środa, 20 listopada 2013

Epoka wielkich gadów

Panowały na Ziemi przez ponad 160 milionów lat i do dzisiaj rozbudzają naszą wyobraźnię. Dinozaury, których skamieniałości odnajdywane są na całym świecie, stanowią doskonały przykład adaptacji zwierząt do panujących warunków środowiskowych. I chociaż pamiętamy głównie o tych największych czy najbardziej drapieżnych, tworzyły grupę, na którą składało się bardzo wiele różnorodnych gatunków.

Zarówno dinozaury jak i wcześniej występujące gady wyróżniało to, że składane przez nich jaja miały twardą skorupę, co pozwoliło na życie z dala od wody. Ten wynalazek ewolucji pozwolił im opanować Ziemię. Nazwane po raz pierwszy dinozaurami (czyli strasznymi jaszczurami) zostały w 1841 roku przez Richarda Owena, który – odkrywszy kości nieznanych zwierząt – skojarzył je z kośćmi jaszczurki. Obecnie uznaje się, że stanowiły odrębną grupę, od której wywodzą się współczesne nam ptaki.
 
Apatozaurus należący do zauropodów

Kluczowe znaczenie dla charakterystyki pradawnych gadów mają kości miednicy. Na ich podstawie dinozaury dzieli się na gadziomiedniczne oraz ptasiomiedniczne. Różnica między nimi polega na ułożeniu kości łonowej. Na podstawie analizy skamieniałości miednicy można też określić sposób poruszania się dinozaura (czy poruszał się na dwóch czy czterech nogach). Analizując czaszkę gada można natomiast wysnuwać wnioski na temat wyglądu całego zwierzęcia oraz jego możliwości poznawczych (wielkość oczodołów czy jamy, w której znajdował się mózg). Zęby świadczą o rodzaju przyjmowanego pożywienia – mięsożerności lub roślinożerności. W pierwszym przypadku, jak u Allozaura, były one ostre, ząbkowane i skierowane do tyłu, by utrzymać w pysku upolowaną zdobycz. U roślinożerców spotykamy zęby tępe, służące skutecznemu żuciu.

Czaszka Allozaura

Ważną kwestią jest, czy dinozaury były zwierzętami zmienno czy stałocieplnymi. Zwierzęta zmiennocieplne to takie, które dostosowują temperaturę swojego ciała do otoczenia, stałocieplne zaś utrzymują stabilną temperaturę, dzięki procesom chemicznym przetwarzania pokarmu w energię (tak jak to jest u ludzi). Wiele argumentów przemawia za tym, że w przeciwieństwie do współczesnych gadów zmiennocieplnych jak jaszczurka, dinozaury w pewnym stopniu (a może i całkowicie) potrafiły utrzymywać temperaturę swojego ciała na stałym poziomie. Dowodem na to jest dwukomorowe serce i duża ruchliwość tych gadów, którą można określić na podstawie budowy ich kończyn. Dinozaury zatem mogły być podobnie przystosowane do zmian w otoczeniu jak współczesne ssaki czy ptaki. 

Należący do dinozaurów rogatych Triceratops. Grafika: Nobu Tamura

Jak zatem tak dobrze przystosowane, największe w historii naszej planety zwierzęta, mogły gwałtownie wyginąć? Zadajemy sobie to pytanie często nieświadomi, że wymieranie gatunków nie jest procesem rzadkim – spotkało to nie tylko dinozaury. Wielkich wymierań było aż sześć, a pierwsze z nich – ordowickie – zdarzyło się 438 milionów lat temu i dotyczyło 85% gatunków. Prawdopodobnie mogło być ono spowodowane katastrofą w skali kosmicznej, taką jak wybuch supernowej, który naraził Ziemię na przyjęcie dużej ilości promieniowania Gamma. Z podobnych, „pozaziemskich” przyczyn wyginęły najprawdopodobniej dinozaury. Na Ziemi odnaleziono kratery uderzeniowe datowane właśnie na czas ich zniknięcia – około 66 milionów lat temu. Tak zwana teoria impaktu zakłada, że dramatyczne spotkanie naszej planety z planetoidą spowodowało gwałtowne zmiany klimatyczne skutkujące śmiercią bogatego świata dinozaurów. Katastrofa ta miała jednak też jasne, przynajmniej dla nas, strony. W ziemskim ekosystemie pojawiło się miejsce dla żyjących dotychczas w cieniu wielkich gadów ssaków, do których należymy.

środa, 30 października 2013

Tajemnice starożytnej Mezopotamii

Najwcześniejsza znana nam cywilizacja utworzyła się w dolinie rzek Tygrysu i Eufratu, tak zwanym Żyznym półksiężycu. To tam dokonano olbrzymich postępów w dziedzinie rolnictwa i organizacji społecznej. Tam również powstało pismo i pierwsze prawodawstwo. Przy całym zainteresowaniu jakie budzi starożytny Egipt, warto przyjrzeć się prekursorom europejskiej cywilizacji.

Wyobrażenie zigguratu w UR
  
Jednym z dokonań podzielonej początkowo na państwa-miasta Mezopotamii była umiejętność ujarzmiania rzek poprzez budowę wałów i wykorzystywania wody za pomocą kanałów melioracyjnych. Te można było budować jedynie wspólnie, dlatego też ludzie łączyli się w grupy. To bez wątpienia wpłynęło na rozwój organizacji społecznej. Mieszkańcy Mezopotamii potrafili także osuszać bagna, co również wymagało wspólnego działania. Po pokonaniu naturalnych barier ludzie mieli znacznie większe możliwości wzajemnego kontaktu, co sprzyjało budowaniu większych zbiorowisk. Z czasem te przeistoczyły się w państwa.

Pierwszą znaczącą cywilizacją na obszarze Mezopotamii była cywilizacja sumeryjska. Trwała tysiąc trzysta lat i zawdzięczamy jej niezwykle istotny wynalazek – pismo. Ewoluowało ono od prostych piktogramów, czyli obrazków przedstawiających określone pojęcia do bardziej abstrakcyjnych znaków. Były one pisane na glinianych tabliczkach za pomocą kawałka trzciny o zakończeniu w kształcie klina (stąd nazwa pisma – pismo klinowe). Teksty, które powstawały za pomocą pisma klinowego były zazwyczaj spisami towarów czy pokwitowaniami. Pierwsze powstały około 3000 roku p.n.e.

W języku sumeryjskim, po którym odziedziczyliśmy między innymi słowo „alkohol”, a także kilka innych, zostało napisane pierwsze dzieło literackie świata. Mowa o Eposie o Gilgameszu – mitycznej opowieści o poszukiwaniu ratunku przed śmiercią oraz marzeniu powrotu do stanu natury. W Eposie pojawia się też pierwszy opis wielkiego potopu, później powtórzony w Biblii. Opowieść powstała ok 2000 roku p.n.e. dotyczy postaci autentycznej – Gilgamesz był władcą miasta Uruk. Jej wpływ da się odczuć nie tylko w Biblii – oddziaływała na cały Bliski Wschód. Głębokie symboliczne znaczenie Eposu przemawiało do wyobraźni starożytnych.

Pisząc o Mezopotamii w kontekście nauki nie sposób nie wspomnieć o wielkich osiągnięciach tej cywilizacji w dziedzinie matematyki czy geometrii. Wyrażali wartość liczbową za pomocą pozycji danej cyfry oraz dzielili okrąg na sześć równych części. Ich budownictwo także było innowacyjne – stosowali suszone na słońcu, wyrabiane z mułu cegły. Dzięki temu potrafili wznosić naprawdę imponujące budowle, takie jak ziggurat w Ur wznoszący się na wysokość trzystu metrów. Sumerowie wynaleźli także szkło i sporządzali odlewy z brązu.

Po Sumerów nastały w Mezopotamii czasy Imperium Babilońskiego. Mimo złej sławy jego nazwy, która kojarzy się z przepychem i zepsuciem zawdzięczamy im bardzo wiele. Byli oni pierwszymi twórcami spisanego prawa – kodeksu Hammurabiego. Jego twórcą był król Babilonii, a wyryte zapisy można oglądać w paryskim Luwrze. Zapisy dotyczyły w dużej mierze handlu, własności i życia rodzinnego. Za nieprzestrzeganie praw groziły surowe kary.

Osiągnięciem Babilończyków było także rozwinięcie pisma klinowego do formy sylabicznej, co znacznie wpłynęło na jego użyteczność. Uważnie obserwowali także gwiazdy tworząc podwaliny astronomii (wybudowali liczne obserwatoria). Potrafili przewidywać zaćmienia Księżyca oraz znali tory ruchy planet. Babilońskiej matematyce zawdzięczamy też system sześćdziesiątkowy, który stosujemy między innymi przy podziale godziny na 60 minut. Algebra to także dziedzictwo starożytnej Mezopotamii.

Sumerowie i Babilończycy nie pozostawili po sobie imponujących piramid ale warto pamiętać, że bez ich osiągnięć nasz świat wyglądałby zupełnie inaczej. Żyzny Półksiężyc dał naszej nauce bardzo wiele.

wtorek, 22 października 2013

Skąd ten prąd? Poznawanie elektryczności.

