Dla niedoświadczonego oka większość skamielin nie wydaje się pękać kolorem. Pierwsza naukowa analiza koloru skamielin została opublikowana zaledwie dziesięć lat temu, a do niedawna określenie palety kolorów prehistorycznego świata wydawało się zadaniem nie do pokonania.
Maria McNamara, paleontolog z University College Cork w Irlandii, stara się zebrać kopalne dowody, aby namalować kolorowy obraz przeszłości. Kiedy ludzie myślą o paleontologii, często myślą o twardych zębach i kościach, ale bardziej miękkie części zwierząt, takie jak skóra, tkanka mięśniowa i narządy wewnętrzne, można również zachować w zapisie kopalnym. Oczywiście jest to znacznie rzadsze, ponieważ miękkie rzeczy zwykle gniją, ale miękkie tkanki są dokładnie tym rodzajem, którego szuka McNamara. Bada tkanki owadów i kręgowców, aby wyobrazić sobie, jak wyglądały te stworzenia i jak oddziaływały ze środowiskiem - jakie były ich drapieżniki, gdzie żyły, jakie były ich nawyki godowe i jeszcze więcej.
McNamara będzie dyskutować o swojej pracy nad znalezieniem resztek kolorów w skamielinach podczas sympozjum „Life's Greatest Hits: Key Events in Evolution” Smithsonian's National Museum of Natural History w piątek, 29 marca, w Waszyngtonie. Przed swoim wystąpieniem Smithsonian.com rozmawiał z McNamarą, aby dowiedzieć się więcej o kolorach starożytnego świata.
Mówiąc naukowo, czym jest kolor i jak go mierzyć?
Kolor to po prostu widoczne światło. Wszystko, co rozprasza energię między długościami fal 400 i 700 nanometrów, jest tym, co naukowcy nazywają światłem widzialnym. Ludzkie oko jest wyszkolone do postrzegania subtelnych różnic energii w tym oknie. Inne zwierzęta widzą kolor za tym oknem. Na przykład ptaki mają wrażliwość na światło ultrafioletowe, dzięki czemu mogą odbierać krótsze fale energii. Wiele owadów widzi również światło ultrafioletowe i potencjalnie w podczerwieni, która ma dłuższe fale. To, co nazywasz kolorem, naprawdę zależy od tego, jakim jesteś zwierzęciem.
Mówiąc najprościej, kolor jest formą energii, którą możemy dostrzec, a różne długości fal tworzą różne kolory.
W jaki sposób kolor rozwija się w naturze?
Kolor można wytwarzać na dwa różne sposoby. Wiele współczesnych organizmów, w tym zwierząt, wytwarza kolory za pomocą pigmentów. Pigmenty to chemikalia, które selektywnie absorbują światło o określonych długościach fal. Na przykład liście roślin wyglądają na zielone, ponieważ cząsteczki w chlorofilu wewnątrz liści absorbują wszystkie długości fal w czerwonej i niebieskiej części widma, i odbijają zielenie i żółcie, które widzimy.
Owady są dominującą formą życia zwierząt na Ziemi, z ponad 1 milionem opisanych gatunków i być może aż 15 razy więcej pozostaje nieznanych. Spośród owadów chrząszcze okazały się jedną z najbardziej udanych - i kolorowych - grup, reprezentującą 40 procent wszystkich gatunków owadów i 30 procent wszystkich gatunków zwierząt. (Chip Clark / Smithsonian Institution) Najczęstszym pigmentem u roślin jest chlorofil, ale u zwierząt niektóre z najczęstszych pigmentów to melaniny. Produkują kolor naszych włosów. Na przykład wytwarzają brązowe kolory u grzybów i ciemne odcienie ptasich piór.
Mamy również popularne pigmenty zwane karotenoidami, które są wytwarzane wyłącznie przez rośliny. Ale wiele zwierząt spożywa karotenoidy w swojej diecie i używają ich do barwienia tkanek. Na przykład czerwony kolor kardynała, który jest powszechny na wschodnim wybrzeżu Stanów Zjednoczonych, jest wytwarzany przez karotenoidy, które ptaki przyjmują w pożywieniu owoców i jagód. Różowe pióra flamingów pochodzą z karotenoidów w algach, które jedzą małe krewetki, co jest ulubionym posiłkiem ptaków.
Ale w rzeczywistości istnieje zupełnie inny sposób generowania koloru, który nazywa się kolorem strukturalnym. Kolor strukturalny w ogóle nie wykorzystuje pigmentów, a zamiast tego wykorzystuje bardzo ozdobne struktury tkanek w nanoskali. Zasadniczo tkanki niektórych zwierząt składają się w bardzo złożone struktury na poziomie nanometrów - lub innymi słowy, w tej samej skali co długość fali światła. Struktury te wpływają na sposób, w jaki światło przepływa przez tkanki biologiczne, dzięki czemu mogą zasadniczo odfiltrować określone długości fal i uzyskać naprawdę mocne kolory. W rzeczywistości kolory strukturalne są najjaśniejszymi i najbardziej intensywnymi kolorami, jakie otrzymujemy w naturze.
