Paleontologia, czyli co o życiu mówią nam skały

ŁUKASZ LAMŻA: Czym właściwie ­paleobiolog różni się od paleontologa?

JERZY DZIK: Zadaniem paleobiologa jest „wyciśnięcie z kamienia” informacji o tym, jak wyglądało i żyło to zwierzę czy roślina, która się w kamieniu znalazła. Ale nie wszystkich to zajmuje. Klasyczna paleontologia ogranicza się do kontekstu geologicznego – w jaki sposób osad się formował i jak określić jego wiek na podstawie skamieniałości – albo tafonomicznego – w jaki ­sposób w osadzie przekształconym w skałę z kości i tkanek miękkich powstała skamieniałość. Jednak dla mnie paleobiologia to w zasadzie synonim paleontologii.

A co Pana w niej najbardziej pociąga?

To, co się odnosi do przebiegu ewolucji na poziomie zmian populacyjnych. Chcę wiedzieć, jak naprawdę przebiegała ewolucja. Nie: co ludzie o tym sądzą – tylko jak było naprawdę i jak zostało utrwalone w zapisie kopalnym. Zajmowałem się różnymi grupami organizmów kopalnych, ale za każdym razem z nadzieją, że dadzą mi dostęp do rzeczywistego obrazu ewolucji.

Mamy błędne wyobrażenie o ­przebiegu ewolucji?

Wielu badaczy chce przede wszystkim opisywać nowe gatunki. To się wiąże z klasyfikacyjnym podejściem do świata. Nasz umysł lubi klasyfikację, natomiast nie lubi ciągłości. Ewolucja tymczasem jest ciągła, jej kolejne stadia płynnie przechodzą w siebie. Nasze przyzwyczajenia są więc wystawiane na ciężką próbę.

Jest jeszcze drugi powód: nieprzewidywalność ewolucji. Na podstawie wiedzy o jakichś skamieniałościach nie mogę powiedzieć, co się później stanie w toku ewolucji z grupą organizmów, którą te skamieniałości reprezentują.

Może urosną, może zmaleją. Może się im pojawią dodatkowe nogi, a może jednak nogi zanikną.

Można szukać ogólnych trendów. Na przykład wydaje się, że wraz z upływem czasu geologicznego ewolucja wprowadza do świata żywego porządek.

Porządek? Spodziewałem się odpowiedzi, że wprowadza złożoność.

Zwykle staramy się odtworzyć wspólnego przodka pokrewnych organizmów poprzez wskazanie cech wspólnych dla tych jego potomków. Ale to oznacza, że inne cechy, które nasz przodek miał, niejako znikają – nieuchronnie nasz przodek hipotetyczny staje się anatomicznie prosty. Ale to jest fałszywy punkt widzenia, ponieważ do dzisiaj przetrwały tylko niektóre cechy po przodkach. Jak tak naprawdę nasz przodek wyglądał, dowiemy się tylko z zapisu kopalnego.

Nie ma czegoś takiego jak mityczne „zwierzę prymitywne”?

Gdy przeglądam dane paleontologiczne, to nie widzę, by najdawniejsze organizmy były proste. Jedne z pierwszych dobrze zachowanych zwierząt należą do tzw. fauny ediakarskiej. To termin odnoszący się do odciśniętych w skale śladów zwierząt pozbawionych mineralnego szkieletu sprzed ponad 550 milionów lat, zatem sprzed okresu kambryjskiego. Choć rzeczywiście pradawne, zwierzęta ediakarskie wcale nie były małe. Największe sięgały około metra długości. Nie były mniej skomplikowane niż dzisiejsze organizmy.

NA ILUSTRACJI:

REKONSTRUKCJA CZASZKI PALEORHINUSA ARENACEUSA wykonana przez prof. Jerzego Dzika na podstawie skamieniałości z Krasiejowa pod Opolem. Paleorhinus należy do fitozaurów – drapieżnych gadów morskich, które budową ciała i stylem życia przypominały krokodyle.

W byłej cegielni w Krasiejowie zespół prof. Dzika znalazł kilka osobników należących do tego gatunku, z których największe mogły osiągać ok. 3,5 metra. Żyły ok. 280 mln lat temu.