Bez niej nie moglibyśmy funkcjonować we współczesnym świecie. Odpowiada za działanie komputerów, telefonów, sprzętu gospodarstwa domowego. Jak właściwie działa elektryczność, od której tak jesteśmy obecnie uzależnieni?

Zdjęcie: Aatu Liimatta
  
Za elektryczność odpowiedzialne są mikroskopijne cząstki stanowiące składniki atomu – elektrony. Mają one ładunek ujemny. Przemieszczające się przez przewodnik elektrony to znany wszystkim prąd elektryczny. Ruch elektronów powoduje także pole magnetyczne, które jest odpowiedzialne za działanie urządzeń elektrycznych oraz pola elektryczne.

Elektryczność służy nam także do przesyłania informacji, podobnie jak fale radiowe. Takie jej zastosowanie możemy spotkać w kalkulatorach czy komputerach. Dzięki temu, że wykorzystują one elektrony mogą być zminiaturyzowane. Na co dzień tego doświadczamy korzystając z laptopów, nowoczesnych telefonów komórkowych czy tabletów. Wszystkie te urządzenie elektroniczne kierują ruchem elektronów.

Istnieje także zjawisko elektryczności statycznej, czyli takiej gdzie elektrony nie płyną jak w przypadku prądu elektrycznego ale są przenoszone. Jako, że wszystko zbudowane jest z atomów zawierających elektrony stosunkowo łatwo ją wytworzyć. Wystarczy intensywnie potrzeć na przykład balon za pomocą ściereczki, a zacznie on przyciągać wasze włosy. Spróbujcie sami! Można również potrzeć grzebieniem o tkaninę, by zobaczyć jak wytworzone pole elektryczne będzie oddziaływać na kawałki papieru.

Wracając do prądu elektrycznego, różni się on tym od elektryczności statycznej, że może występować jedynie w przewodniku. Może być nim na przykład kawałek metalu. Wprawienie elektronów w ruch wymaga energii, na przykład cieplnej, mechanicznej czy słonecznej. Dostarczyć jej mogą także reakcje chemiczne jak ma to miejsce w baterii. W typowym jej obwodzie elektrony poruszają się przez przewodnik złożony z cynku i miedzi, które są w otoczeniu pobierającego z nich elektrony kwasu. Ten ostatni właśnie jest odpowiedzialny za przepływ elektronów.

Jak mierzymy „ilość” prądu? Wszystkie urządzenie elektryczne wyposażone są w obwody, w których możemy wyróżnić natężenie (czyli ilość) prądu liczone w amperach oraz jego napięcie liczone w woltach. Prąd przepływający przez obwody możemy też podzielić na stały i zmienny. W przypadku tego pierwszego elektrony płyną w jednym kierunku – od bieguna ujemnego do dodatniego. Z prądem zmiennym mamy do czynienia natomiast wtedy gdy, elektrony poruszają się w dwóch kierunkach, „tam i z powrotem”. Właśnie taki rodzaj prądu jest w naszych gniazdkach elektrycznych.

Elektryczność jak widać nie jest wcale tak skomplikowana. Najlepiej się o tym przekonać wykonując wspomniany eksperyment z balonem, do czego zachęcamy!

wtorek, 15 października 2013

Eksploracja Układu Słonecznego - misje sond kosmicznych

Marzą nam się podróże międzygwiezdne, odkrywanie naszej galaktyki – Drogi Mlecznej a nawet galaktyk odległych. Kosmos jednak jest tak wielki, że odległości w nim są, właśnie... kosmiczne. W porównaniu do dziesiątek czy setek lat świetlnych, które dzielą nas od wymarzonych celów podróży  w naszym Układzie Słonecznym wszystko znajduje się stosunkowo blisko. Dzięki temu sporo udało nam się na jego temat dowiedzieć podczas podróży międzyplanetarnych.

Załogowe wyprawy na inne planety to przedsięwzięcia niezwykle skomplikowane. Jak dotąd ludzka  stopa stanęła jedynie na naszym Księżycu, chociaż od lat planowany jest załogowy lot na Marsa. Mimo, że w skali kosmicznej znajduje się on stosunkowo blisko, to jednak misja taka trwała by lata. Przez ten czas kosmonauci musieli by coś jeść, pić i... w ogóle ze sobą wytrzymać. Jak dotąd przeprowadzane eksperymenty psychologiczne mające na celu zbadanie zachowania małej grupy ludzi w zupełnej izolacji przez długi czas pokazały, że jest to możliwe. Nie były one jednak prowadzone w warunkach stresu i poczucia osamotnienia towarzyszących podróży w przestrzeni kosmicznej.

Na szczęście możemy posługiwać się bezzałogowymi sondami kosmicznymi. Nie narzekają one na nudę i nie potrzebują opieki medycznej, mogąc wędrować przez Wszechświat setki lat. Wykorzystują one jako źródło energii panele słoneczne i przesyłają wyniki swoich obserwacji do centrum dowodzenia na Ziemi. Ich zadanie to nie tylko przesyłanie niezwykłych zdjęć planet czy księżyców - wyposażone są w szereg instrumentów naukowych mających na celu na przykład badanie składu atmosfery obiektu czy jego pola magnetycznego.

Pierwszą misją sondy kosmicznej, która zakończyła się sukcesem była misja Mariner 2. Sonda z powodzeniem dotarła do swojego celu – Wenus i przeprowadziła szereg cennych obserwacji. Badany był między innymi wiatr słoneczny, pył międzyplanetarny i temperatura Wenus. Dalej zapuściły się sondy Pioneer 10 i Pioneer 11, które badały Jowisza i Saturna i po wykonaniu swojej misji stały się pierwszymi wysłanymi przez człowieka obiektami, które opuściły Układ Słoneczny. Z misji tych, które rozpoczęły się w 1972 roku pochodzą pierwsze zdjęcia „z bliska” gazowych gigantów. Na jednym z nich widoczna jest na przykład Wielka Czerwona Plama, charakterystyczny wir w atmosferze Jowisza. Podczas misji dokonano wielu użytecznych badać, między innymi zmierzono temperaturę księżyca Saturna Tytana i odkryto nieznany wcześniej księżyc – Epimeteusza.  

Jowisz na zdjęciu z sondy Pioneer 10

Słynne są misje Voyager mające na celu badanie Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna. Dzięki nim dysponujemy nie tylko dużą ilością danych naukowych ale też pierwszymi zdjęciami tych odległych planet i ich księżyców. Szczególne wrażenie robią zdjęcia Europy, pierścieni Saturna czy nieobserwowanych nigdy wcześniej księżyców Urana – Ariela i Mirandy. Dzięki Voyagerom, które także opuściły już Układ Słoneczny wiemy także, że Neptun jest niezwykle piękną, błękitną planetą, której towarzyszy nie mniej ciekawy księżyc – Tryton.
 
Powierzchnia księżyca Io


Chmury na Neptunie

Jowisza badała także sonda Galileo, a poznawaniu Marsa poświęcona były dwie misje – Mars Pathfinder oraz najnowsza (2011) Mars Science Laboratory wraz z łazikiem Curiosity, któremu zawdzięczamy zdjęcia czerwonej planety w wysokiej rozdzielczości. Misja Cassini-Huygens miała na celu badanie Saturna i jego księżyców. Jej wielkim osiągnięciem było lądowania próbnika wystrzelonego z sondy na Tytanie. Misja z 2006 roku poświęcona była natomiast Plutonowi i tak zwanemu pasowi Kuipera, czyli znajdującemu się za orbitą Neptuna rodzajowi pasa planetoid. W nim właśnie znajdują się planety karłowate: Pluton (który, jak przypominamy, od jakiegoś czasu nie jest już uznawany na „pełnoprawną” planetę), Haumea i Makemake.
 

Powierzchnia Tytana

Bezzałogowe misje sond kosmiczny na pewno będą kontynuowane, ponieważ ich efekty wniosły niezwykle dużo do nauki. Jak już wspomnieliśmy, dużo łatwiej je też zorganizować niż loty załogowe. Czekamy zatem na kolejne takie wyprawy, zanim sami będziemy mogli stanąć na odległych planetach!

piątek, 11 października 2013

Podniebni drapieżcy - orły

Pierwszy ptak nazwany archeopteryksem został odkryty w 1860 roku. Wyraźny odcisk jego upierzonego ciała znajdował się w skałach pamiętających czasy dinozaurów, co oznaczało, że ptaki były znacznie starsze niż powszechnie sądzono. Pierwszy odkryty praptak był wielkości gołębia i posiadał już najpewniej w pełni funkcjonalne pióra. Te, zbudowane z keratyny, wyróżniające ptaki elementy ich budowy dały im wiele korzyści, będąc, między innymi doskonałą izolacją. Z czasem też zapewniły im panowanie w powietrzu.

Świat ptaków jest niezwykle złożony i fascynujący. Od drobnych ptaków śpiewających, przez żyjące w dużych skupiskach nieloty - pingwiny, po ptaki drapieżne możemy obserwować wielką ilość różnorodnych zachowań tych zwierząt. My zajmiemy się przedstawicielami drapieżników – orłami.

