Gladiatorzy mezozoiku

W dinozaurowym panteonie palmę pierwszeństwa pod względem rozmiarów dzierżyły zauropody, a symbolami potęgi i mocy były tyranozaury. Ale to ceratopsy, ankylozaury i stegozaury stanowiły prawdziwe chodzące zbrojownie. Ich potężne rogi i kolce, masywne płyty na całym ciele i zakończone kostnymi maczugami ogony czyniły od dawna z tych rogatych i pancernych dinozaurów obiekty rozpalające zbiorową wyobraźnię. Na początku XX wieku specjalizujący się w malarskich rekonstrukcjach dawnych zwierząt artysta Charles R. Knight przedstawił jednego z tych rogatych wojowników, roślinożernego triceratopsa, jako godnego przeciwnika mięsożernego tyranozaura, a majestatyczne stegozaury regularnie pojawiają się od roku 1993 w kolejnych filmach spod szyldu Jurassic Park. Jednak pomimo naszej nieustającej fascynacji tymi „żywymi czołgami”, jak nazwano opancerzone dinozaury, wiele szczegółów anatomii, a nawet przeznaczenia, ich imponujących akcesoriów – wciąż skrywa przed nami liczne tajemnice.

Problem wynikał z ubóstwa skamieniałości tych zwierząt i zwykle złego stanu zachowania szczątków, które udawało się znaleźć. Trzeba też pamiętać, że w stanie kopalnym zachowują się jedynie twarde części szkieletowe (kości i zęby), a tylko w skrajnych przypadkach ślady miękkich tkanek. Próbując odtworzyć prawdziwy wygląd opancerzonych dinozaurów na podstawie skąpych dowodów, paleontolodzy przyjęli konserwatywne, jak sądzili, założenie, że całość opancerzenia tych dawno wymarłych olbrzymów stanowiły te właśnie zachowujące się w stanie kopalnym szczątki. Wykonane na tej podstawie rekonstrukcje ukazują istoty bez wątpienia wspaniałe – zaopatrzone w metrowej długości kryzy ceratopsy, stegozaury wymachujące niewiele krótszymi kolcami na ogonach, czy nodozaury najeżone półmetrowymi kostnymi sztyletami w obrębie szyi i pasa barkowego.

W ostatnich latach paleontologowie znaleźli wiele nowych skamieniałości z zachowanymi nieznanymi dotąd elementami anatomii opancerzonych dinozaurów. To nadzwyczajne odkrycia, gdyż pozwalają w nowy sposób spojrzeć na budowę i funkcje pancerzy i uzbrojenia dinozaurów. Dzięki nim przeprowadziliśmy wraz z kolegami analizy tych wszystkich rogów, kolców, płyt i innych elementów ciężko uzbrojonych i opancerzonych dinozaurów. Patrząc na nie świeżym spojrzeniem, widzimy, że cały ten arsenał był nie tylko bardziej imponujący, niż się wydawało, ale też pełnił funkcje, które nie zawsze braliśmy pod uwagę.

Nasze odkrycia opierają się głównie na dwóch niezwykłych skamieniałościach, opisanych po raz pierwszy w roku 2017. Jedna z nich należała do pancernego dinozaura z potężną maczugą na ogonie, którą Victoria Arbour, pracująca obecnie w Royal BC Museum w Kanadzie, i David Evans z Royal Ontario Museum nazwali Zuul ze względu na podobieństwo do potwora z filmu Ghostbusters (Pogromcy duchów) z roku 1984. Druga skamieniałość pochodziła od nodozaurida – opancerzonego dinozaura znanego z przerażających kolców na barkach. Caleb Brown z Royal Tyrrell Museum w stanie Alberta i jego współpracownicy nazwali to zwierzę Borealopelta, co oznacza „tarcza Północy”.

Okazy Zuul i Borealopelta to nieznane dotąd gatunki ankylozaurów, ale szczególna ich wartość polega na nadzwyczajnym stanie zachowania. Można na nich dostrzec nie tylko detale kostnego pancerza, ale nawet towarzyszące im zarysy miękkich tkanek. Dzięki tym skamieniałościom naukowcy mogli po raz pierwszy zaobserwować dokładny skład i budowę pokrywających ciała dinozaurów pancernych elementów.

