Nimam časa

Kakšna sreča, da ima letos februar dan več! Ko pa nam časa vedno bolj primanjkuje. V čast prestopnemu letu smo v Znanstveni redakciji Radia Študent pripravili Frequenzo della Scienzo o težko dojemljivi fizikalni količini, ki nam ne pusti počivati. Prisluhnite oddaji o času.

Živali ne moremo vprašati, ali vedo, koliko je ura. A vseeno vemo, da vsaj nekatere čas zaznavajo drugače kot mi. V znanstveni reviji Animal Behaviour so pred leti poročali o spoznanju, da imajo živali različno sposobnost zaznavanja vidnih sprememb v njihovem okolju. Če poenostavimo, lahko zaznavanje vidnih sprememb pri živalih razumemo kot dojemanje časa.

Znanstvenice in znanstveniki so v omenjeni raziskavi zbrali podatke o presnovi, teži živali in njihovi zaznavi frekvence utripanja. Meritev kritične fuzije utripov omogoča pridobitev podatkov o zaznavi svetlobnih informacij, saj izmerijo najnižjo frekvenco utripanja, pri kateri žival še vidi konstantno svetlobo in ne posameznih utripov.

Raziskava je pokazala, da živalim s hitrejšo presnovo in lažjim telesom čas mineva počasneje. V krajšem času sprejmejo več svetlobnih informacij kot večje živali s počasnejšo presnovo. Nekatere živali tako v enakem časovnem obdobju zaznajo kar štirikrat več svetlobnih signalov v eni sekundi kot pa ljudje. 

Muhe na primer vidijo kar 250 sličic na sekundo, medtem ko jih ljudje vidimo le 60. Ta spremenjena frekvenca zaznavanja signala jim omogoča zaznavanje sveta skozi počasno kamero. Ravno to brenčečim in nadležnim muham omogoča, da vsakič pobegnejo pred našim udarcem, ki bi jih pokončal. Sposobnost tako hitrega sprejemanja vidnih dražljajev naj bi živalim omogočila pobeg pred plenilci in tudi olajšala ulov hitrega plena.

Predstavili smo preprosto zaznavanje časa pri živalih, povezano s sprejemanjem svetlobnih dražljajev. Ko pridemo do časa, kot si ga predstavljamo ljudje, se v zaznavanje vključi spomin. Raziskovalke in raziskovalci kognicije živali si niso enotni, ali so tudi živali sposobne tako imenovanega mentalnega potovanja v času. Kar nekaj raziskav govori v prid tej sposobnosti, sicer pa mnoge raziskave pri živalih na tem področju še potekajo.

Kot osnovno zaznavo časa pri ljudeh pojmujemo sposobnosti ločevanja različno trajajočih dogodkov. Gre za tako imenovano implicitno predstavo časa, ki jo imamo že kot dojenčki. Ko otroci odraščajo, počasi razvijejo sposobnost določanja eksplicitne ocene časa trajanja. V preizkusih, pri katerih preverjajo sposobnost zaznavanja eksplicitnega časa, udeleženke in udeležence vprašajo, koliko časa se je na primer predvajala glasba. Na podlagi takšnih raziskav so študije razvojne kognicije pokazale, da otroci pri desetih letih že vedo vse o poteku časa, kot ga razumemo v vsakodnevnem življenju.

Drugače pa čas zaznavajo otroci in odrasli, ki imajo na primer motnje pozornosti s hiperaktivnostjo. Njim naj bi čas mineval počasneje. Prav tako naj bi se dojemanje časa spremenilo, ko imamo vročino. Obstaja tudi teorija o tem, da se zaznavanje časa spreminja glede na primerjavo med določenim časovnim obdobjem in dolžino našega življenja. Ko smo stari eno leto, to leto predstavlja celotno naše življenje. Pri tridesetih pa je eno leto le tridesetina življenja. To hipotezo je denimo predpostavil filozof Paul Janet. Marsikje lahko tudi preberemo, da se subjektivno zaznavanje časa spremeni, ko se postaramo. William James, eden izmed očetov psihologije, je že leta 1890 zapisal, da čas mineva hitreje, saj se v odraslosti zgodi manj trenutkov, ki si jih je vredno zapomniti.