Majestatycznie krążący orzeł, stosowany często jako symbol, to chyba najbardziej znany z podniebnych drapieżców. Występujący we wschodniej Europie i Skandynawii bielik wyróżnia się między innymi jako budowniczy olbrzymich gniazd, często mierzących nawet dwa metry średnicy i ważących ponad 600 kg. Ptak buduje je na wysokich drzewach lub skałach i regularnie do nich powraca. Młodsze osobniki wędrują na zimę ze Skandynawii w cieplejsze rejony Europy. Starsze prowadzą raczej osiadły tryb życia.
Orzeł bielik. Zdjęcie: ZorroIII
  
Bielik poluje na ptactwo wodne, nawet takich rozmiarów jak czapla siwa. Z wyjątkową wytrwałością potrafi prześladować swoją przyszłą ofiarę, aż ta, wyczerpana, pozwoli się pochwycić. Polując nad wodą, zdarza mu się także żywić większymi rybami, takimi jak szczupak. W menu bielika znajdują się także ssaki jak na przykład zając.
 
Polujący orzeł bielik. Zdjęcie: Idalia Skalska, http://idalia.pl

Potężny orzeł bielik z rozpiętością skrzydeł wynoszącą około 2,5 metra i długością ciała do jednego metra, miał w historii kuzyna, który zagrażał także znacznie większym zwierzętom. Był to wymarły, żyjący niegdyś na Nowej Zelandii Orzeł Haasta, charakteryzujący się co prawda niewiele większymi rozmiarami, ale za to znacznie większą wagą od bielika. Ptak zniknął około 1400 roku, ale został zapamiętany przez zamieszkujących Nową Zelandię Maorysów, ponieważ sami bywali obiektem jego polowań. Ten leśny ptak potrafił niespodziewanie runąć na człowieka, zadając mu rany potężnymi szponami.
 
Wyobrażenie Orła Haasta polującego na nieloty Moa. Autor: John Megahan

Silniejszy od bielika jest też mniejszy od niego orzeł przedni. Potrafi w locie nurkowym osiągać prędkość aż 320 km/h! Spotkać go można w lasach i górach, w Polsce w Karpatach. Poluje na zające, kuny czy świstaki, czasem jednak potrafi się też skusić nawet na owcę. Poza ssakami orzeł ten chwyta też inne ptaki, ryby lub gady. W Polsce jest gatunkiem chronionym i obecnie jego ilość jest dramatycznie niska – wynosi według danych sprzed trzech lat 27 par.
 
Orzeł przedni. Autor: Juan Lacruz

Jeszcze rzadszym gatunkiem orła jest orlik grubodzioby, który zamieszkuje wyłącznie tereny podmokłe i lasy. W Polsce jest to dolina Biebrzy, gdzie występuje kilkanaście par tych ptaków. Są one z dużym zaangażowaniem nowoczesnych środków badane przez ornitologów, którzy za pomocą nadajników GPS i urządzeń zwanych datalogerami śledzą podróże orlików. A potrafią one wędrować na naprawdę wielkie odległości. Dotyczy to młodych orlików, które, zanim zaczną prowadzić osiadły tryb życia, przemieszczają się z naszych rejonów aż na tereny Egiptu czy Południowego Sudanu. Jest to podróż pełna niebezpieczeństw, głównie ze względu na zagrożenie ze strony człowieka. Dlatego też prowadzone są nie tylko programy monitoringu ich lotów, ale też programy edukacyjne mające na celu uświadamiać, jak ważne jest zachowanie tego gatunku. Dotyczy to zresztą wszystkich orłów – musimy dbać o to, by kiedyś te majestatyczne ptaki nie zniknęły z naszego nieba.

wtorek, 8 października 2013

Patrząc przez mikroskop

Fascynujące jest poznawanie Wszechświata za pomocą teleskopów. Można wtedy odkryć nowe, odległe światy, piękne mgławice czy galaktyki. Warto jednak też zwrócić się w inną stronę – spojrzeć w głąb rzeczywistości rzeczy małych. Służy temu mikroskop, dzięki któremu możemy poznawać to, co jest niewidoczne gołym okiem, mimo że znajduje się tak blisko.

W mikroskopie optycznym obserwowane obiekty znajdują się bardzo blisko soczewki obiektywu i oświetlane są przez odbite od zwierciadła światło. Zostaje ono dla zwiększenia efektu dodatkowo skupione w kondensatorze. Umożliwia to powiększenie obrazu do 2000 razy. Dużo większe możliwości daje mikroskop elektronowy, który powiększa obraz obserwowanego obiektu o prawie milion razy. Wykorzystuje do tego wiązkę poruszających się elektronów. W zależności od tego, czy jest to mikroskop transmisyjny, czy skaningowy wiązka ta przechodzi lub odbija się od próbki.

Dzięki powiększeniu nawet całkiem „banalne” obiekty stają się naprawdę fascynujące. Poniższe ziarenko soli wydaje się górą z trudnymi do zdobycia zboczami. Tak naprawdę jest to połączenie atomów chloru i sodu, którego lekką nieregularność widać dopiero w dużym powiększeniu.


Podobnie fascynujące są mikroskopijne wirusy, odpowiedzialne za wiele chorób. To, że te małe organizmy są w istocie żywymi istotami widać dopiero pod mikroskopem. Skomplikowana struktura zabójczego wirusa Ebola dowodzi złożoności tego z pozoru prostego organizmu.


wirus Ebola

Często niebezpieczne, ale też pożyteczne i niezbędne dla życia człowieka bakterie również prezentują swoją złożoną naturę przy dużym powiększeniu. Potrafią przybierać przeróżne kształty – kuliste, pałeczkowate czy spiralne. Składają się z jednej komórki otoczonej ścianą komórkową. Wewnątrz bakterii znajduje się cytoplazma, w której znajdują się między innymi kwasy nukleinowe. Poniżej możemy zobaczyć typ bakterii siarkowej, będący największą znaną bakterią. Żyje dzięki umiejętności utleniania siarki i łączy się w grupy komórek.  



Jednokomórkowe zwierzęta jak ameba są również ciekawymi obiektami do obserwacji. Ten używający nibynóżek do poruszania się jednokomórkowiec ma formę galaretowatej masy.


Ameba, zdjęcie: dr.Tsukii Yuuji

Pantofelek natomiast (poniżej) porusza się za pomocą rzęsek i wchłania pożywienie za pomocą wodniczek pokarmowych, trawiąc je przy użyciu enzymów.
Pantofelek. Zdjęcie: Barfooz

Wyjątkowo skomplikowaną strukturę można dostrzec także obserwując jednokomórkowe rośliny, na przykład skrętnicę, wodny glon. Łączy się on w długie nici, których duże nagromadzenie można dostrzec gołym okiem.  

Skrętnica


Nie mniej ciekawe są niezwykle małe zwierzęta. U rozwielitki, która, gdy przyjrzeć jej się bliżej jest właściwie przeźroczysta, można dostrzec już skomplikowaną strukturę narządów wewnętrznych. To zwierzę żyjące w stawach i jeziorach żywi się mikroskopijnymi roślinami i zwierzętami. Ma serce, czułki służące do poruszania się i przewód pokarmowy.

Rozwilitka. Zdjęcie: Thctamm

To tylko niektóre z przykładów tego, jak fascynujące może być zwiedzanie świata za pomocą mikroskopu. Co ważne, aby zakosztować tej wyprawy, wcale nie potrzebujemy skomplikowanego mikroskopu elektronowego. Przez zwykły, optyczny mikroskop również można dostrzec bardzo wiele. Warto spróbować!

piątek, 4 października 2013

Zawiłości teorii względności

Zanim w XX-wiecznej fizyce pojawiły się mechanika kwantowa i teoria strun zrewolucjonizował ją  Albert Einstein. Jego teoria względności sprawiła, że już nigdy nie patrzyliśmy na rzeczywistość w ten sam sposób i zyskaliśmy, poza trzema wymiarami przestrzennymi dodatkowy – czas.


Albert Einstein

Teoria względności to w istocie dwie teorie – szczególna teoria względności i ogólna teoria względności. Ta pierwsza odnosi się do przedmiotów pozostających w ruchu i ich relacji wobec czasu. Według niej czas nie jest obiektywnym zjawiskiem, nie płynie zawsze „tak samo”, ale jest względny. Zależy bezpośrednio od tego, z jaką prędkością się poruszamy i naszego położenia w przestrzeni. Można to wyobrazić sobie na przykładzie dwóch mijających się pojazdów – dla obserwatora w tym, który jest mijany, mijający porusza się wolniej niż wynosi jego prędkość bezwzględna.

Co szczególnie ważne w ustaleniach Einsteina to natura światła. Według niego stanowi ono strumień cząstek – fotonów, a nie jest falą, jak wcześniej sądzono. Fotony nie mają masy i przez to mogą przemieszczać się z największą znaną fizyce i nieprzekraczalną prędkością – 300 000 km/s. Masa każdego obiektu, który poruszał by się z tą prędkością stała by się nieskończenie wielka, podobnie nieskończenie wielka musiała by być siła, aby obiekt rozpędzić. Z punktu widzenia obserwatora pędzący coś pędzącego z prędkością bliską prędkości światła uległoby też skróceniu (na przykład przy 90% tej prędkości o połowę) Jednocześnie na pokładzie takiego hipotetycznego pojazdu czas płynąłby o połowę wolniej od czasu obserwatora. Gdyby było możliwe, że pojazd osiągnąłby prędkość światła (a zatem stał się nieskończenie masywny), czas dla niego zatrzymałby się.