Jakich różnych kolorów lub różnych struktur, które wytwarzają kolor, szukasz, studiując te skamieliny?
Kiedy zacząłem studiować kolor, pracowałem z kolorem strukturalnym u owadów kopalnych. Zacząłem patrzeć na te metaliczne owady. Pokazały jasne odcienie błękitu, czerwieni, zieleni i żółci, ale nikt tak naprawdę nigdy nie badał, co produkuje te kolory - było tylko jedno badanie fragmentu jednego kawałka chrząszcza.
Przebadałem więc około 600 tych owadów z wielu różnych lokalizacji skamielin i wraz z niektórymi współpracownikami otrzymaliśmy pozwolenie na pobranie próbek maleńkich skamielin. Kiedy to zrobiliśmy, niezależnie od gatunku, na który patrzyliśmy, wszystkie te struktury u tych kolorowych owadów zostały wytworzone przez strukturę zwaną reflektorem wielowarstwowym. Mikroskopowo w zasadzie wygląda jak kanapka z dużą ilością naprawdę cienkich warstw, może grubości zaledwie 100 nanometrów. Wiele współczesnych owadów ma je w swojej zewnętrznej skorupie. Im więcej warstw, tym jaśniejszy kolor, który jest rozproszony.
Fotografie trzech taksonów chrząszcza skarabeusza, które zostały wykorzystane w badaniach nad tafonomią do odtworzenia procesu skamieniałości w laboratorium. Podczas tego procesu zmieniły się kolory chrząszczy. (G. Odin, M. McNamara i in. / Journal of The Royal Society Interface 1742-5662) Chcieliśmy dowiedzieć się, dlaczego nie znaleźliśmy innych struktur, takich jak trójwymiarowe kryształy fotoniczne, które są małymi, złożonymi, warstwowymi strukturami, które zakłócają lekkie cząstki zwane fotonami. Struktury mogą być skręcone w strukturę diamentową, sześcienną, heksagonalną, a nawet bardziej złożoną. Wiele współczesnych owadów i motyli pokazuje to. Na przykład współczesny motyl Morpho to ten wspaniały niebieski tropikalny motyl ze skalami zawierającymi fotoniczne kryształy 3D. Zastanawialiśmy się więc: „dlaczego nigdy nie znaleźliśmy ich w zapisie kopalnym?”
Jak myślisz, dlaczego widziałeś w skamielinach tylko wielowarstwowe struktury odblaskowe, podczas gdy inne owady wytwarzają inne struktury barwiące?
Przeprowadziliśmy eksperymentalną skamielinę, która nazywa się tafonomią. Powieliliśmy aspekty procesu skamielania, umożliwiając degradację zarówno wielowarstwowych odbłyśników, jak i kryształów fotonicznych 3D w laboratorium. Obaj przeżyli eksperyment, który powiedział nam, że te trójwymiarowe kryształy fotoniczne mają taki sam potencjał skamieniałości jak wielowarstwowe odbłyśniki - więc muszą gdzieś być w zapisie kopalnym.
Zaczęliśmy szukać kilka lat temu i zgłosiliśmy pierwszy przypadek kryształów fotonicznych 3D u owadów kopalnych. Przykład, w którym znaleźliśmy je w terenie, jest bardzo mały, więc w wielu przypadkach można je przeoczyć.
Czy można zmienić kolor w procesie skamieniałości?
Powstaje pytanie, czy zachowany kolor to prawdziwy kolor. Początkowo badaliśmy chemię struktury, zakładając, że jest ona taka sama jak współczesne owady - lub innymi słowy, zakładaliśmy, że zginałaby światło tak samo. Ale kiedy wprowadzamy te wartości do naszych modeli komputerowych, nie działały. Modele mówiły nam, że kolory naszych skamielin zmieniły się podczas skamieniałości.
Dzięki naszym eksperymentom udało nam się ustalić, że zmiana była spowodowana nadmiernym ciśnieniem i, co ważniejsze, stałą temperaturą. Odkryliśmy, że temperatura naprawdę powoduje zmianę koloru tych kolorów strukturalnych, ponieważ struktura fizyczna kurczy się.
Jakie gatunki pozostawiają najlepsze dowody, badając kolor wymarłych roślin i zwierząt?
Nie chodzi o konkretny gatunek, chodzi o zachowanie rzeczy we właściwy sposób.
Większość dotychczasowych badań przeprowadzono na piórach, zarówno piórach ptaków, jak i dinozaurów, i wszystkie zostały zachowane jako kompresja karbonatyzacji: skamieliny powstały w skale osadowej pod ogromnym ciśnieniem. Jest to problematyczne, ponieważ nie zachowuje się części pióra, które są odpowiedzialne za kolory inne niż melanina.