Jeszcze zanim odkryto Zuul i Borealopelta, część specjalistów uważała, że główne elementy pancerza kostnego (zwane osteodermami) u takich form jak ankylozaury czy stegozaury zbudowane są z tkanki kostnej otoczonej od góry keratynową powłoką (a więc z tego samego materiału, z którego zbudowane są włosy, paznokcie i rogi). Odkryte niedawno okazy potwierdziły te przypuszczenia, wykazując, że pancerze tych dinozaurów są faktycznie zbudowane z zewnętrznej warstwy keratynowej, podtrzymywanej przez kostne osteodermy.

Co więcej, ta keratynowa powłoka okazuje się o wiele masywniejsza, niż mogłoby się wydawać. Okaz Borealopelta, na którym pancerz zachował się najlepiej, pokazuje, że keratynowe osłony mogły powiększać najgrubsze części pancerza o 30–40%. A ponieważ warstwa keratynowa jest na tym okazie częściowo starta, była ona za życia zwierzęcia z pewnością jeszcze grubsza. Po zbadaniu tej skamieniałości jestem przekonany, że ten wzrost grubości mógł być istotnie większy niż 40%.

Odczytanie struktury pancerza zrewolucjonizowało nasze rozumienie tych dinozaurów. Po pierwsze, okazało się, że pancerz ten charakteryzuje się innymi (i bardziej imponującymi) właściwościami, niż wcześniej sądzono. Po drugie, ponieważ większość pancerzy dinozaurów wykazuje wyraźne oznaki połączeń z osłoną keratynową, można sądzić, że stosunek keratyny do kości w pancerzach Borealopelta i Zuul prawdopodobnie dotyczy również innych dinozaurów o podobnej budowie pancerzy. A to oznacza, że kolce, płyty i rogi wszystkich opancerzonych dinozaurów – od rogatych ceratopsów po zaopatrzone w płyty na grzbiecie stegozaury – były prawdopodobnie o ponad 40% masywniejsze, niż by to wynikało z samych ich szkieletów.

Aby zrozumieć niezwykłe implikacje posiadania pancerza składającego się głównie z keratyny, musimy przyjrzeć się właściwościom tego materiału. Kluczowe w tej dyskusji są wytrzymałość (strength) i wiązkość (toughnesss) materiału. Wytrzymałość to zdolność materiału do opierania się złamaniu pod wpływem deformacji. Jeśli trudno jest złamać w połowie pręt, to oznacza, że jego materiał jest wytrzymały. Wiązkość z kolei to miara zdolności materiału do pochłaniania energii, określająca podatność na pękanie lub złamanie. Jeśli uderzysz w kawałek materiału z dużą siłą i przetrwa on to uderzenie, to oznacza, że jest odporny; jeśli pęknie – kruchy. Często występuje kompromis między tymi dwiema właściwościami. Materiały bardzo wytrzymałe bywają stosunkowo kruche. Weźmy na przykład szkło: jest dość wytrzymałe, ale nawet niewielkie uderzenie może je rozbić. Kruchość szkła wynika z jego małej wiązkości, a nie wytrzymałości.

Z tego punktu widzenia keratyna jest wyjątkowym biologicznym materiałem. W przeciwieństwie do kości, która jest bardzo wytrzymała, ale krucha, keratyna jest umiarkowanie wytrzymała, ale niezwykle odporna na pękanie czy złamanie, dzięki czemu doskonale nadaje się do tworzenia ultrawytrzymałej broni i pancerza.

Rozważmy na przykład keratynowe kolce afrykańskich jeżozwierzy, które mogą śmiertelnie ranić lwy, jeśli te nierozważnie zaatakują te dobrze opancerzone gryzonie. Kości mogą pękać pod wpływem silnego ugryzienia lwa, ale kolce z keratyny pochłaniają energię uderzenia i zachowują swój kształt na tyle dobrze, by służyć jako śmiercionośne włócznie, które jeżozwierz może wbić w pysk i szczęki napastnika.