Czyli współczesne nam życie nie musi być bardziej złożone od tego sprzed milionów lat?

Powinniśmy spróbować to zrozumieć od strony funkcjonalnej: jak te organizmy działały. Należałoby zacząć od ich początku. Nie potrafimy wyobrazić sobie życia sprzed miliardów lat, jeszcze sprzed powstania zwierząt, roślin czy innych istot wielokomórkowych: prawdopodobnie były to jakoś uporządkowane agregaty cząsteczek kwasów nukleinowych samopowielających się na podłożu mineralnym. Nie wiemy, jaki był metabolizm tych organizmów. Może on był już wtedy całkiem złożony?

Złożoność może też przejawiać się w nieoczywisty sposób na poziomie ekosystemów. Gdy poznaliśmy lepiej zwierzęta kambryjskie bez szkieletów mineralnych, takie jak z łupku Burgess na terenie Kanady czy z Chengjiang w chińskiej prowincji Yunnan, żyjące ponad 500 mln lat temu, okazało się, że wtedy bardzo zróżnicowane były robaki obłe, żebropławy oraz przodkowie dzisiejszych mikroskopijnych niesporczaków. To były dziesiątki współwystępujących gatunków w jednym miejscu, w jednym stanowisku kopalnym, co znaczy, że na całym ówczesnym świecie były ich tysiące. W zapisie kopalnym kambru jest mnóstwo opatrzonych wapiennym szkieletem trylobitów – co lepiej odpowiada naszym wyobrażeniom o tym, jak powinien wyglądać świat kambryjski. Ale decymetrowych rozmiarów praniesporczaki?

Więc na czym miałoby polegać rosnące uporządkowanie świata?

I to jest właśnie najtrudniejsze pytanie: do czego się odnosi ta prostota lub komplikacja w przypadku organizmów żywych? Nie może się odnosić do potocznie rozumianej złożoności organizmów, bo zarówno organizmy złożone, jak i proste muszą doskonale funkcjonować, skoro nie wymarły. Najprostsze robaki radzą sobie w środowisku naturalnym równie dobrze jak słonie.

Na czym więc polega postęp w biologii? Moim zdaniem polega on na tym, co jest funkcjonalnie istotne w obiekcie żywym, a to można rozpoznać tylko łącząc organizm ze środowiskiem. A więc powinniśmy patrzeć nie tyle na złożoność anatomiczną czy fizjologiczną, lecz na efektywność działania układu organizm-środowisko.

Próbuję sobie wyobrazić, co widzą fizyk albo chemik, którzy patrzą na biosferę. Przypuszczam, że nie interesowałoby ich to, ile różnych kończyn albo tkanek mają stworzenia. Skupiliby się raczej na takich rzeczach jak ciepło, metabolizm, produkowane związki chemiczne, przetwarzanie pokarmu.

Można postawić pytanie, czy w toku ewolucji wzrasta efektywność wykorzystania materii i energii środowiska? Ja wierzę, że wzrasta. Są jednak badacze, którzy twierdzą, że właściwie od czasu kambryjskiego nic pod tym względem się nie zmieniło.

Tylko jak zmierzyć efektywność funkcjonowania życia?

Nie ma sposobu, żeby to ocenić. Tego nikt nie potrafi zmierzyć. Co gorsza, mało kto próbuje w ogóle do tego dotrzeć. W dzisiejszej paleontologii czy biologii systematycznej nie ma zainteresowania tego typu pytaniami o głęboki sens funkcjonowania świata ożywionego. Dominuje podejście klasyfikacyjne: mamy świat poklasyfikować, poprzydzielać różne gałęzie drzewa rodowego do ­siebie, żeby z tego coś się uformowało. Natomiast jakie jest tego znaczenie funkcjonalne? To już mało kogo obchodzi.

Spróbujmy cofnąć się do początku. Co wiemy o najstarszych śladach życia?

W miarę bezpieczny grunt do rozważań sięga okresu kambryjskiego, około 550 mln lat temu. Jego początek geolodzy wyznaczyli na moment pojawienia się nor zwierząt morskich zdolnych do drążenia stosunkowo zwięzłego mułu. Dno pokryte było dotąd matami sinicowymi, czyli śluzowatą powłoką różnych gatunków bakterii. Maty te trudno było spenetrować, ponieważ pod spodem był toksyczny siarkowodór. Zwierzęta przebijające maty mikrobialne drążyły horyzontalne korytarze, ale odżywiały się na powierzchni. Ich ryjki służyły do zbierania pokarmu z maty.