Znanstvene raziskave, ki so sledile v drugi polovici 20. stoletja, pa so odkrile predvsem jasno povezavo med zaznavo časa in časovnim pritiskom. Ko smo v časovni stiski in nam na primer pretijo roki za oddaje, se zaznava časa spremeni, saj se zdi, kot da čas dobesedno brzi mimo nas.

Na zaznavanje časa seveda lahko vplivajo tudi mnogi drugi faktorji, denimo zaužitje psihoaktivnih substanc. Čas je očitno, vsaj kadar govorimo o človeški zaznavi, še kako relativen! Relativnost časa pa ima tudi fizikalni pomen. To bomo predstavili v nadaljevanju oddaje.

Čas v fizikalnih teorijah zaseda pomembno vlogo. Še posebej je to postalo očitno na začetku dvajsetega stoletja, ko je Einstein v svojih teorijah relativnosti ta navidezno preprost fizikalni koncept postavil na glavo.

V klasični mehaniki, ki ji je matematično obliko v 17. stoletju začrtal Isaac Newton, čas ni osrednji pojem teorije, temveč njena predpostavka. Za Newtona je čas absoluten, kar pomeni, da se vsi opazovalci strinjajo o času dogodkov; ve se, kateri od dveh dogodkov se je zgodil prvi, če se zgodita istočasno, pa se o tem tudi vsi strinjajo. Podobno nedvoumen je pojem trajanja, saj lahko časovno razdaljo med dogodki jasno določimo.

V klasični mehaniki mora biti čas zvezen, kar pomeni, da teče neprekinjeno. Le tako lahko namreč definiramo hitrost in pospešek z odvodom kot trenutno, neskončno majhno spremembo v času.

Newtonova predpostavka je torej, da je svet opremljen z nekakšno glavno uro, ki jo upoštevajo vsi fizikalni dogodki. Klasičen čas zato izpade kot enovit koncept. V resnici pa združuje več specifičnih lastnosti, ki so se v preteklosti zdele samoumevne, a so dejansko med seboj ločljive. Ta grobi koncept časa obsega pojme, kot so vrstni red, zveznost, trajanje, istočasnost, dodatno pa še tok časa in njegovo smer. V nadaljevanju oddaje se bomo posvetili omenjenim značilnostim časa in vas poskusili prepričati, da so manj samoumevni, kot morda delujejo na prvi pogled.

Najprej pa se vprašajmo, zakaj se v vsakdanjem življenju premikamo le iz sedanjosti v prihodnost. Smer časa je namreč tesno povezana z drugim zakonom termodinamike. Kaj pravi ta zakon, nam razloži dr. Simon Čopar, asistent na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani.

 

IZJAVA

 

Drugi zakon termodinamike torej razloži, zakaj ne vidimo razbitih kozarcev, ki bi se nazaj sestavljali sami od sebe. Gre za enega od temeljnih fizikalnih zakonov. Svojo zaverovanost vanj je z naslednjimi besedami izrazil angleški astrofizik Sir Arthur Eddington:

»Zakon, ki pravi, da se entropija vedno povečuje, ima vrhovno pozicijo med zakoni narave. Če tvoja mala teorija vesolja ni skladna z Maxwellovimi enačbami, toliko slabše za Maxwellove enačbe. Če ji nasprotujejo meritve – no, ti eksperimentalci včasih kaj zamuštrajo. Če pa se tvoja teorija ne sklada z drugim zakonom termodinamike, je stvar brezupna; preostane ji le, da se zgrudi, globoko osramočena.«

Nekateri procesi pa sami od sebe potekajo le v eno smer. Pravimo, da so ireverzibilni. To je natančneje opisal dr. Čopar.