Jeszcze ciekawszym przykładem w kontekście opancerzonych dinozaurów są rogi współczesnych antylop, owiec i kóz. Barany owcy kanadyjskiej uderzają się nawzajem ciężkimi wyrostkami czaszkowymi, które nie są wykonane wyłącznie z kości, lecz mają grubą warstwę keratyny otaczającą kostny rdzeń. Całkowite właściwości fizyczne rogów tych zwierząt wynikają z połączenia odpornej zewnętrznej warstwy keratyny oraz silnego, lecz bardziej kruchego wnętrza z kości. Taka kombinacja łączy zalety obu materiałów: twarda osłona z keratyny pochłania dużą ilość energii, a sztywny, mocny rdzeń opiera się wyginaniu i złamaniu.

Struktura rogów współczesnych antylop oznacza również, że powierzchnia kontaktowa jest obojętna biologicznie – uszkodzenie keratyny nie powoduje bólu ani krwawienia. Dla porównania, kość jest żywą tkanką o bogatym ukrwieniu i licznych zakończeniach nerwowych. Odsłonięta kość jako pancerz jest ryzykowna – jej uszkodzenie może prowadzić do krwotoków lub silnego bólu.

Z analizy szkieletów Zuul i Borealopelta i ich porównania do współczesnych zwierząt wynika, że pancerz dinozaurów nie był z pewnością sztywną i podatną na złamania powłoką kostną. Przeciwnie, był wyjątkowo wytrzymałym kostno-keratynowym kompozytem. Masywna zewnętrzna warstwa keratynowa była przeznaczona do najcięższej pracy – jako powierzchnia pancerza przyjmowała wszelkie uderzenia. Spowodowane przez nie uszkodzenia, również te będące wynikiem brutalnych porachunków, nie wywoływały krwawienia ani bólu. Kostny rdzeń zapewniał odporność i – w odpowiedzi na uderzenia – uzupełniał powstające ubytki keratyny. Efektem był wytrzymały, samonaprawialny pancerz zdolny do do absorbowania dużych ilości energii.

Wraz z Brownem (którego zespół opisał borealopeltę) badamy intensywnie zdolność pochłaniania energii przez tak zbudowane opancerzenie. Jesienią 2024 roku ogłosiłem pierwsze wyniki naszej pracy na dorocznym spotkaniu Society of Vertebrate Paleontology. Ze wstępnych szacunków wynika, że najgrubsze części pancerza borealopelty mogły przyjąć energię porównywalną z tą w zderzeniu z szybko jadącym samochodem. Kompozytowa struktura kości i warstwy keratynowej pancerza tego zwierzęcia zwiększyłaby jego wytrzymałość co najmniej 20 razy w porównaniu z pancerzem zbudowanym z samej tylko kości. Wytrzymałość takiego pancerza świetnie sprawdzałaby się w świecie groźnych drapieżników, które – wedle zgodnej opinii specjalistów – dysponowały potężną siłą zgryzu. Pancerz zbudowany głównie z kości, z jedynie cienką powłoką rogową, w konfrontacji z takimi przeciwnikami nie miałby szans na spełnianie swojej funkcji. W takich warunkach posiadanie zewnętrznego „stroju roboczego” w postaci warstwy keratynowej było z pewnością dobrym rozwiązaniem. Inaczej mówiąc, pancerz borealopelty wydaje się mieć wystarczające, wręcz nadmiarowe zabezpieczenia przed atakiem ze strony dużych drapieżników, czego świadectwem jest też niskie i szerokie ciało tego dinozaura. Nie wydaje mi się zresztą, by jakikolwiek drapieżnik mógł poważnie zagrozić tym żywym czołgom i wyrządzić faktyczne szkody ich opancerzeniu.