Znacznie później potomkowie tych stworzeń zaczęli wykorzystywać substancję organiczną z wnętrza osadu (niczym dzisiejsze dżdżownice). Pytanie, po co na początku wydawały tyle energii, żeby drążyć kanał, skoro to nie służyło do pozyskiwania energii? Pożywienie było przecież na powierzchni osadu. Jest jedna sensowna odpowiedź.

Chowały się przed czymś.

Przed drapieżnikami. W tym samym czasie pojawiły się pierwsze organizmy ze szkieletami mineralnymi. Nazwałem to kiedyś „syndromem Verdun”: albo do okopów, albo do tanków. Stąd równoczesny rozwój rycia w osadzie i twardych pancerzy. To był czynnik, który spowodował rewolucję, ponieważ przy okazji doprowadziło to do zniszczenia mat sinicowych i natlenienia mułu na coraz większej głębokości.

Pomówmy może jeszcze chwilę o tym życiu ediakarskim: to pierwsza „duża” fauna, którą umiemy nieźle zrekonstruować.

Wspomniana wcześniej fauna ediakarska pojawiła się być może już 600 mln lat temu, a rozkwitła przed około 560 mln lat. Najsławniejsze znaleziska pochodzą z miejscowości Ediacara na południu Australii. Głównym składnikiem tej fauny były zwierzęta przypominające dzisiejsze pióra morskie zakotwiczone dyskowatymi przylgami w macie sinicowej. W odróżnieniu od prawdziwych piór morskich – czyli kolonijnych koralowców – ich ciało było gładkie i pozbawione jakichkolwiek otworów. Skoro nie miały gęby ani odbytu, spekuluje się, że wewnątrz miały symbiotyczne bakterie odżywiające się siarkowodorem. Prawdopodobnie zatrucie środowiska mat sinicowych było przyczyną masowej śmierci rozmaitych zwierząt ediakarskich o dwubocznej symetrii ciała, które zdychały po wykonaniu na macie serii podskoków. Zapewne do lagun z matami sinicowymi wrzucały je fale sztormowe.

Ale to wciąż tylko 600 milionów lat... A życie powstało być może nawet 4 miliardy lat temu.

To nie jest wcale takie oczywiste. Ja jestem paleontologiem i zawsze pytam: w jaki sposób miałby się zachować pradawny organizm? Abyśmy mogli natrafić na jego ślad, potrzebna jest jakaś struktura szkieletowa, która ulegnie skamienieniu. Co najmniej jakieś polimery w ścianie komórkowej. Najstarsze, bezdyskusyjne ślady uwęglonych ścian komórkowych liczą sobie jedynie dwa miliardy lat. I nie ma mocnych dowodów paleontologicznych na to, że życie istniało wcześniej.

Owszem, znamy pewne drobne, kuliste struktury takiej wielkości jak komórki bakterii. Nie ma jednak sposobu, by odróżnić kulistą strukturę pochodzenia organicznego od kulistej struktury pochodzenia nieorganicznego. Geochemicy próbują szukać śladów chemicznych, badając proporcje stabilnych izotopów, ale to wnioskowania oparte na niepewnych założeniach.

Odpowiedź na pytanie o początki życia jest więc zadaniem biologów molekularnych i geologów. To oni muszą przedstawić drogę rozumowania, która będzie przekonująca.

A może potrzebne jest naprawdę świetnie zachowane znalezisko? Jak właściwie takie znaleźć?

Pod tym względem paleontologia nie różni się od innych nauk przyrodniczych. Trzeba wiedzieć, gdzie szukać. Są ludzie, którym to łatwiej przychodzi. Ja akurat miewam szczęście. Na przykład w Woźnikach koło Częstochowy jest stanowisko kopalne eksploatowane kiedyś przez moich doktorantów. Pojechałam tam kiedyś z wizytą. Wyjąłem dwie konkrecje. Jedna się okazała czaszką gada, a druga to był świeżo wykluty z jaja pancerny gad triasowy. Potem moi koledzy prowadzili eksplorację tej samej warstwy skalnej przez kilka lat i nie znaleźli niczego więcej.