 

IZJAVA

 

Ta obrnljivost pojavov določa torej smer ali puščico časa, ki kaže v prihodnost, k vedno večjemu neredu. Vendar pa to ne pomeni nujno, da tudi sam čas teče v prihodnost. Tako kot kompasova igla, ki kaže na sever, ne pravi, da se kompas kam premika, tudi puščica časa predstavlja le njegovo asimetrijo, ne premikanja.

V zemeljskem gravitacijskem polju se lahko dogovorimo, kaj je gori in kaj doli. Vendar pa ne obstaja splošen pojem »gornosti« ali »dolnosti«. Enako lahko v skladu z drugim zakonom termodinamike določimo, kateri dogodek se je zgodil prej in kateri je prišel kasneje, ne moremo pa govoriti o splošni preteklosti ali prihodnosti. Povedano drugače, tako kot gravitacijsko polje vzpostavi asimetrijo v prostoru, drugi zakon termodinamike opisuje asimetrijo sveta v času, ne pa časa samega. Dejansko za nekatere fizikalne procese smer časa ni prav nič pomembna, kar je dodal tudi dr. Čopar.

 

IZJAVA

 

Če želimo govoriti o toku samega časa, se lahko pri tem hitro zatakne. Že odgovor na vprašanje, kako hitro čas mineva, ni enoznačen. Jasno ni niti, kakšen odgovor lahko pričakujemo. Izjava, da čas mineva eno sekundo na sekundo, je seveda tavtološka.

Minevanje časa in njegovo klasično pojmovanje je pod vprašaj najbolj postavil Albert Einstein. Trirazsežen prostor je s časom združil v štiridimenzionalno prostorčasje, pri čemer čas ni »le« četrta prostorska dimenzija, ampak ohranja svojo kvalitativno drugačno naravo.

Ena od posledic Einsteinove posebne teorije relativnosti je, da čas za različne opazovalce mineva različno hitro, glede na njihovo hitrost premikanja. Z združitvijo časa in prostora v prostorčasje se opazovalci strinjajo o razdalji med dogodki v tem štiridimenzionalnem konstruktu. Glede na hitrost premikanja pa se lahko njihove meritve o le časovni ali zgolj prostorski ločenosti dogodkov razlikujejo. Iz tega razloga se lahko nekaj, kar se za mirujočega opazovalca zgodi istočasno, za potujočega opazovalca zgodi s časovnim zamikom.

V splošni teoriji relativnosti je Einstein opisal takšno raztezanje časa pod vplivom gravitacije. Že sam opis gravitacije v njegovi teoriji je izjemen, saj je ne obravnava kot zunanje sile, ki deluje na telesa, ampak kot deformacijo prostorčasja samega. Masivna telesa ukrivijo prostorčasje, s tem pa spremenijo tudi trajanje dogodkov. Ta pojav je popularno ilustriral film Medzvezdje oziroma Interstellar.

Nauk je v obeh teorijah relativnosti enak: trajanje časa in istočasnost nista absolutna koncepta. Pojma preteklosti in prihodnosti nista le odvisna od dogodkov v času, ampak so relativne tudi oznake dogodkov, kot sta prej in potem. Pri tem je vredno opozoriti, da se za čiste časovne dogodke, torej take, ki se zgodijo na enem mestu, vsi opazovalci strinjajo o njihovem zaporedju, ne glede na lastno hitrost gibanja. Vzročnost in drugi zakon termodinamike tako tudi v teoriji relativnosti nista relativna.

Če pa je čas tako relativen, se lahko vprašamo, zakaj je sploh še uporaben. Nekateri fiziki, kot je Paul Davies, izpostavljajo, da je čas morda le nadomesten koncept, s katerim preprosteje opišemo spremembe sveta. Namesto njega bi morebiti zadoščal tudi opis nekega dogodka glede na neke druge spremembe. Kljub temu je občutek minevanja časa za človeško zavest težko zanemarljiv pojav. Dr. Simon Čopar s fakultete za matematiko in fiziko je namignil, zakaj bi lahko bilo tako.