Odkrycie skończonej prędkości światła ma też podstawowe znaczenie dla astronomii. Dzięki temu, iż wiemy, że fotony mkną 300 000 km/s, nie szybciej, zdajemy sobie sprawę z faktu, że obserwując gwiazdy czy galaktyki widzimy w istocie ich przeszłość. Gwiazdę odległą o sto lat świetlnych od Ziemi, widzimy przez nasze teleskopy taką, jaka była wiek temu, a nie taką, jaka jest obecnie.

Oprócz szczególnej teorii względności nie mniej doniosłym osiągnięciem Einsteina była ogólna teoria względności dotycząca grawitacji. Podstawowym pojęciem dla niej jest wprowadzone już w szczególnej teorii względności pojęcie czasoprzestrzeni. Dzięki niej można określić położenie obiektu także w czasie. Rewolucyjnym stwierdzeniem teorii jest jednak wniosek, że grawitacja jest siłą zakrzywiającą czasoprzestrzeń. Można to sobie wyobrazić, jako tworzenie się wgłębień w pozornie płaskiej powierzchni. Wniosek, że grawitacja nie jest siłą przyciągającą materię a zakrzywiającą czasoprzestrzeń został potwierdzony, gdy zaobserwowano zwielokrotniony obraz kwazaru. Jeden obiekt widoczny jest jako cztery ponieważ jego światło uległo zakrzywieniu przez odległą galaktykę. Dlaczego to takie istotne? Gdyby grawitacja przyciągała masę, nie mogłaby zakrzywiać toru światła, które jest strumieniem nieposiadających masy fotonów. Liczne dowody na prawdziwość teorii Einsteina znajdowano też podczas obserwacji pulsarów czy badań czarnych dziur. Przeprowadzono także eksperyment polegający na porównaniu upływu czasu na wysłanym w przestrzeń kosmiczną zegarze atomowym, a bliźniaczym zegarem pozostającym na Ziemi. Efekty próby potwierdziły hipotezy Einsteina.

Potwierdzona licznymi badaniami teoria względności Einsteina stoi u podstaw współczesnej fizyki, która obecnie koncentruje się na próbach połączenia efektów prac genialnego fizyka z nowszymi teoriami – na przykład mechaniką kwantową. Dzięki Einsteinowi i jego następcom wiemy jednak, że żyjemy w niezwykłym świecie czasoprzestrzeni.

poniedziałek, 30 września 2013

Superstruny - teoria wszystkiego?

Naukowcom od lat marzy się odkrycie teorii wszystkiego (w angielszczyźnie ukuto nawet na nią skrót TOE – theory of everything), która wyjaśniałaby w kilku prostych działaniach funkcjonowanie Wszechświata. Einstein po stworzeniu teorii względności sam wierzył, że zbliża się do tego celu. Pojawiła się jednak mechanika kwantowa, która, dotycząc co prawda bardzo małych cząstek, nie była do pogodzenia z obliczeniami wielkiego fizyka. Jakiś czas później na scenę wkroczyła nowa teoria, pretendująca do miana TOE – teoria, a raczej liczne teorie superstrun.

  
Teoria superstrun pojawiła się jako efekt badań nad kwarkami i leptonami. Są to cząstki elementarne, czyli podstawowe – niezwykle małe, które opisywane są przez mechanikę kwantową. Badacze doszli do wniosku, że kwarki nie muszą być cząsteczkami, ponieważ nigdy nie zaobserwowano ich w stanie swobodnym. Dużo bardziej przekonująca wydawała się koncepcja, że tworzone są one za pomocą drgań mikroskopijnych strun. Wyobraźcie sobie strunę gitary. W zależności od miejsca na gryfie, gdzie przyłożycie palec, wydaje ona po potrąceniu różne dźwięki. Podobnie superstruna – w zależności od częstotliwości drgań tworzyłaby ona różne cząstki elementarne – kwarki i leptony.

Superstruny wzbudziły entuzjazm tylu badaczy, gdyż dobrze wyjaśniały oddziaływania między mikroskopijnymi kwarkami. Teoria cechowała się też tak zwaną supersymetrią, co oznacza, że według niej każdej cząstce odpowiada inna cząstka (każda ma swojego partnera). Z teorii wynika również bezpośrednio teoria względności Einsteina, co uspójnia naszą wizję działania Wszechświata. Badacze, między innymi amerykański fizyk i popularyzator nauki Michio Kaku, badając superstruny, połączyli to wciąż hipotetyczne zjawisko z teorią pola, jedną z fundamentalnych dla fizyki (teoria pola leży u podstaw teorii elektromagnetyzmu).

Z teorią superstrun jest jednak jeden poważny problem – wciąż jest eksperymentalnie niesprawdzalna. Jednym z powodów jest ich rozmiar – są wprost niewiarygodnie małe. Średnica superstruny jest 100 trylionów mniejsza od protonu i żadne znane nam urządzenia nie są w stanie ich obserwować. Nie pomogą tu nawet akceleratory cząstek, czyli urządzenia, które przyśpieszają cząstki do bardzo dużych prędkości, by je ze sobą zderzać i w ten sposób badać ich właściwości. Jest zatem możliwe, że strun nigdy nie zobaczymy.

Kolejnym problem z teorią strun, szczególnie dla laików, jest to, że działa ona w dziesięciu lub dwudziestu sześciu wymiarach przestrzennych. Samo to wydaje się nie do pojęcia – przecież żyjemy w przestrzeni trójwymiarowej z jednym dodatkowym wymiarem czasowym, czego dowiódł Einstein. Jak możliwe jest istnienie aż tylu dodatkowych wymiarów i w jaki sposób fizycy wpadli na tak „kosmiczny” pomysł? Wynika to jedynie (i aż!) z obliczeń, również obecnie nie jest sprawdzalne. Jak pisał Michio Kaku „prawa natury upraszczają się, gdy zostają spójnie wyrażone w wyższych wymiarach”. Istnienie tej niezwykłej dla nas hiperprzestrzeni to efekt pogłębiania naszej wiedzy fizycznej i prób uspójniania istniejących już teorii. A jak takie dodatkowe wymiary miałyby wyglądać? Niektórzy fizycy sugerują, że są one „zwinięte” - tak małe, że nieobserwowalne. Czyli, podobnie jak struny zobaczymy je tylko w obliczeniach. Istnieją co prawda pomysły na eksperymentalne udowodnienie teorii superstrun, na przykład poprzez badania na stworzonych w warunkach laboratoryjnych mikroskopijnych czarnych dziurach, ale to jedynie pomysły na przyszłość. Na razie, elegancka teoria wszystkiego – teoria superstrun, pozostaje niesprawdzalna.

piątek, 27 września 2013

Dlaczego statek pływa?

Patrząc na olbrzymie kontenerowce czy wojskowe lotniskowce trudno uwierzyć, jak takie giganty potrafią utrzymać się na wodzie. Wiemy jednak, że nie tylko drewniane łódki czy lekkie kajaki są w stanie pływać. Jak to możliwe?
 

Gdy przedmiot znajduje się na wodzie, wypycha on ciecz, w której się znajduje wytwarzając podtrzymującą go siłę wyporu. Jest ona skierowana przeciwnie do siły ciążenia, czyli w górę. Jej wartość jest równa ciężarowi płynu wypartego przez dane ciało. Jeśli siła wyporu zrównoważy ciężar przedmiotu, może on utrzymać się na wodzie. Ta sama siła odpowiedzialna jest za unoszenie się balonów czy sterowców w powietrzu.

Istotne znaczenie ma tu także całkowita gęstość pływającego przedmiotu. Całkowita gęstość to całkowita masa podzielona przez całkowitą objętość dajmy na to statku. Gdy będzie mniejsza od gęstości wody, statek utrzyma się na wodzie. Ważny jest kształt pływającego przedmiotu. Nie bez powodu łodzie i statki są wydrążone – ich duża część zanurza się pod wodą. Dzięki temu zapewniają odpowiednią siłę wyporu i pływają. Wracając do kwestii gęstości – nie każdy rodzaj cechuje się identyczną gęstością. Słona i zimna woda na przykład mają większą gęstość niż woda słodka czy ciepła. Na bocznej części burty statków rysowane są odpowiednie linie mające ułatwić prawidłowe załadowanie statku, tak aby wiadomo było, jak zachowa się statek po wypłynięciu z portu o słodkiej wodzie na słone morze. Znaki te nazywane są Znakiem Plimsolla lub znakiem wolnej burty i umożliwiają bezpieczniejszą żeglugę dzięki uwzględnieniu zmieniających się okoliczności rejsu.
 

Znak wolnej burty

Gdy już statek znajdzie się na wodzie i zostanie prawidłowo załadowany musi jeszcze zacząć się poruszać. Służą do tego śruby okrętowe, które wprawiając wodę w ruch, wytwarzają silne podciśnienie. Śruby dużych statków są szerokie i zakrzywione. Dzięki swoim rozmiarom nie potrzebują wcale poruszać się szybko, aby nadać statkowi odpowiednią prędkość. Wprawiają w ruch na tyle dużą ilość wody, że wystarczy to do rejsu. Gdy działają, przesuwają wodę w tył statku, ta zaś odpycha łopatki śruby w przeciwnym kierunku. Razem z wytworzonym podciśnieniem tworzy efektywny system napędowy. 