Musieli być zachwyceni.

Inny przykład: Krasiejów. Na początku XX w. istniała tam cegielnia. Geologom niemieckim można wiele zarzucić, ale na pewno nie braku pedantycznego podejścia do badań. Żaden nie znalazł tam szczątków kostnych. Mnie zaprowadził do wyrobiska kopalni kolega z Uniwersytetu Wrocławskiego, który wiedział, że tam się znajduje skamieniałe kości. Doszliśmy do ściany i wyjąłem z niej niemal kompletną czaszkę gada drapieżnego ‒ fitozaura.

Później zaś mój badający kręgowce krasiejowskie były doktorant Tomasz Sulej znalazł bodaj z pięć nowych stanowisk tego typu.

I to sławnych stanowisk!

Najwyraźniej przekazałem mu tę zdolność, przechodząc na emeryturę.

No dobrze, znaleźliśmy coś godnego uwagi. Co dalej?

Dysponujemy dziś nowoczesnymi technologiami, np. tomografią komputerową czy promieniami rentgenowskimi, które pozwalają zajrzeć do wnętrza skamieniałości bez jej niszczenia. Dzisiaj takie prześwietlenia robi się już z rozdzielczościami liczonymi w mikrometrach, a nawet nanometrach. Nie zmieniło się oczywiście to, że trzeba pojechać w teren i tę skamieniałość przywieźć.

Co jeszcze robi ze swoją skamieniałością paleontolog?

W przypadku niektórych skamieniałości trzeba rozpuścić próbkę skalną w kwasie, żeby potem po przepłukaniu powybierać je poślinionym włoskiem i porozkładać do odpowiednich plastikowych komórek. W tej chwili przygotowuję publikację w oparciu o dane dotyczące 600 tysięcy skamieniałych mikroskopijnych ząbków. Każda z tych skamieniałości musiała zostać rozpoznana i odpowiednio zaklasyfikowana do określonego rodzaju aparatu gębowego. Ale moich skamieniałości w tej akurat pracy jest tylko 80 tysięcy.

Tylko?

Kiedyś, kiedy pracowałem na materiale dewońskim, sprzed blisko 400 mln lat, miałem chyba 240 tys. okazów. Ale to wciąż było zbyt mało, żeby uzyskać rzeczywiście wiarygodny, pełen obraz przebiegu ewolucji. Udało mi się opisać tylko niektóre linie.

Jak to wygląda w praktyce? Mówimy o setkach tysięcy okazów, ale to nie będą przecież w Pana przypadku kości udowe tyranozaura, tylko pewnie jakieś mikroskopijne kosteczki z aparatu gębowego konodonta?

Tak, poniżej milimetra.

No więc rozsypujemy to na stole...

Nie, one leżą w bakelitowych pojemniczkach, które nazywamy komórkami Frankego, przykryte szkiełkiem.

Ale to już będzie po rozdzieleniu. A ja pytałem o ten moment, kiedy wytrawiliśmy to ze skały i jeszcze nie wiemy, co to za zwierzę.

A, no tak. No więc te skamieniałości trzeba najpierw podzielić na kupki według morfologii, a potem połączyć w aparaty gębowe.

Końskim włosem?

Można końskim włosem. Aparaty gębowe konodontów – wymarłych zwierząt przypominających dzisiejsze minogi – miały zwykle od pięciu do siedmiu różnych typów elementów, więc trzeba to skompletować, a potem policzyć, pstrykając palcem w liczydełko, ile tych okazów jest. Często jest tak, że w jednej próbce może być 20 gatunków, każdy z gatunków reprezentowany przez pięć, sześć, siedem typów elementów, więc to jest zajęcie na długie zimowe wieczory. Trzeba mieć sporą cierpliwość.

A każda kosteczka pochodzi z określonego miejsca. Jeżeli mamy odsłonięcie o wysokości pięciu metrów, to przecież musimy odnotować, skąd pochodzi każdy okruch, bo każdy centymetr skały to tysiące lat.

