Zvětšit obrázek

Metoda stanovování izotopů uhlíku a kyslíku ve vzorcích minerálů je známa 60 let. Geochemici z Caltech: Robert Eagle (vlevo) a John Eiler s její pomocí určí poměr izotopů v dinosauřím zubu. Tím zjistí, za jaké teploty zub rostl a tělesnou teplotu dávno zaniklého stvoření. (Credit: Caltech / Lance Hayashida)

Úvod
Byli dinosauři pomalí a nemotorní, nebo rychlí a hbití? To závisí na tom, zda jejich krevní oběh byl studeno (ektotermní)a nebo teplokrevný (homoiotermní). Když byli v polovině 19. století objeveni, paleontologové se domnívali, že museli spoléhat, tak jako dnešní plazi, až je sluníčko ráno zahřeje. Jenže pravdu mají spíše umělci, kteří velociraptory nebo T. rexe ztvárnili jako hbitá a rychlá stvoření ve filmu Jurský park. Takové pojetí ale svádí k představě regulované tělesné teploty, jako mají savci.
Americko německý tým vědců pod taktovkou Roberta Eagleho z California Institute of Technology vyvinul nový způsob měření teploty těla, který by mohl záhadu dinosaurů vyřešit. Poprvé získal přímou informaci o tom, zda měli studenou nebo teplou krev. Vědci k tomu dospěli rozborem izotopů v zubech sauropodů. Tato dlouhokrká stvoření byla největšími suchozemskými živočichy, kteří kdy na Zemi žili.   Apatosaurus  (také známý jako Brontosaurus) měl zhruba stejnou tělesnou teplotu jako většina dnešních savců.  Eagle, hlavní autor publikace, která právě vychází v časopisu Science Express k tomu dodává: "Je to tak přesné, jako kdybyste před 150 miliony let drželi teploměr přímo ve zvířeti."

Zvětšit obrázek

V Eagleově studii ke stanovení tělesné teploty dinosaurů byl použit zub Camarasauruse žijícího v období svrchní jury ve formaci Morrison. (Kredit: Thomas Tütken (Bonn University)

Základy fyziky pro bioarcheologii
Většina prvků se v přírodě vyskytuje v různých formách, kterým říkáme izotopy. Jsou stabilní a nebo nestabilní. Většina chemických prvků se shoduje v počtu protonů, ale navzájem se liší v počtu neutronů obsažených v atomovém jádře. Takovéto nuklidy příslušející témuž prvku oznčujeme jako izotopické nuklidy, jednodušeji izotopy. U jednoho prvku tedy muže jít o směsici několika izotopů.
Kyslík je prvek, jehož všechny atomy mají osm protonů v jádře a osm elektronů v obalu. Nuklid kyslíku ¹⁶O neboli ¹⁶₈O má hmotnostní číslo  (počet protonů + neutronů) 16., proto má 16 – 8 = 8 neutronů. Další nuklidy, které se vyskytují v přírodě: ¹⁷₈O (devět neutronů) a 18 8O (deset neutronů). Jsou to tři různé izotopy kyslíku. Uhlík se vyskytuje běžně ve formě dvou stabilních izotopů:  ¹²₆C  izotop má 6 protonů a 6 neutronů, ten tvoří 98,9% a ¹³₆C  má  6 protonů a 7 neutronů s průměrným výskytem 1,1%.  O nestabilním izotopu  ¹⁴₆C, který se rozpadá (beta rozpad) s poločasem 5 715 let a který se používá k datování při radiokarbonové metodě nás v tomto případě nezajímá, protože o něj v těchto testech nejde. 