Śruba okrętowa

Rozpędzonym statkiem trzeba kierować. Służy do tego ster, który ukierunkowuje wyrzucaną przez śrubę wodę. Wraz z tymi odchyleniami swój kierunek zmienia też sam statek. Dodatkową pomocą przy manewrowaniem statkiem, szczególnie przy małych prędkościach (na przykład przy cumowaniu) są silniki dziobowe. Są one umieszczane w przedniej części podstawy kadłuba statku. W zależności od tego, którego silnika się użyje, można odpowiednio ukierunkować dziób statku.

Na statkach montowane są także stabilizatory. Jest to rodzaj stateczników umieszczanych z boku kadłuba (tzw. stabilizatory czynne). Znacznie zmniejszają one kołysanie, gdy statek napotyka na wysokie fale. Kierują one strumień wody w górę lub w dół, często automatycznie reagując na sytuację na morzu. Często do ich działania używany jest żyroskop. Istnieją również tak zwane stabilizatory bierne, które wykorzystują przelewanie się wody pomiędzy częściami statku. Stosowane są jednak znacznie rzadziej.

wtorek, 24 września 2013

Zmysły zwierząt - słuch

Zwierzęta potrafią słyszeć od nas znacznie więcej, ale też i... znacznie mniej. Świat ich wrażeń słuchowych jest niezwykle zróżnicowany. Umiejętność odbierania dźwięków wykorzystują w celach godowych, podczas polowania czy też dla ochrony przed drapieżnikami.

W jeden z najdawniejszych typów ucha (jeśli można je tak już nazwać) są kanały boczne u ryb. Znajdująca się w nich płynna substancja odbiera pochodzące z otoczenia drgania, umożliwiając lepszą orientację w otaczającej rybę przestrzeni i pomagając w walce o przetrwanie. U płaszczki, która słyszy jedynie bardzo niskie dźwięki, kanały boczne spotykają się w miejscu, gdzie wykształciły się kamyczki błędnikowe, zwane też otolitami lub statolitami. Jest on elementem nie tylko zmysłu słuchu, ale i równowagi pozwalając zachować w otoczeniu odpowiednią pozycję.
 
Płaszczka rajokształtna

 Z czasem, po wyjściu pierwotnych ryb na ląd i ponownym powrocie do morza kamyczki błędnikowe ewoluowały. Wykorzystanie kosteczek słuchowych i pęcherzy pławnych pozwoliło na znaczne udoskonalenie zmysłu słuchu u ryb, zwiększając zakres odbieranych przez nie dźwięków. Stąd już prosta droga do współczesnego ucha ludzkiego wyposażonego w małżowinę uszną, służącej wzmacnianiu sygnałów dźwiękowych. W naszym narządzie słuchu dźwięk po przebyciu drogi z małżowiny trafia najpierw do błony bębenkowej, której drgania wprawiają dopiero w ruch kosteczki słuchowe – młoteczek, kowadełko i strzemiączko. Dalsza droga wiedzie do ucha wewnętrznego, które przetwarza słyszane dźwięki na składowe harmoniczne i impulsy nerwowe, by przekazań je od mózgu. Ucho wewnętrzne rejestruje również głośność odbieranych dźwięków.
 
Anatomia ludzkiego ucha
  
Wracając do świata innych niż człowiek zwierząt, niezwykle ciekawa jest ich zdolność do słyszenia tego, czego my nie jesteśmy w stanie wychwycić. Mowa o ultradźwiękach i infradźwiękach, czyli dźwiękach bardzo, wysokich lub bardzo niskich. Zakres słyszalnych przez człowieka częstotliwości to pomiędzy 16 – 20 000 Hz. Wszystkie dźwięki poniżej tego zakresu to infradźwięki słyszane na przykład przez słonie czy wieloryby i umożliwia im to porozumiewanie się na wielokilometrowe dystanse (nawet 20 kilometrów!). Dźwięki bardzo wysokie to infradźwięki, które wykorzystują na przykład nietoperze, ryjoskoczki czy fretki. Piski o częstotliwości około 50 kHz wydają z siebie także szczury, na przykład podczas odbywanych przez siebie walk. Ultradźwięki słyszalne są również przez koty, co służy im do skuteczniejszych polowań na myszy.
 

Szczur potrafi wydobywać z siebie piski o częstotliwości nawet 50 kHz! Zdjęcie: AlexK100

Zwierzęta wykorzystujące ultradźwięki potrafią też wykorzystywać je do tworzenia „map” otaczającego ich środowiska i skuteczniejszego polowania. Robią tak nietoperze, które nie tylko słyszą ultra wysokie piski, ale też potrafią je wydawać. Pomaga im to w lokalizowaniu zdobyczy. Podobnie zachowują się wyszukujące ławic krylu płetwale błękitne czy polujące na głowonogi kaszaloty. Pozwala im to na skuteczną lokalizację zdobyczy nawet na odległość dwóch kilometrów! „Mapy” swojego otoczenia z wykorzystaniem ultradźwięków potrafią wykonywać także delfiny i grindwale.

Płetwal błękitny

Jak się okazuje, na tym, czego pozornie (czyli z naszej perspektywy) nie słychać, oparte jest życie bardzo wielu zwierząt. Dla niektórych skuteczny zmysł słuchu to kwestia „być albo nie być”. Są jednak i takie, które żyją w świecie ciszy. To ośmiornice, których brak uszu chroni przed dźwiękami waleni. Dla większości zwierząt słuch jest jednak doskonałym narzędziem dla polowania, ostrzegania się przed drapieżnikami, a także wabienia partnera miłosnym śpiewem.

piątek, 20 września 2013

Neandertalczycy - nasi dawni kuzyni

Człowiek neandertalski to nasz bliski kuzyn, który wymarł około 24 500 lat temu. Pierwszy jego szkielet odkryto w 1856 w Niemczech. Początkowo uważano go za „wcześniejszą wersję” współczesnego człowieka, z czasem jednak okazało się, był on odgałęzieniem naszego gatunku, nie bardziej prymitywną wersją nas samych. Od czasu pierwszych odkryć naukowcy wciąż zadają sobie pytanie – jaki był nasz bliższy krewny, który pierwszy skolonizował Europę i z powodzeniem żył w niej przez ponad 200 tysięcy lat?

Rekonstrukcja grupy neandertalczyków w jaskini St. Michael na Gibraltarze. Zdjęcie: Yuliya S.
  
Neandertalczycy różnili się fizycznie od nas, czyli Homo Sapiens. Byli niżsi, krępi, a budowa ich szkieletu pozwalała na rozwinięcie bardzo silnych mięśni nóg, klatki piersiowej i ramion. Dawało im to dodatkowe możliwości w niesprzyjającym klimacie Europy, gdzie siła fizyczna i wytrzymałość była warunkiem przetrwania. Przy takiej budowie ciała neandertalczyk potrzebował też aż 3000 kalorii dziennie, które pozyskiwał z polowania na grubego zwierza. Trzeba pamiętać, że w okresie największego powodzenia człowieka neandertalskiego w Europie na kontynencie występowały liczne już wymarłe zwierzęta – jak nosorożce, mamuty czy nawet hipopotamy.

Z różnic fizycznych pomiędzy nami a neandertalczykami trzeba wymienić też inny kształt czaszki, z wysuniętą jej przednią częścią, masywną żuchwą i dużymi łukami brwiowymi. Podobnie jak wielu współczesnych Europejczyków byli też często blondynami o niebieskich oczach. Charakteryzowali się szerokimi nosami, które podczas mrozów pozwalały im skutecznie odprowadzać ciepło, co było bezpieczniejsze niż ochładzające ciało pocenie. Ich czaszka, której puszka mózgowa była większa niż u Homo Sapiens, była w porównaniu z naszą spłaszczona i wydłużona.

Neandertalczyków nie należy jednak traktować jako skrajnie różnych od nas. Według badań wykazywali oni bardzo podobne do Homo Sapiens zachowania. Należy do nich pochówek zmarłych czy, według najnowszych badań, zwyczaj zdobienia ciała. Przede wszystkim posługiwali się oni narzędziami i ogniem. Stosowali kamienne groty, krzemienne pięściaki i używali jako broni hartowanych w ogniu włóczni. Prawdopodobnie posiedli umiejętność polowania z nagonką, co bardzo ułatwiało im zdobycie pożywienia. Współczesne badania genetyczne i antropologiczne wskazują też na to, że porozumiewali się nie gorzej niż my – znali mowę, umieli się nawoływać podczas polowania i prawdopodobnie mieli podobnie rozwinięte życie społeczne.