 

IZJAVA

 

Za merjenje časa pa njegovo minevanje ni pomembno. Ne glede na to, ali za standard vzamemo kroženje Zemlje okrog Sonca ali svoje osi, nihanje uteži, nihajne ure ali nihanje kvarčnega kristala, gibanje v času vedno vzporejamo nekim drugim spremembam. Več o merjenju časa boste izvedeli v nadaljevanju oddaje.

 

KOMAD

 

Pozdravljeni nazaj v oddaji Frequenza della Scienza, v kateri govorimo o času. Od percepcije časa in njegove relativnosti se zdaj premaknimo k problemu merjenja časa in definiciji sekunde. O merjenju časa govori prof. dr. Janko Drnovšek, predstojnik laboratorija za metrologijo in kakovost na ljubljanski fakulteti za elektrotehniko:

 

IZJAVA

 

Ljudje si pri merjenju časa oziroma trajanja pomagamo s periodičnimi, ponavljajočimi se pojavi. To je lahko kroženje Zemlje okoli Sonca, lahko pa je nihanje kovinske uteži pri stenski uri. Podobno kot niha nihalo pri uri pa na primer nihajo tudi glasbene vilice, ki proizvajajo glasbeni ton.

Vsako nihajoče telo ima svojo resonančno frekvenco. To pomeni, da začne ob vzbujanju z določeno frekvenco še močneje nihati oziroma oscilirati. Ob visoki glasnosti pri poslušanju glasbe se bodo ob določenih tonih v vaši sobi zaradi resonance začeli slišno tresti določeni predmeti, na primer stekla v oknih. Resonančno frekvenco pa imajo tudi manjši materiali, kot je denimo kvarčni kristal. Kvarc je ime za silicijev dioksid, zelo pogost mineral, prisoten v pesku in kamnih. Njegovo resonančno vibriranje izkorišča večina sodobnih ur in računalniških oscilatorjev.

Kvarc je pri merjenju časa uporaben zaradi svojih piezoelektričnih lastnosti. Piezoelektrični materiali ob dovedeni zunanji sili proizvedejo zelo majhen električni tok. Srečate jih lahko denimo v plastičnih električnih vžigalnikih, pri katerih s klikom stisnete piezoelektrični kristal in povzročite preskok iskre za vžig. Piezoelektričnost pa lahko poteka tudi v obratni smeri. Se pravi, ko v tak material dovedete električni tok, začne struktura vibrirati oziroma oscilirati.

V kvarčnih urah, bodisi digitalnih ali mehanskih, baterija poganja električno vezje, ki proizvaja električni signal s frekvenco nekaj več kot trideset tisoč hercev. To nihanje signala bi lahko z ustreznim deljenjem uporabili kar za merjenje časa.

A zakaj potem v urah sploh potrebujemo kvarčni kristal? Vezje začne zaradi izdelave in temperaturnih sprememb, ki vplivajo na elemente, hitro oddajati netočno frekvenco. Zato električni signal dovajamo v kvarčni kristal, ki je izoblikovan v obliki glasbenih vilic s točno uglašeno resonančno frekvenco malo več kot tridesetih tisoč hercev. Električni tok signala tako vzbuja kristal, ki začne vibrirati, zaradi česar tudi sam proizvaja električni tok z enako frekvenco. Četudi začne dovedeni električni signal prehitevati ali zaostajati, bo kvarc vibriral z isto resonančno frekvenco, ki mu zaradi strukture najbolj ustreza.

V skoraj vseh kvarčnih urah je frekvenca osciliranja uglašena na 32,768 herca. Ta frekvenca je enaka številu dve na petnajsto potenco in je določena tako, da jo lahko z digitalnimi vezji in binarno logiko zlahka delimo. Poleg tega je dovolj visoka, da je ljudje ne slišimo.

Signal iz kvarca se nato z električnim vezjem deli in pošilja bodisi na koračni elektromotor, ki preko zobnikov premika kazalce, bodisi se signal kodira in prikazuje na LCD-jih in LED-diodah. Po istem principu delujejo tudi oscilatorji za urine signale v digitalnih vezjih kot na primer v računalnikih ali telefonih.