Zvětšit obrázek

Molekuly kalcitu si pamatují při jaké teplotě vznikaly miliony let. (Credit: Caltech)

Princip metody
Organismy produkují tzv. biogenní minerály, které se stávají součástí jejich těl. Tyto minerály se nejčastěji podílejí na složení schránek nebo vnitřních koster. Člověk a všichni savci mají ve svých kostech a zubech kalcit a apatit a měli ho i dinosauři. A právě o tyto dva minerály zde jde. Kalcit je chemicky uhličitan vápenatý CaCO₃. Fígl je v tom, že jeho molekuly mohou být z různých izotopů. Ale ani to ještě není všechno. Při měnící se teplotě rostoucího krystalu mají izotopy uhlíku a kyslíku rozdílnou tendenci se shlukovat a právě této jejich snahy se při nižší teplotě „sdružovat“ vědci využili ke stopování podmínek v jakých biominerál vznikal. Při nízké teplotě těžší atomy izotopu uhlíku 13 mají snahu se párovat s  atomem těžšího izotopu kyslíku 18 (ve stejné molekule se tak sejdou dva těžší izotopy). Při vyšší teplotě dávají tyto vzácně se vyskytující izotopy (¹³C a ¹⁸O) přednost „rozvedenému“ stavu a izotop uhlíku 13 se raději druží s běžným kyslíkem 16. A kyslík 18 zase dává před těžším uhlíkem přednost lehčímu  ¹²C.  Pokud došlo ke shlukování řídce se vyskytujících izotopů  ¹³C a ¹⁸O, je to důkaz nižší teploty. Poměr nahloučených a volných těžkých izotopů uhlíku a kyslíku tak dává obraz teplotních poměrů, jaké v tělech zvířat panovaly. Krystaly kalcitu s apatitem  mají tuhou paměť a proto zuby a kosti mohou posloužit jako teploměr. Vznik biominerálů je v podstatě děj termodynamiky a  zákon termodynamiky spolu se zákonem gravitace, jsou na čase nezávislé.  A protože oba izotopy (uhlíku i kyslíku) jsou stabilní (neradioaktivní), je jedno, zda kost narostla včera nebo před nějakou dobou,  „vzpomínky“ na dobu mládí jim neblednou a jsou stejně živé i po sto milionech let. 

Zvětšit obrázek

Principem metody měření teploty tvořícího se biominerálu je, zda při tvorbě molekul došlo ke shlukování těžších atomů izotopů kyslíku a uhlíku a nebo zda tyto řídce se vyskytující těžší atomy zůstaly rozptýleny v různých molekulách. (Kredit: R. Eagle, Caltech)

Výsledky
Výzkumníci analyzovali 11 zubů pocházejících z vykopávek v Tanzanii, Wyomingu a Oklahomy. Patřily  dinosaurům Brachiosaurus brancai a Camarasaurus. Zjistili, že Brachiosaurus  měl teplotu asi 38,2 °C. Camarasaurus  se svými 35,7 °C byl jen asi o stupeň   teplejší, než současní a zaniklí krokodýli a aligátoři. Byli ale chladnější než jsou ptáci. Co se Přesnost svých měření vědci udávají v rozmezí jednoho až dvou stupňů.
Zjištění, že teploty dinosaurů byly podobné těm jako má většina moderních savců svádí k interpretaci, že také měli teplokrevný metabolismus.  Vědci ale na to nechtějí odpovědět a tvrdí, že to je složitější. Problém je v tom, že sauropodi byli tak obrovští, že si své tělesné teplo mohli udržovat mnohem efektivněji, než menší savci jako jsme my. "Pokud jste živočich s tělem tvaru koule o velikosti místnosti, jste uvnitř studení, jen když jste mrtví," vysvětluje Eiler. Takže i když dinosauři byli "chladnokrevní" v tom smyslu, že k dodávce tepla využívali co jim nabízelo prostředí, přesto mohli mít uvnitř pěkně teploučko, až moc.

Problém

Zvětšit obrázek

Modelováním vycházelo, že velcí dinosauři měli tělesnou teplotu 41 stupňů Celsia. Měření pomocí izotopů ukázalo, že Camarasauruse měl ve skutečnosti jen 35,7 stupně.

Izotopovou metodou měření teploty vyšlo najevo, že dinosauří tělesné schránky byly chladnější, než předpokládaly modely. Jestliže tedy naše dosavadní představy o fyziologii dinosaurů „seděly“ na starší „teplejší“ dinosaury, musí být něco špatně a naše představy o fungování robustních těl budeme muset poopravit.
Dinosauři byli tzv. gigantothermové, udržovali si vysokou teplotu díky své velikosti. Jak Tedy nyní vysvětlit jejich nižší teploty?  Zřejmě měli ještě nějaké další fyziologické mechanismy, než ty o kterých víme, které  bránily jejich přehřívání. Možná to byl „línější“ enzymatický aparát, který zpomaloval trávení a nebo jim zajišťoval pomalejší metabolismus. Takové omezení produkce tepla by se jim hodilo zvláště v dospělosti. Možná  se jim pak vyvíjel nějaký systém vzdušných vaků o němž jsme nevěděli a kterým předávali teplo do prostředí. Mohli k tomu využívat i své dlouhé krky a ocasy...