Jedna z różnic pomiędzy naszymi gatunkami polegała na tym, że żyli jedynie w małych grupach. Nie ma dowodów na to, że te kontaktowały się ze sobą, co mogłoby sprzyjać wymianie doświadczeń i rozwojowi. Jest to jeden z przypuszczalnych powodów ich wymarcia. Podczas gdy Homo Sapiens potrafił tworzyć sieci kontaktów, pozwalające mu zdobywać nową wiedzę na temat przetrwania w zmieniających się warunkach, neandertalczyk zdany był tylko na swój klan. Był też mało elastyczny, jeśli chodzi o zmianę diety – polował jedynie na grubą zwierzynę, a gdy tej brakowało, przymierał głodem. Homo Sapiens był bardziej elastyczny, co zapewniało mu przewagę.

Za wymarcie neandertalczyka odpowiedzialny jest najprawdopodobniej klimat, który w Europie intensywnie się zmieniał. Zarówno epoka lodowcowa, jak i zmiany w atlantyckim prądzie Golfsztrom prowadziły do gwałtownego oziębiania się Europy. Mróz nie tylko czynił życie neandertalczyka nieznośnym, ale przyczyniał się też do spadku populacji dużej zwierzyny, na którą polował. Pozbawiony żywności, niezdolny do adaptacji był skazany na porażkę.

Istnieją też hipotezy, że to nasz gatunek przyczynił się do wymarcia neandertalczyka. Nie ma na to jednak przekonujących dowodów. Istnieją za to pewne przesłanki za tym, że wymierająca populacja naszych kuzynów została wchłonięta przez Homo Sapiens. Według badań genetycznych istnieją dowody na niegdysiejsze krzyżowanie się gatunków, co nie dotyczy jedynie ludności rdzennie afrykańskiej. Może zatem mamy w sobie coś z naszych krewniaków, którzy nie całkiem wymarli?

środa, 18 września 2013

Zdobywanie kosmosu - początki

Człowiek od dawna marzył o podboju kosmosu. Na początku XX wieku fantazjowano o możliwym życiu na Księżycu czy na Marsie. Dopiero jednak po drugiej wojnie światowej, wraz ze wzrostem rywalizacji ZSRR i Stanów Zjednoczonych zaczęto realizować plany wyprawy poza Ziemię.

Podstawowym problemem, z którym należało się zmierzyć było wyniesienie statku kosmicznego poza atmosferę naszej planety. Aby to zrobić, trzeba było pokonać olbrzymią siłę ziemskiej grawitacji. Trzeba też pamiętać, że w przestrzeni kosmicznej bezużyteczne są tradycyjne silniki, takie jak odrzutowy (znany już w pierwszej połowie XX wieku) jak i te, gdzie ciąg uzyskuje się za pomocą ruchu śmigła. Jedynym rozwiązaniem tego problemu pozostawało wykorzystanie silnika rakietowego, który rozpędza obiekt przy użyciu wyrzucanych gwałtownie gazów.

O ile pierwsze rakiety prochowe były używane już w XII wieku w Chinach, to dopiero w 1903 Kostantin Ciołkowski opracował zasady budowy rakiety mogącej posłużyć do podróży w kosmos. Prowadzone w kolejnych latach prace zaowocowały stworzeniem przez Niemców w czasie II wojny światowej bojowej rakiety V2, pierwszej, która dotarła do przestrzeni kosmicznej. Po wojennej klęsce Niemiec tamtejsi uczeni zaoferowali swoje usługi Stanom Zjednoczonym i ZSRR (a raczej zostali do tego zmuszeni), gdzie kontynuowali swoje prace nad techniką rakietową.
 
Replika rakiety V2

Podstawowy silnik rakietowy napędzany jest paliwem ciekłym. Umożliwia to jego kilkukrotne uruchomienie, na przykład w celu wykonania manewru. System takiej rakiety opiera się na dwóch komorach – jednej przeznaczonej na paliwo, drugiej na utleniacz. Najczęściej z użyciem napędzanych turbinami pomp oba składniki doprowadzane są do komory spalania. Ich ilość regulowana jest przez zawory. Często jako dodatkowe silniki używano silników na paliwo stałe, które działają podobnie do sylwestrowej racy. Działa on z dużą mocą, ale w sposób niekontrolowany, aż do wypalenia się paliwa.

Rakieta kosmiczna musi pokonać odległość 100 km nad powierzchnię Ziemi, czyli dotrzeć do tak zwanej linii Karmana. Unosi się z platformy startowej składającej się z wieży i tunelu stanowiącego ujście dla płomieni wydobywających się z silnika. Dzięki platformie rakieta może zostać ustawiona we właściwej, pionowej pozycji startowej.
 
Test rakiety w ramach programu amerykańskiego projektu Vanguard. Rok 1955.

Pierwszą udaną próbą eksploracji kosmosu było wyniesienie na orbitę przez ZSRR Sputnika 1, który 4 października 1957 roku został sztucznym satelitą Ziemi. Rozpoczął tym samym wyścig kosmiczny między badaczami radzieckimi i amerykańskimi. Sam Sputnik, mimo swojej nieskomplikowanej konstrukcji, osiągnął sukces, okrążając Ziemię 1400 razy, przed spłonięciem w atmosferze. Za pomocą anten nadawał też sygnał radiowy, rejestrowany na Ziemi.

Makieta Sputnika 1

Amerykańską odpowiedzią na Sputnika był w 1958 roku satelita Explorer 1, który jednocześnie był pierwszym satelitą pełniącym misję naukową. Badał promieniowanie kosmiczne, rejestrując dane na taśmie magnetycznej i przesyłając dane na Ziemię. Działał dzięki bateriom.
 
Amerykański Explorer 1
  
Po obiecujących początkach pierwszych sztucznych satelitów wyścig kosmiczny pomiędzy konkurującymi ze sobą Stanami Zjednoczonymi i ZSRR nabierał rozpędu. Kontynuowana byłą misja Explorerów, które przeprowadzały badania pomiary cząstek naładowanych uwięzionych w ziemskich pasach radiacyjnych czy badania geofizyczne. Radziecką odpowiedzią było między innymi umieszczenie na orbicie pierwszego automatycznego obserwatorium astrofizycznego – Sputnika 3. Już w 1959 sięgnięto też dalej – radziecka Łuna 1 dokonała pierwszego przelotu w pobliżu Księżyca, a ich wyczyn miesiąc później powtórzyli Amerykanie. Był to jednak dopiero początek emocjonującej rywalizacji, która zaowocowała niezwykłym poszerzeniem naszej wiedzy o Wszechświecie.

piątek, 13 września 2013

Egzotyczne torbacze

Człowiek, podobnie jak 95% wszystkich ssaków, należy do tak zwanych łożyskowców, czyli ssaków posiadających łożysko. Dzięki niemu zarodek może pobierać z krwi matki tlen i pokarm, by rozwijać się aż do momentu, gdy mały człowiek będzie gotowy do narodzin. Istnieją jednak ssaki, które funkcjonują inaczej. Są to jajorodne stekowce jak dziobak czy kolczatka oraz egzotyczne dla nas torbacze. Przyjrzyjmy się tym drugim.
 
Koala

Torbacz rodzi się niezwykle wcześnie, po krótkiej, trwającej kilka lub kilkanaście dni ciąży. Jest niezwykle mały – koala na przykład waży około pół grama! Mimo takich rozmiarów i wczesnego etapu rozwoju (ma zamknięte oczy i uszy oraz nie jest jeszcze porośnięty futrem) musi sam znaleźć drogę do specjalnej, utworzonej ze skóry torby, w którą wyposażona jest jego matka. Tam przysysa się do sutka. W torbie spędza około pięciu miesięcy, by po tym czasie rozpocząć pierwsze samodzielne wycieczki poza bezpieczne schronienie. Wraca jednak, by się odżywiać, także w sposób może dla nas niezbyt apetyczny – spożywa także wydalane przez odbyt matki na wpół strawione liście eukaliptusa. Pozwala mu to nabyć umiejętności tych twardych i częściowo toksycznych liści, które są podstawą pożywienia dorosłego koali.
 

Kangur rudy

Koala ma torbę zwróconą ku dołowi, podobnie jak spokrewniony z nim wombat. U większości torbaczy torba brzuszna zwrócona jest jednak ku górze, tak jest na przykład u kangura. Istnieje jednak nieliczna torbaczy w ogóle pozbawionych torby. W ich przypadku młode wczepia się w futro matki i przysysa do sutka. W każdym z tych przypadków dla ssaków pozbawionych łożyska wyprawa do źródła pokarmu tuż po wczesnych narodzinach jest nie lada wyczynem. Dwucentymetrowy kangurek musi odbyć po futrze matki aż 20 centymetrową podróż do torby matki posługując się właściwie tylko węchem i mając za wsparcie chwytne przednie kończyny. W przypadku największego torbacza – kangura rudego – przebywa w torbie brzusznej jeszcze przez ponad 200 dni. Dopiero po tym czasie jest zdolny do samodzielnego życia.
 
Świat torbaczy jest bardzo zróżnicowany. Słusznie jednak kojarzymy je z Australią, gdyż właśnie w jej rejonie głównie występują. Dotarły tam z Ameryki Południowej przez Antarktydę i utrzymały ważną pozycję. Na innych kontynentach spotkać je można jedynie w Ameryce Południowej właśnie oraz Ameryce Północnej (występuje tam tylko jeden gatunek). Jedną z liczniejszych rodzin torbaczy jest rodzina kangurowatych. Oprócz wspomnianego kangura rudego, który jest największym członkiem rodziny, należy do niej jeszcze 50 gatunków. Ten symbol Australii znany jest między innymi z charakterystycznego sposobu poruszania się – poprzez skoki. Jeden skok może mierzyć nawet siedem metrów, dzięki czemu niektóre kangury potrafią rozwijać prędkość aż 60 kilometrów na godzinę.