Podobno kot pri nihalnih urah probleme točnosti povzroča raztezanje in krčenje pri različnih temperaturah in tlaku. To pri kvarcu vodi do sprememb v frekvenci nihanja in posledično v točnosti ure. A kako bi to lahko izboljšali? S čim lahko zagotovimo, da se bo frekvenca oscilatorja čim manj spreminjala? Odgovor se skriva v osnovnih gradnikih našega sveta … atomih.

V atomu okoli jedra krožijo elektroni z določenimi različnimi energijami. Zunanje vzbujanje v obliki elektromagnetnega valovanja, kot so radijski valovi ali svetloba, lahko tem elektronom dovede energijo in povzroči, da preskočijo v višje energijsko stanje. Obratno pa pri prehodu iz višjega v nižje energijsko stanje elektroni oddajo energijo v obliki elektromagnetnega valovanja. Ta oddana energija je za isti kemijski element zmeraj enaka, ne glede na to, kdaj jo merimo, zato je primerna za referenco pri merjenju časa.

Kako atomi pomagajo pri točnosti merjenja časa in definiciji sekunde, pove profesor Janko Drnovšek:

 

IZJAVA

 

Čas ene sekunde je torej po sistemu merskih enot SI definiran s frekvenco elektromagnetnega valovanja, ki ga oddajo takšni prehodi elektronov v atomu elementa cezija 133. Ko preteče 9.192.631.770 period oddanega sevanja, mine čas, ki ga označujemo kot eno sekundo.

A kako lahko takšno valovanje sploh dovolj točno izmerimo in ga uporabljamo za merjenje časa? Pri tem so nam v pomoč laserji in mikrovalovi.

Svetloba oziroma svetlobni delci fotoni imajo svojo gibalno količino, ki lahko premika zelo majhne delce, kot so na primer atomi. Če v plinast skupek atomov cezija posvetimo z laserji iz šestih različnih smeri hkrati, je mogoče te atome umiriti in jih lokalizirati v točki laserskega stičišča. Takšni atomi niso več mobilni, umirijo se tudi njihovi elektroni. Ker pa je temperatura povezana z gibanjem, se zaradi mirovanja elektronov skupek cezija ohladi na zelo nizko temperaturo nekaj milikelvinov. Temu pravimo lasersko hlajenje.

Ohlajene atome lahko nato z dvema laserskima snopoma premaknemo v komoro, kjer jih obseva vir elektromagnetnega valovanja. Pri cezijevih atomskih urah je to elektronski generator mikrovalov, ki s pomočjo kvarčnega kristala regulira frekvenco sevanja. Če je ta frekvenca enaka frekvenci, ki je potrebna za to, da elektroni v ceziju preskočijo v stanje višje energije, se zgodi ravno to. Elektroni v atomih cezija preidejo z nižje energije na višjo, atomi pa nato skozi magnet odpotujejo na detektor, ki jih zaznava. Detekcija nam potrjuje, da naša ura kaže konsistentno, saj isti kvarčni kristal, ki poganja generator mikrovalovne frekvence, uporabljamo kot časovnik v tej atomski uri.

Kaj pa se zgodi, če naš elektronski generator mikrovalov ne seva več s točno pravo frekvenco, ki je potrebna za energijski prehod elektronov v ceziju?

Elektroni v atomih cezija, obsevanega z mikrovalovi, ne preidejo v višje energijsko stanje. Pot takšnih atomov je mogoče z magnetom ločiti in usmeriti na drug detektor, ki generatorju mikrovalov pove, da zaostaja ali prehiteva. Frekvenco sevanja mikrovalov je nato mogoče z električnimi signali preko kvarca popraviti na pravo vrednost.

Konsistentnost bitja naše ure ugotavljamo torej preko spremljanja ujemanja frekvenc generatorja mikrovalov in frekvence valovanja pri prehodu elektronov. Pravzaprav gre za usklajevanje mikrovalovnega elektronskega generatorja s frekvenco sevanja cezijevih atomov. Za točno definicijo časa pa ne usklajujemo le frekvenc v atomih in ure, ampak tudi cezijeve ure povsod po svetu. Profesor Janko Drnovšek:

 

IZJAVA

KOMAD

Pozdravljeni nazaj v oddaji Frequenza della Scienza v kateri govorimo o času.