W 2019 roku nawiązałem współpracę z fizykiem Seamusem Blackleyem i jego zespołem inżynierów z południowej Kalifornii, by przyjrzeć się tym sprawom bliżej. Zaprojektowaliśmy i przeprowadziliśmy dla telewizyjnego programu Canadian Broadcast Channel (CBC) test mechanicznych właściwości pancerza borealopelty. Polegało to na przeciwstawieniu syntetycznej wersji jej pancerza modelowi największego drapieżnika, jakiego mogła spotkać, teropoda z rodzaju Acrocanthosaurus. Opracowując odpowiedni model, zwracaliśmy uwagę, by głowa drapieżnika zachowywała właściwe rozmiary i kształty, siłę zgryzu i charakter zębów. W następnym kroku przyjęliśmy najgorszy scenariusz, w którym drapieżnikowi udaje się przeciąć pancerz borealopelty pod ostrym kątem. Mimo że wystawiliśmy w ten sposób pancerz na możliwie największe zagrożenie, a nasz model dotyczył jedynie drobnego fragmentu pancerza, pokazaliśmy, że wytrzymywał cios, a rzeczywiste szkody powstały dopiero po powtórnym uderzeniu dokładnie w to samo miejsce Nigdy nie zbudowaliśmy najmasywniejszych, najsilniej opancerzonych części borealopelty. Nasz model obejmował budzącą mniejszą grozę część pancerza, pokrywającą tylną połowę ciała. Można śmiało założyć, że każda próba ataku drapieżnika na borealopeltę od przodu byłaby daremna, a może wręcz samobójcza. O ile bowiem tył zwierzęcia przykrywała masa zazębiających się kostno-keratynowych osteodermów, o tyle przód tego dinozaura (i innych nodozaurów) był po prostu przerażający. Szyję bestii pokrywały ostro zakończone płyty, a z jej barków wystawały potężne kolce, co musiało sprawiać wrażenie wojennej machiny z popularnej gry wideo World of Warcraft.

W trakcie analizy testu dla CBC zacząłem stosować w stosunku do superpancernego obszaru borealopelty rozciągającego się od szyi do pasa barkowego termin wojskowy „kill box”. Każdy, kto znalazł się w tej okolicy, gdy borealopelta była rozdrażniona, miał niewielkie szanse na przeżycie. No chyba że... była to inna borealopelta.

Paleontolodzy od dawna zastanawiają się nad funkcją opancerzenia dinozaurów: czy służyło jako ochrona przed drapieżnikami, broń do walki z przedstawicielami własnego gatunku, pokaz godowy czy jakaś tego kombinacja? Nasze nowe odkrycia mogą wskazać rozwiązanie. Gdyby się okazało, że pancerz borealopelty był znacząco twardszy, niżby to wynikało z konieczności obrony przed drapieżnikami, można by twierdzić, że to nie strach przed głodnymi dinozaurami był główną przyczyną jego powstania. Próbując wyjaśnić ten zagmatwany problem, warto przyjrzeć się żyjącym współcześnie zwierzętom, które również mogą pochwalić się wymyślnym uzbrojeniem kostno-keratynowym.

W dzisiejszym świecie takie struktury mogą być używane do odpierania ataków drapieżników, ale ich podstawowe funkcje są niemal zawsze związane z walkami godowymi w obrębie gatunku. Te wewnątrzgatunkowe zmagania nieraz są bardzo brutalne. Samce owcy kanadyjskiej trykają się z siłą około 60 razy większą, niż potrzebna by była do roztrzaskania ludzkiej czaszki. I robią tak nie raz, ale wielokrotnie, czasem godzinami. W przypadku jeleni udało się nakręcić scenę, gdy głowa jednego z rywali została dosłownie wbita na poroże drugiego. Nawiasem mówiąc, oręż jeleni składa się z samej kości, bez keratyny, gdyż tkanka kostna dojrzałego poroża jest martwa i nie krwawi w razie uszkodzenia, a jelenie co roku zrzucają poroże.