 
Lotopałanka. Zdjęcie: Wm Jas

Ważną grupą torbaczy są torbacze nadrzewne. Oprócz znanego wszystkim koali warto wspomnieć też o innych gatunkach. Są to na przykład torbacze latające. Nie latają one w pełnym znaczeniu tego słowa jak nietoperze – szybują pomiędzy drzewami, wykorzystując boczne fałdy skóry. Potrafią w ten sposób pokonać aż 100 metrów! Zalicza się do nich lotopałanka, która wykorzystuje charakterystyczny ogon jako ster podczas lotów. Spokrewniona jest z nią wolatucha, która, podobnie jak koala, żywi się jedynie liśćmi eukaliptusa. Ta, dla odmiany, jest mało ruchliwa. Na drzewach żyją jeszcze, jak sama nazwa wskazuje, drzewiaki oraz kuskusy. Zarówno jedne, jak i drugie żywią się liśćmi i owocami.

 
Mrówkożer workowaty. Zdjęcie: Stephane Bortzmeyer

Wśród torbaczy spotkać możemy też zwierzęta skrajnie różne od znanych nam koali czy kangurów. Być może istnieje jeszcze przypominający psa wilk workowaty (być może, gdyż w 1986 został uznany za gatunek wymarły, jednak od tego czasu znajdowano jeszcze tropy należące do tego zwierzęcia). Spotkać możemy też maleńkie myszy workowate, żywiące się mrówkami i termitami workowate mrówkożery, a nawet ryjące pod ziemią krety workowate. Torbacze, chociaż wyparte przez ssaki wykorzystujące w rozrodzie łożysko nadal funkcjonują w ekosystemie, coraz skuteczniej chronione przed wymarciem.

wtorek, 10 września 2013

Kaniony - jak woda drąży skałę

Jesteśmy na co dzień oswojeni z wodą, pijemy ją i sami w większości się z niej składamy. Dlatego trudno uwierzyć jak wielką potrafi mieć siłę, kształtując ziemski krajobraz w często najbardziej fantastyczne formy.

Wielki Kanion Kolorado

Kanion jest długą i wąską doliną rzeczną o stromych, skalistych zboczach. Od wąwozów różnią się skalą – są znacznie większe, a od dolin nachyleniem zboczy. Te drugie powstają raczej na terenach bardziej wilgotnych, gdzie erozja (czyli proces zmiany powierzchni terenu) następuje mniej gwałtownie ze względu na częstość opadów. Na terenach o klimacie suchym, półpustynnym i pustynnym o małej ilości opadów wartkie rzeki decydują o tym, że erozja ma bardziej „zdecydowany” charakter. Podstawowe znaczenie przy tworzeniu się kanionu ma bowiem prędkość rzeki. Rzeki górskie, ze względu na duży spadek terenu i przez to większą szybkość przemieszczania się wody, torują sobie drogę przez skały w sposób gwałtowny. Nanoszony przez nie materiał skalny rzeźbi teren bardziej zdecydowanie.

Istotny jest też rodzaj skał, jakie napotyka na swojej drodze rzeka. W przypadku terenu miękkiego utworzona zostanie raczej dolina, gdy jednak są to skały twarde (na przykład wapienie) powstanie wąskie, z trudem wyrzeźbione przez wodę koryto, gdzie nurt rzeki będzie bardzo wartki. Kanion rzeźbiony jest „w dół” nie „w poprzek”, energia rzeki wciąż pogłębia tworzone koryto, sprawiając, że jego brzegi są coraz wyższe.

Istnieją różne rodzaje kanionów, gdyż w różnych warunkach się one tworzyły. Spotykamy je w terenach bardzo suchych, gdzie w porze opadów są zasilane przez bardzo gwałtowne deszcze, które przyspieszają erozję, podczas gdy przez pozostałą część roku są niemalże pozbawione wody. Są również kaniony polodowcowe, długie i wąskie utworzone przez wodę z gwałtownie topniejącego lodowca.
Wielki Kanion Kolorado, zdjęcie: Marcin Klapczynski

Do najbardziej znanych i spektakularnych kanionów należy Wielki Kanion Kolorado w Arizonie, który ma długość 446 kilometrów, szerokość w najszerszych miejscach 29 kilometrów, a głębokość ponad 2 kilometrów. W wyniku szybkiego nurtu rzeki Kolorado spowodowanego podnoszeniem się terenu, wąski wąwóz stopniowo zmienił się w imponującą formę skalną. Zbudowana jest ona głównie z łupków krystalicznych, granitów, piaskowców i wapieni. Niezwykłe jest, że ze względu na głębokość kanionu możemy prześledzić w nim geologiczną historię regionu od proterozoiku (trwający od 2,5 mld do 542 mln lat temu) aż po trias (który zakończył się 201 milionów lat temu). Można w nim zatem znaleźć liczne skamieniałości z bardzo długiego okresu. Istotny wpływ na kształt kanionu miała nie tylko działalność rzeki Kolorado, ale też inne formy erozji skał jego brzegów – na przykład poprzez działalność wiatru.

Kanion Colca w Peru, zdjęcie: Charles Gadbois

Do innych imponujących kanionów należą niewątpliwie wąwozy Iczang wyżłobione przez rzekę Jangcy w Chinach (która potrafi osiągać głębokość aż 180 metrów, co czyni z niej najgłębszą rzekę świata), kanion Colca w Peru czy kanion rzeki Verdon we Francji. Ściany tego ostatniego mają do 700 metrów i zbudowane są z malowniczych skał wapiennych.


Kanion rzeki Verdon

Co prawda kaniony powstają bardzo wolno, bo od tysięcy do aż milionów lat, ale i tak dają nam obraz tego, jak potężną i konsekwentną w działaniu siłą jest woda. No i pozwalają się podziwiać.

piątek, 6 września 2013

Zejście na ląd - pierwsze płazy

Według naukowców, większość powierzchni Ziemi od początku jej istnienia pokrywała woda. Stopniowo parująca woda odsłaniała coraz większe fragmenty lądu. Niektóre ze zwierząt pierwotnie zamieszkujących wody, zaczęły wychodzić na ląd, co wymagało wielu zmian w ich budowie. O tym, jak wyglądały te przemiany, możemy dowiedzieć się ze skamielin.
Jednym z najstarszych przykładów zwierzęcia stanowiącego pośrednie ogniwo między rybami a lądowymi kręgowcami jest pochodzący z dewonu Ichtyostega, rybopłaz będący najstarszym znanym tetrapodem (czworonogiem).  Jego szczątki odkryto w 1932 roku w pochodzących z dewonu skałach osadowych liczących około 365 mln lat we wschodniej Grenlandii. Ichtiostega mierzyła około 100-120 cm długości, miała rybią łuskę i typowy dla ryby ogon, poruszała się jednak na czterech nogach z palczastymi stopami. Dorosły osobnik nie miał skrzeli i oddychał płucami otoczonymi klatką piersiową.

Model Ichtyostegi. Zdjęcie: Dr. Günter Bechly

Aby poruszać się po lądzie, zwierzęta musiały wykształcić kończyny. Łopatkowate płetwy ryb trzonopłetwych zawierały kilka kości stanowiących oparcie dla tkanek miękkich. Stopniowo kości wzmacniały się, aby w końcu przekształcić się w kości nogi i stopy, jak u sejmurii, która jest prawdopodobnie ogniwem pośrednim między płazami, a gadami i to właśnie z niej mogą wywodzić się pierwsze gady – kotylozaury.



Wizualizacja Eryopsa. Zdjęcie: Nobu Tamura

Jednym z rekordzistów, jeśli chodzi o rozmiar, był wśród kopalnych płazów Eryops, który osiągał długość do 1,80. Potężniejszy był jednak Mastodonsaurus - sama jego wyjątkowo płaska czaszka mierzyła ponad metr długości. Bytował on głównie w wodzie ze względu na swój ciężar, któremu nie odpowiadały odpowiednio mocarne łapy.


Mastodonsaurus. Rysunek: Dmitry Bogdanov

Na podstawie budowy zębów pierwszych płazów można stwierdzić, że przebywały one blisko wody, a ich pokarmem były głównie ryby i owady. W tamtym okresie niektóre z nich dorastały dużych rozmiarów, co tym bardziej sprzyjało takiej diecie. Dalej na ląd zapuściła się już kolejna rodzina zwierząt - gady, które porzucić nadwodny tryb życia mogły dzięki znoszeniu jaj w twardych skorupach oraz twardym łuskom. Pojawiły się one na większą skalę około 300 milionów lat temu, a najstarsza ich skamieniałość to jaszczurka zwana Lizzie, którą chodziła po Ziemi przed 350 milionami lat.

wtorek, 3 września 2013

Podziemne skarby - paliwa kopalne

Świat czerpie energię głównie spod ziemi. Oczywiście nie brakuje prób, by ten stan zmienić, zarówno dla dobra środowiska naturalnego, które na tym cierpi, jak i dla bezpieczeństwa naszej cywilizacji, dla której bogactwa paliw kopalnych nie są nieograniczone.