Vsaj približno lahko o času sklepamo tudi na podlagi vedênja živih sistemov. Pred več kot dvestopetdesetimi leti je Carl Linné, bolj znan zaradi razvoja dvoimenskega poimenovanja vrst v latinščini, sestavil uro na podlagi odpiranja in zapiranja cvetov rastlin ob različnih časih v dnevu.

Linné je sestavil tudi seznam rastlin, ki ob različnih urah odpirajo in zapirajo cvetove ter dvigujejo in spuščajo svoje liste. V svojem načrtu je rastline razporedil v krog, iz katerega bi se dalo na podlagi odprtih in zaprtih cvetnih listov razbrati, koliko je ura. Linnéjev ura iz cvetlic je bila sicer prilagojena na cvetenje rastlin v švedskem mestu Uppsala, kjer je študiral.

Na podoben način lahko na podlagi cvetenja določenih vrst sklepamo tudi o letnem času. Vrtnice vedno cvetijo poleti, medtem ko začnejo krizanteme cveteti jeseni. Vrtnarji so te urnike lepo vključili v urejanje grajskih vrtov, ki so služili kot rožni koledarji za grajsko gospodo.

Najbolj zanesljiv znak sprememb v letu pa je dolžina dneva in noči. Sposobnost organizma, da lahko izmeri razmerje med dnevom in nočjo v obdobju štiriindvajsetih ur, imenujemo fotoperiodizem. To je le ena lastnost živih organizmov, ki se najbolj izrazito kaže navzven in je posledica primarnejšega in hkrati kompleksnejšega mehanizma, imenovanega biološka ura. Da na cvetenje vpliva tudi razmerje med dnevom in nočjo, so prvič dokazali znanstveniki v tobačni industriji, in sicer na vzgojeni vrsti tobaka, imenovani Nicotiana tabacum v dvajsetih letih prejšnjega stoletja.

Fotoperiodizem vpliva na mnoge vidike razvoja rastline, poleg cvetenja tudi na razvoj gomoljev, odpadanje listov in dormanco oziroma mirovanje rastline. Osrednje merjenje dnevnega časa pri rastlinah poteka na zelenih listih. Celice preko fotoreceptorskih proteinov, predvsem fitokroma, ki je občutljiv na svetlobo valovne dolžine rdeče barve, zaznavajo in se odzivajo na spremembe dnevno-nočnega cikla.

Kako rože vedo, kdaj naj začnejo cveteti, smo povprašali profesorice z Biotehniške fakultete, Marjano Regvar:

 

IZJAVA

 

Letos smo lahko opazovali cvetove trobentic že decembra. Kaj za cvetlico pomeni, če zacveti ob napačnem času?

 

IZJAVA

 

Nekatere spremembe se pri rastlinah pojavljajo redno vsako leto, medtem ko se določeni pojavi zgodijo bolj sporadično, skoraj naključno. Tako drevesa vsako leto ne proizvedejo enake količine plodov. Za bukev je značilno, da polno obrodi le vsakih pet do osem let, kostanja pa je največ vsake tri leta. V času obilne letine imajo polno plodov vsa drevesa iste vrste na nekem območju. Gre za prefinjen način obrambe svojih semen, saj v letih s slabo letino padejo tudi populacije malih sesalcev. Tisto leto, ko drevo polno obrodi, pa je semen toliko, da majhni prebivalci gozda vseh ne morejo pojesti. Nekaj semen ostane in imajo možnost, da vzklijejo in zrastejo v drevo.

Od česa je torej odvisno, ali bo bukev obrodila ali ne? Tudi o tem smo se pogovarjali z Marjano Regvar:

 

IZJAVA

 

Plodna leta bukve močno vplivajo na ekosisteme gozdov. Na Novi Zelandiji bogata leta predstavljajo velik problem za ptice, saj je bil otok pred prihodom človeka brez sesalcev z izjemo treh vrst netopirjev in številnih morskih sesalcev. Oblini obrodi imajo za posledico višje število plenilcev ptic.