Oczywiście. Idealnie by było, gdybyśmy mieli pełen profil geologiczny, który zapewnia nam ciągłość dokumentacji. W Mójczy pod Kielcami jest wyjątkowo skondensowany stratygraficznie zapis procesów ewolucyjnych w ordowiku, obejmujący mniej więcej 25 mln lat na około ośmiu metrach odsłoniętej skały.

Dużo!

Dostatecznie dużo, żeby tam się dużo zdarzyło. Prześledziliśmy zmiany w linii konodontów, które akurat tam szczęśliwie ładnie ewoluują, ale też na przykład małżoraczków, maleńkich skorupiaków. Moja koleżanka Ewa Olempska zrobiła publikację na temat ewolucji tych małżoraczków w odniesieniu do każdego ze stadiów wylinkowych osobno. I się okazało, że nowości ewolucyjne najpierw się pojawiają na ostatnim stadium, a dopiero potem się rozprzestrzeniają na stadia coraz wcześniejsze.

Czyli nowość pojawia się u niemal dorosłego organizmu, a dopiero później on „przebudowuje” swój rozwój życiowy tak, że widać ślady tej innowacji w stadium młodocianym?

To dla biologa niemal oczywiste, ale tutaj zostało to udokumentowane.

Mam przy sobie „Dzieje życia na Ziemi” – najbardziej znaną książkę Pana Profesora.

Piąte wydanie już wydrukowane.

Rozchodzi się jak ciepłe bułeczki! W środku znajdują się setki pięknych, szczegółowych ilustracji organizmów kopalnych, wszystkie wykonane ręcznie przez Pana. Jak do tego doszło?

Decydując się na kierunek studiów, miałem trudny wybór, czy pójść w stronę artystyczną, czy przyrodniczą. Uznałem w końcu, że zdolności artystyczne są przydatne również w pracy przyrodniczej i że to jest właściwe miejsce, żeby je wykorzystać. Czuję się depozytariuszem czegoś, co mi zostało przyznane i nie mam prawa tego zmarnować.

Niestety, nie każdy paleontolog otrzymał podobny talent – i na tym cierpi nauka, gdy zerknie się do publikacji paleontologicznych. Dawniej, gdy Darwin czy Humboldt wybierali się na swoje wyprawy, zabierali ze sobą artystów. Może dzisiaj w każdym porządnym zespole badawczym też powinien być przynajmniej jeden porządny artysta?

Dostęp do artystów jest oczywiście bardzo istotny i przeciwdziała starzeniu się publikacji naukowych. Dobrze zrobiona rekonstrukcja będzie wykorzystywana przez dziesięciolecia albo nawet stulecia. Dziś są jeszcze w użyciu litografie dziewiętnastowieczne. Bardzo dobre są też ryciny z czasów Związku Radzieckiego. Korzystną stroną realizmu socjalistycznego było to, że artystów radzieckich uczono odzwierciedlania rzeczywistości, a nie tylko ekscesów zwiększających popularność.

Wadą wykorzystywania rysowników jest natomiast to, że nawet świetny rysownik nie zawsze do końca rozumie, co rysuje. Wiele dzieł, które od strony artystycznej są doskonałe, ma z punktu widzenia naukowego fundamentalne defekty.

Ideałem byłby naukowiec-artysta?

Dzisiaj to już nie jest aż tak istotne. Teraz jest ważne, żeby mieć macierz danych i wstawić ją do komputera. Z tego komputera wtedy coś wyskakuje. Nie wiemy dokładnie, co, ale jest to wystarczająco efektowne, żeby to dobrze opublikować. Dobre opublikowanie jest kluczowe, a nie to, czy to, co piszemy, jest bliskie, czy odległe od prawdy. ©℗

PROF. JERZY DZIK jest paleontologiem i ewolucjonistą, byłym wieloletnim dyrektorem Instytutu Paleobiologii PAN. Kierował badaniami m.in. na stano­wiskach w Polsce, Kazachstanie, Rosji, Namibii i Chinach. Autor podręczników akademickich i książek popularnonaukowych, takich jak „Dzieje życia na Ziemi”, „Biologia, czyli sens życia”, „Ewolucja. Twórcza moc selekcji”.