Antracyt
  
Paliwa kopalne to substancje powstałe z rozkładu związków organicznych (czyli na przykład pozostałości dawnych drzew), które przez bardzo długi czas były pod ziemią. Brak dostępu powietrza i duże ciśnienie, jakiemu były poddane sprawiły, że „zmieniły się nie do poznania”, stając się dla nas wygodnym, skoncentrowanym źródłem energii.

Węgle kopalne powstały na skutek gromadzenie się materii roślinnej na obniżających się miejscach skorupy ziemskiej. Tworzywem dla węgla była pradawna roślinność, taka jak widłaki, skrzypy czy późniejsze drzewa iglaste. Wyróżnia się węgle humusowe, które powstały z pozostałości roślinności naziemnej, sapropelowe, tworzone przez roślinność wodną oraz żywiczne węgle liptobiolitowe.

Węgle kopalne dzielą się na rodzaje zależne od zawartości w nich czystego węgla. Najwięcej ma go antracyt, bo aż 97%. Zalicza się on do węgla kamiennego, który ma od 78% czystego węgla pierwiastkowego, co czyni z niego niezwykle cenny materiał energetyczny. Większość tego typu węgla zalicza się do węgli humusowych. Znaleźć go można w pokładach z okresów karbonu i permu, a także triasu, jury i kredy. Spośród krajów, gdzie występuje można wymienić Polskę, Rosję czy USA.

Węglem o mniejszej zawartości „węgla w węglu”, czyli czystego węgla pierwiastkowego w całym surowcu jest węgiel brunatny. Zawiera on go między 65-78%. Produkuje się z niego koks, przetwarza na brykiety i wykorzystuje w elektrowniach. Innym jeszcze paliwem kopalnym jest torf, który powstaje z obumarłej roślinności bagiennej. Proces zwany torfieniem, który przebiega przy słabym dostępie powietrza i dużej wilgotności wzbogaca materię roślinną w węgiel i azot. Ostatecznie procent pierwiastkowego węgla osiąga w torfie około 60%. Typy torfu ustalane są na podstawie roślinności, z której powstał – rozróżniamy na przykład torf trzcinowy, mszysty czy drzewny. Użytkowany jest jako żyzna gleba, nawóz, ściółka, a także jako materiał opałowy.

Jedną z substancji podstawowych dla współczesnej gospodarki jest ropa naftowa. Według powszechnie przyjętej teorii o jej organicznym pochodzeniu powstała ona z przeobrażenia mułów i humusów osadzonych w basenie sedymentacyjnym (czyli w naturalnym zagłębieniu w skorupie ziemskiej, obniżonym w stosunku do innych obszarów) w odpowiednim środowisku. Ciśnienie, któremu poddana jest skała macierzysta, sprawia, że ropa naftowa migruje do tak zwanych skał zbiornikowych, skąd może być wydobywana. Chociaż ropa naftowa kojarzy nam się jednoznacznie z epoką przemysłową znana była już w starożytności. Używana byłą między innymi jako paliwo lamp czy do balsamowania zwłok, jednak jej wydobycie było ograniczone do miejsc naturalnych wypływów. Dopiero epoka współczesna wraz z powstaniem rafinerii ropy naftowej nadała tak wysoką rangę temu surowcowi.

Ważnym paliwem kopalnym jest także gaz ziemny. Rozróżniany jest gaz ziemny suchy z mniejszą ilością ciekłych węglowodorów i mokry z większą ich ilością. Gaz ziemny powstaje na skutek takich procesów jak ropa naftowa i występuje głównie w piaskowcach czy wapieniach, a także szczelinach skał magmowych.

Obecnie podejmuje się wiele starań, aby odejść od dominujących w energetyce paliw kopalnych na rzecz odnawialnych źródeł energii, takich jak energia wiatrowa czy słoneczna. Nadal jednak technologie, które je wykorzystują, nie są na tyle wydajne i ekonomiczne, aby myśleć o całkowitej rezygnacji z podziemnych skarbów. Alternatywna dla nich energia atomowa także, ma licznych przeciwników. Najbliższe dziesięciolecia pokażą, czy ludzkość nauczy się żyć bez energii spod ziemi, szczególnie przy zagrożeniu kończenie się jej zasobów.  

piątek, 30 sierpnia 2013

Tajemniczy świat kwantów

Świat wielkich ciał niebieskich, takich jak planety, gwiazdy czy galaktyki jest fascynujący a mechanizmy ich ruchu i wzajemnych oddziaływań są już dobrze znane teoretykom mechaniki klasycznej. Nie mniej ciekawy jest jednak mikroświat zjawisk najmniejszych. Tajemnicami, które kryje, zajmuje się fizyka kwantowa.


Kwant to najmniejsza porcja energii, czasu czy innego zjawiska fizycznego. Mechanika kwantowa bada ruch obiektów w tym mikroświecie, skupiając się na atomach i cząstkach elementarnych. Jej powstanie wiąże się z odkryciem, że w opisie ruchu elementów atomu nie sprawdzają się zasady mechaniki klasycznej, czyli tej opisującej ruch większych ciał. Okazało się bowiem, że elektrony przemieszczają się w zupełnie niespodziewany sposób – zmieniają swoją orbitę gwałtownie, wraz z błyskiem fotonu, zamiast krążyć „spokojnie” niczym planety wokół Słońca. Odkrywcą tego zjawiska był Niels Bohr, fizyk, który zauważył, że zmiana orbity elektronu następuje wraz z pochłonięciem przez niego kwantu światła, po czym po jego oddaniu powraca na pierwotną orbitę. Tak zwany „przeskok” kwantowy był sprzeczny z postrzeganiem ruchu ciał, do jakiego jesteśmy przyzwyczajeni – był gwałtowny niczym znana z filmów science fiction teleportacja. Nowe „orbity” elektronów nazwane zostały liniami spektralnymi. Uzupełnieniem teorii Bohra, który za swoje dokonania otrzymał nagrodę Nobla, było odkrycie Wolfganga Pauli, według którego w jednym stanie kwantowym (czyli jakby na jednej „pozycji” elektronu) może znajdować się tylko jeden elektron.

„Teleportacja”, której towarzyszy błysk światła to tylko jedno z szeregu tajemniczych zjawisk świata mikrocząstek. Równie niezwykła jest zasada nieoznaczoności. Według niej nigdy nie możemy być pewni, gdzie w danym momencie w atomie znajduje się elektron. Werner Heisenberg, którego odkrycie leży u podstaw mechaniki kwantowej uważał, że świat na poziomie atomowym jest rozmyty i niemożliwy do dokładnego zmierzenia. Wszystkie zjawiska są zatem jedynie przypadkowe, z czym nigdy nie pogodził się twórca teorii względności Albert Einstein, powtarzając słynne zdanie, że „Bóg nie gra w kości”. Nowo powstałą mechanikę kwantową uzupełniały rozważania Erwina Schrödingera, który twierdził, że elektrony wykazują zachowania falowe.

Erwin Schrödinger był także autorem słynnego eksperymentu myślowego zwanego „kotem Schrödingera”, który pokazuje jeszcze większą niezwykłość świata kwantów. Rozważając sytuację urządzenia, które nieszczęsnego kota zamkniętego w pudełku może na 50% pozbawić życia, doszedł do wniosku, że według mechaniki kwantowej dopiero po otwarciu pudełka można stwierdzić, czy kot ocalał, czy też poległ w służbie nauki. Do tego czasu funkcjonuje on w tak zwanym stanie „superpozycji”, czyli pozostaje równocześnie żywy i martwy. Trudny do zrozumienia paradoks prowadzi do wniosku, że to obserwator decyduje o stanie obiektu, dzięki samemu aktowi obserwacji. Przypisana mu zatem zostaje niezwykła moc wpływania na kształt rzeczywistości.

W mechanice kwantowej podobnych niezwykłości jest mnóstwo i trudno się tutaj nad nimi rozpisywać. Wspomnimy jeszcze tylko o jednej przedziwnej właściwości cząstek w mikroświecie – zjawisku splątania kwantowego. W eksperymentach przeprowadzanych na fotonach pozostających ze sobą w układzie (tak zwanym „singlecie”) dowiedziono, że zmiana właściwości jednego z nich wpływa na zmianę drugiego. Nie byłoby może w tym nic aż tak zaskakującego, gdyby nie to, że po oddaleniu elementów układu od siebie nadal na siebie wpływały. Oznacza to, że dwie cząsteczki będące w jednym układzie umieszczone na dwóch krańcach Układu Słonecznego, a nawet w dwóch różnych galaktykach nadal oddziaływałyby na siebie. Byłoby to nic innego jak komunikacja z nieskończoną prędkością. Albert Einstein, który uznawał prędkość światła za maksymalną do osiągnięcia we Wszechświecie, nazywał tę właściwość cząstek „upiornym działaniem na odległość”. O jej „upiorności” można dyskutować, bez wątpienia jednak zjawisko to pokazuje niezwykłość świata mechaniki kwantowej.