Leta, ko bukve bogato plodijo, so v zadnjem času vse pogostejša, ker je frekvenca vročih poletij višja, večja pa je tudi koncentracija dušika v atmosferi. To lahko pomembno vpliva na ekosistem gozda, saj se z mehanizmom obilnejše in revnejše letine uravnavajo populacije gozdnih živali, generacijsko obnavljanje dreves in celo razvoj različnih bolezni, ki jih prenašajo mali sesalci.

Količina plodov pri bukvi je torej odvisna od razmer v okolju, zaradi česar so sinhrona le drevesa istega območja. Drugače pa je pri cvetenju posebne vrste bambusa Phyllostachys bambusoides. Širokolistni bambus, ki je razširjen po celem svetu in izvira iz Kitajske, cveti le enkrat na okoli 120 let. Nazadnje je cvetel v poznih šestdesetih letih prejšnjega stoletja in pričakuje se, da bo naslednjič zacvetel okoli leta 2090. V vmesnem obdobju se vrsta razmnožuje nespolno in v povprečju živi dvajset let. Vendar je zaradi nespolnega razmnoževanja ves bambus nekega območja na neki način enoten organizem z enakim genskim zapisom. Vsako steblo zelo hitro raste in se lahko na pomlad dvigne tudi za en meter na dan.

O cvetenju širokolistnega bambusa so okoli leta tisoč prvič pisali kitajski učenjaki. Vsa bambusova drevesa iste vrste zacvetijo v istem letu, kar pomeni, da je cikel uravnavan z notranjo uro rastline in ni toliko odvisen od zunanjih dejavnikov. Dolga obdobja med cvetenji imajo tudi druge vrste bambusa, recimo indijski bambus, ki cveti približno na 32 let, in črni bambus, ki cveti vsakih 60 let.

Sinhronost cvetenja bambusa so v sedemdesetih začeli razlagati z naravno selekcijo. Če vsa drevesa cvetijo hkrati in istočasno proizvedejo semena, potem imajo manjšo možnost, da bodo živali pojedle vsa njihova semena. Tako so tisti osebki, ki so cveteli prezgodaj, preprosto izpadli iz razmnoževalnega cikla. Toda še vedno je ostajalo vprašanje, kako so nekatere vrste prišle do tako dolgih obdobij med cvetenjem.

Skupina biologov in biologinj je na podlagi poznavanja razvoja različnih vrst bambusa nastavila matematičen model. Začeli so pri bambusovem gozdu, v katerem vsa drevesa cvetijo vsako leto. V tej populaciji pa obstajajo mutanti, torej osebki z malo drugačnim zaporedjem genov, ki so programirani tako, da cvetijo vsaki dve leti. Tista drevesa, ki cvetijo na dve leti, imajo prednost pred drugimi, saj imajo več časa, da se na cvetenje pripravijo in zato lahko tudi višje zrastejo. Počasi je v gozdu vedno več dreves z dvoletnim ciklom cvetenja.

Glede na hipotetičen matematično evolucijski model so lahko v bambusovem gozdu tudi takšni predstavniki, ki imajo daljši cikel, recimo tri leta. Po predpostavljenem modelu bodo tako po določenem času vedno prevladala tista drevesa, ki imajo daljši cikel cvetenja. Daljšemu obdobju pa se slej ko prej prilagodi tudi ostali bambus in tako cel gozd pristane na trileten cikel. Čas med cvetenjem lahko v omenjenem modelu samo narašča.