Zvětšit obrázek

Podle vzorečku má teplota záviset na strmosti růstu, aktuální hmotnosti a maximální dosahované hmotnosti.

Dosud  se pro odhad teploty dinosauřích těl braly vážně jen nepřímé metody založené na rychlosti růstu kostí, zjišťováním co bylo jejich potravou, jak dlouhé dělali kroky a tak podobně. Vědci vymysleli i mnoho vzorečků. Zřejmě nejznámější z nich dal dohromady tým složený z vědců z institucí zvučných jmen z Floridy, Kalifornie, Oregonu a Mexika. Článek vyšel v prestižním PloS ONE a tak většina odborníků i laiků byla ještě včera přesvědčena, že teplota těla dinosarům rostla spolu s tím jak rostli. Když byli velcí asi jako tříleté dítě měli mít teplotu 25 °C. Při hmotnosti třinácti tun se rtuť teploměru v jejich konečníku měla ustálit až na rovných 41 °C.

Metodě stanovování izotopů uhlíku a kyslíku je přes půl století a k rozboru není potřeba dokonce ani nějak přehnaně špičkové a drahé laboratorní vybavení. Největším problémem pro výzkumníky bylo obstarání slušně zachovalých dinosauřích zubů, do kterých je nechali jejich majitelé dělat díry. Pak už stačilo udržet pozornost a nepoplést při odběru vzorků sklovinu s dentinem.

Zvětšit obrázek

Jurští sauropodi měli tělo o 4 – 7 stupňů chladnější, než se předpokládalo. To by znamenalo, že měli chladící mechanismus, jehož princip zatím neznáme. Na obrázku je Apatosaurus Louisae, z Carnegie Musea. (Kredit: Tadek Kurpaski , Wikimedia Commons, CCA 2.0 )

Z dosud provedených pokusů vědci usoudili, že jsou schopni určovat teplotu dinosauřích těl s přesností dvou stupňů. Američané se již pustili do shánění dalších zubů a kostí. Pátrají jak po kostech jedinců sešlých stářím, tak mláďat, protože jen tak by se dalo zjistit, zda v době roztomilého jinošství měli dinosauři jinou teplotu než když už z nich byla obrovitá monstra. U gigantothermů by měly problémy s přehříváním zvláště gradovat. Pro mnohé možná bude překvapením, že navzdory jejich  přirovnávání k hoře svalů, nejde v tomto případě ani tak o problém s  produkcí tepla muskulaturou. Paradoxně jde o přebytek tepla při pouhé siestě. V podstatě to v jejich žaludku mohlo vypadat jako když dáte na hromadu tunu trávy. I krávy, které jsou stopadesátkrát menší, je dobré v parných dnech stříkat vodou, jinak veškerou svou energii z krmiva spotřebují na chlazení žaludků a přestanou dojit a přibírat na váze. Jde o to, že v pěti mililitrech obsahu žaludku býložravců je asi 150 miliard mikrobů. Taková armáda tvorečků svým metabolismem vyprodukuje hodně tepla. Ne nadarmo hasiči varují - pozor na vlhké seno v seníku!

 
Díky nové metodě zjišťování teploty těl vyhynulých živočichů se s poznatky z této oblasti brzo nejspíš „roztrhne pytel“. Nejen, že se začnou porovnávat stovky druhů dinosaurů, ale i další zvířata, která žila v jejich stínu. Také se asi dovíme, jak s teplotou těl živočichů v průběhu desítek milionů let „míchala“ evoluce,... 

Interview s Johnem Eilerem a Robem Eaglem o prvním měření teploty dinosaurům

Prameny:  James F. Gillooly et al.: Dinosaur Fossils Predict Body Temperatures, PloS ONE
, California Institute of Technology