Wbrew hollywoodzkiej narracji o drapieżnikach walczących z roślinożercami w pojedynkach na śmierć i życie, w rzeczywistości w polowaniach chodzi o pożywienie, a nie o status. Dlatego właśnie większość drapieżników poluje na młode osobniki. Mięsożerca musi jeść, a niekoniecznie udowadniać swą pozycję. Najbardziej spektakularne boje w świecie zwierząt nie toczą się między drapieżnikami i ich ofiarami, a między wyposażonymi w pancerze i groźną broń roślinożercami, którzy walczą o status i dostęp do partnerów seksualnych.

Niewykluczone, że w mezozoiku było podobnie. W badaniu szczątków Zuul opublikowanym w 2022 roku Arbour i jej współpracownicy wykazali, że zwierzę doznało wielu silnych urazów po bokach ciała, z czasem zabliźnionych, i że ich charakter odpowiadał uderzeniom maczug na końcach ogonów innego zuula. Co więcej, z analizy okazów młodych nodozaurów wynika, że ich kill boxy rozwijały się powoli i osiągały pełne rozmiary w późniejszym okresie życia – choć przecież ryzyko związane z drapieżnikami było najwyższe właśnie za młodu. Odkrycie to, w połączeniu z „nadmiarowym” opancerzeniem borealopelty, wskazuje, że przynajmniej te najbardziej rozwinięte elementy pancerzy były używane przede wszystkim w walce między rywalami tego samego gatunku. Wydaje się więc uprawnione, by sądzić, że – tak jak dziś – najbardziej skrajne elementy opancerzenia dinozaurów służyły do wewnątrzgatunkowych pojedynków. Fakt, że pancerze te przydawały się też w razie zagrożenia ze strony drapieżników, można uznać w tej sytuacji za bonus.

Dzięki dwóm wyjątkowym okazom dinozaurów pancernych, Zuul i Borealopelta, wiemy już, na co zwracać uwagę, aby zidentyfikować gruby pancerz keratynowy u zwierząt kopalnych – i wszędzie widzimy te charakterystyczne znaki. Ślady na silnie ukrwionych płytach stegozaurów czy żłobione powierzchnie rogów triceratopsa wskazują, że grube powłoki keratynowe były powszechne, choć przez długi czas nie zdawaliśmy sobie z tego sprawy.

Warstwa keratynowa nie tylko zmienia właściwości pancerza – zwiększając jego wiązkość przy jednoczesnym zmniejszeniu twardości i wytrzymałości – ale także zasadniczo zmienia wygląd zwierząt. Ta wiedza przyczyniła się do aktualizacji obrazu dinozaurów, o których wyobrażenia stale się zmieniają, począwszy od końca lat 70. W ciągu ostatniego dziesięciolecia paleontolodzy zyskali znacznie dokładniejsze dane na temat wyglądu, chodu i mechanicznych właściwości szkieletu wielu grup dinozaurów. W rezultacie tych analiz przygarbione ceratopsy i włóczące po ziemi ogonami stegozaury, które królowały na rycinach sprzed 100 lat, ustąpiły miejsca bardziej wyprostowanym, umięśnionym zwierzętom z wysoko uniesionymi głowami. A pancerne ankylozaury wyglądają dziś jak niskie, rozłożyste tarany, a nie zwierzęta o kształcie zbliżonym do melona.

Rekonstrukcje tworzone pod wpływem nowych odkryć i przemyśleń ukazują istoty budzące z jednej strony zachwyt, z drugiej grozę. Zwierzęta te były nie tylko uzbrojone po zęby, lecz również przystosowane do władania bronią w najbardziej śmiercionośny sposób. To już nie tkwiące w bezruchu stworzenia z dawnych przedstawień, ale jedne z najniebezpieczniejszych zwierząt mezozoicznego świata, godne podziwu na obrazku, ale przerażająco skuteczne w bezpośredniej walce. Niewiele zwierząt odważyłoby się rzucić wyzwanie tak imponującym bestiom, poza ich równie dobrze wyposażonymi rywalami. Te pancerne dinozaury były gladiatorami swoich czasów, w każdej chwili gotowymi do walki w dążeniu do osiągnięcia wyższego statusu, zdobywaniu partnerów seksualnych i nowych terytoriów.