Avtorji modela na podlagi sorodstvenih razmerij med indijskim, črnim in širokolistnim bambusom predpostavljajo, da se je dolžina letnega cikla množila z nizkimi faktorji 2 in 3. Skupni prednik vseh treh prej omenjenih vrst je imel cikel cvetenja dolg 5 let. Nato pa se je po poti do danes poznane vrste širokolistnega bambusa letni cikel naključno pomnoževal z nizkimi faktorji. Danes je končni cikel cvetenja širokolistnega bambusa dolg 120 let, kar je enako 5 krat 3 krat 2 krat 2 krat 2. Ta sklep se na prvi pogled zdi izrečen precej “na pamet”, vendar sovpada s filogenetskim drevesom razvoja različnih vrst bambusa. Gre sicer za model, ki ga je treba še preveriti na primeru, vendar je to zaradi izjemne dolgoživosti bambusa ter naše kratkoživosti naloga, ki čaka več generacij.

Bambus pa ni edini živi organizem z nenavadnim ciklusom spolnega razmnoževanja. Takšna bitja najdemo tudi v svetu živali. Ameriški škržati pustijo s svojim 13- oziroma 17-letnim ciklusom pečat na koreninah listavcev, na katerih se hranijo njihove ličinke.

Ameriški škržati iz rodu Magicicada prilezejo na površje vsakih 13 oziroma 17 let. Takrat se nekaj tednov veselo osvajajo in razmnožujejo. Po uspešnem parjenju samice odložijo jajčeca v lubje listavcev, v katerem se po šestih do desetih tednih izležejo nimfe, ki popadajo na tla in se zarijejo na globini 60 centimetrov. Tam se nadaljnjih 13 ali 17 let hranijo in redijo s sadnimi sokovi korenin dreves. V tem času se kar petkrat preobrazijo in čakajo na primerno leto, da se poženejo iz zemlje in zaplodijo novo generacijo škržatov.

Odgovor na vprašanje, zakaj so se razvili tako dolgi cikli, ponuja teorija množičnosti plena. Pogosto se plenilci v večjem številu pojavljajo v ciklih, ki se ponovijo vsake dve do tri leta, a skoraj nikoli ne na vsakih 13 ali 17 let kot pri škržatih. Števili trinajst in sedemnajst sta namreč praštevili in kot takšni deljivi zgolj sami s seboj in z ena. Ker se plenilci pojavljajo ciklično, recimo na dve ali tri leta, se tako zelo poredko ujamejo z ameriškimi škržati.

Znanstvenice in znanstveniki predvidevajo, da se je ta nenavaden cikel v evoluciji ameriških škržatov razvil tekom večkratnih naključnih sprememb cikla. Posamezne vrste iz rodu Magicicada naj bi ločeno prišle do 13- oziroma 17-letnega intervala. A tudi znotraj vrst naj bi prišlo do nenadne spremembe cikla, torej so se živali namesto po sedemnajstih letih pojavile že po trinajstih. Znanstvenice in znanstveniki so sedaj odkrili genetski mehanizem, ki naj bi pogojeval to redko pojavljanje. A vseeno še vedno ne vemo, kako se škržati uskladijo in štejejo leta ter tako pod zemljo vedo, kdaj naj prirojijo na površje.

Nekateri dokazi kažejo v prid teoriji, da ameriški škržati leta štejejo glede na to, kolikokrat so listavci, na katerih se hranijo, odvrgli svoje liste. A o takšnem primeru so poročali zgolj enkrat. Pred leti naj bi se namreč zgodilo, da so drevesa dvakrat v letu odvrgla lista in tako so se škržati pognali iz zemlje leto dni pred pričakovanim obiskom novega roja. Jasnega odgovora, kako vsi ti mehanizmi pri škržatih delujejo, še vedno nimamo.

Bambus bo ponovno cvetel čez 74 let, različni roji ameriških škržatov bodo slej ko prej zopet preplavili dele ZDA, fizičarke in fiziki še zmeraj debatirajo o času, ure ves čas tiktakajo, naša redakcija pa lovi štirinajstdnevni ritem Frequenze della Scienze. Festina lente!

 

Pod časovnim pritiskom smo se znašli Ian, Junoš, Urša in Zarja.

Glasbeno podlago je napisal in uglasbil Ian.

Urednikovala je Teja.

Brala Rasto in Biga.

Tehniciral je Brada.