęcia. Uzyskiwane cyfrowe obrazy stanowią doskonałą bazę danych biometrycznych.

Badania kręgowców kopalnych na Uniwersytecie Śląskim

Interesujące są wstępne wyniki dotyczące opracowania zespołu triasowych kręgowców, którymi od kilku lat zajmuje się Uniwersytet Śląski. Przykładem mogą być środkowotriasowe gady morskie i ziemno-wodne (ichtiozaury, notozaury, tanystrofeidy), którymi zajmuję się w ramach pracy magisterskiej. Wiadomo, że cechowały się one dużą różnorodnością – nie tylko występowało wiele gatunków, ale także osobniki tego samego gatunku różniły się od siebie. Potwierdza to m.in. znalezienie kilku morfotypów szczęk lub kości ramiennych. Wielkość kości wskazuje, że były to duże, niekiedy nawet bardzo duże jak na te czasy osobniki. Wyekstrapolowana orientacyjna wielkość największego osobnika wynosiła ponad trzy metry. Analizy osteohistologiczne (szlify cienkie z kości długich) wskazują, że gady te rosły dość szybko i były dobrze odżywione. Fakt, że na tak dużej liczbie przebadanych kości nie stwierdzono śladów drapieżnictwa każe przypuszczać, że nie miały wielu naturalnych wrogów. Najpewniej te największe z nich stanowiły ostatnie ogniwo łańcucha pokarmowego. Najbardziej dotkliwym problemem jest jednak fakt, że znajdywane w śląskich kamieniołomach okazy, to głównie pojedyncze kości, często o złym stanie zachowania. Idealnie byłoby znaleźć bardziej kompletne szczątki, które pozwoliłyby na szczegółowe badania i dokładną rekonstrukcję. Stąd także akcja pt. „Rekonstruujemy szkielet śląskiego notozaura”, której patronuje nasze wydziałowe muzeum, a także uniwersytecki projekt DinoSilesia.
Wymaga podkreślenia fakt, że szczątki gadów morskich ze Śląska należą do najstarszych na świecie wystąpień tych środkowotriasowych kręgowców. Wiąże się to z położeniem terenu Śląska w środkowym triasie na drodze migracji faunistycznych, które zachodziły pomiędzy oceanem Tetyda, a epikontynentalnym morzem, zwanym basenem europejskim. Warto także zaznaczyć, że Wydział Nauk o Ziemi zorganizował w lipcu 2009 roku wykopaliska paleontologiczne w Zawierciu – Marciszowie, gdzie natrafiono na zespół lądowych kręgowców z późnego triasu, zbliżony do okazu z Lisowic. Materiał paleontologiczny pochodzący z tego stanowiska także jest w trakcie opracowania naukowego, realizowanego na naszym Wydziale, a czeka na opublikowanie artykuł o śladach zachowanych na kości dicynodonta drapieżnictwa.

Więcej o programie DinoSilesia:
www.dinosilesia.us.edu.pl
Akcja „Rekonstruujemy szkielet śląskiego notozaura” na stronach Muzeum Wydziału Nauk o Ziemi: www.muzeum.wnoz.us.edu.pl