U istniejących ptaków melanina jest prawie wszechobecna, a działanie melaniny jest modyfikowane przez obecność innych pigmentów. Więc jeśli ponownie weźmiesz czerwone pióra kardynała, wyglądają na czerwone, ale wewnątrz zawierają karotenoidy, a także melanosomy. Jeśli to ptasie pióro przejdzie przez skamieniałość, karotenoidy ulegną degradacji i pozostaną tylko melanosomy [i nie wiedziałbyś, że kardynał był czerwony].
Istnieje bardzo realne niebezpieczeństwo, że wiele rekonstrukcji obserwowanych przez nas ptaków kopalnych i upierzonych dinozaurów może nie być reprezentatywnych dla kolorów organizmów, jak mogłoby się wydawać. Jeśli znajdziesz w skamielinach dowód na obecność melaniny, może to wskazywać na wzór, ale nie na faktyczny odcień. Twierdzimy zatem, że te skamieliny karbonatyzacyjne prawdopodobnie nie są idealne do badań nad kolorem skamielin.
Chociaż naukowcy nie wiedzą jeszcze, jakie były kolorowe dinozaury, mogą badać skamieniałe ślady piór i futra, na przykład u tego pterozaura, aby uzyskać pojęcie o cieniowaniu. (Z. Yang, B. Jiang, M. McNamara i wsp. / Nature Ecology & Evolution 3, 24–30 (2019)) Jakie rodzaje skamielin najlepiej zachowują kolor?
Uważamy, że powinniśmy szukać skamielin zachowanych w mineralnym fosforanie wapnia. Tak było w przypadku węża, którego badaliśmy w 2016 r. Kolory węża zostały zachowane; cała skóra węża jest zachowana w fosforanie wapnia. Piękno fosforanu wapnia polega na tym, że zachowuje on wszystko. Zachowane są wszystkie pigmenty skóry, w tym trzy rodzaje pigmentów, które nadają kolor współczesnym gadom. Zachowuje kolor strukturalny: czerwony i żółty oraz ciemny kolor.
Tego rodzaju skamieliny, w których osadziłeś wszystko w fosforanie wapnia, są o wiele lepszym celem do badań nad kolorem kopalnym niż kompresja karbonatyzacji.
Jakiego koloru były dinozaury?
Mamy różne upierzone dinozaury, w których mamy melaninę w tych wzorach kolorów, a we współczesnych ptakach zabarwienie melaniny jest modyfikowane przez inne pigmenty. Te inne pigmenty nie są zachowane jako skamieliny, więc na razie nie jesteśmy pewni.
Gdybyśmy znaleźli skórę dinozaura, która była naprawdę dobrze zachowana, mielibyśmy dużą szansę na bardziej szczegółowe odtworzenie koloru. Problem polega na tym, że większość skór dinozaurów zachowuje się jako wrażenia. Istnieje wiele przykładów, w których faktycznie zachowuje się cienki film organiczny lub zmineralizowany, ale chociaż kilka z nich zostało przebadanych, żaden z nich nie ujawnił szczegółów pigmentów.
Dzisiaj często widzimy jasne kolory jako toksyczne ostrzeżenia dla drapieżników lub wystawny pokaz przyciągający partnera lub inne bardziej subtelne kolory służące jako kamuflaż. Jaki cel miał kolor dla pierwszych kolorowych zwierząt?
Wiele dinozaurów, które widzimy, ma cienie przeciwne, to znaczy, gdy tył i boki są ciemniejsze, a brzuch jest jaśniejszy. Jest to strategia stosowana przez wiele współczesnych zwierząt, aby pomóc rozbić zarys ciała w silnym oświetleniu [i zapewnić kamuflaż].
W badanym upierzonym dinozaurie ogon ma bardzo uderzające paski. Ten rodzaj opasywania jest dziś bardzo powszechny u zwierząt, a kiedy występuje na innych obszarach ciała, zwykle stosuje się go w kamuflażu. Ale w tym konkretnym dinozaurie jest zlokalizowany na ogonie. Tak więc wysoki kontrast kolorów w ogonie u współczesnych zwierząt jest często wykorzystywany w sygnalizacji seksualnej, a więc w pokazach godowych.
Badany wąż kopalny prawie na pewno używał koloru do kamuflażu. Miał dość uderzające plamy na całej długości i plamy te prawdopodobnie znów służyły jako zakłócający kamuflaż, aby rozbić zarys ciała w silnym świetle.
Żywy niebieski motyl Morpho peleides, który ma fotoniczne struktury kryształu fotonicznego, aby uzyskać jasny odcień. (Marka / UIG / Getty Images) Skamieniałe ćmy i niektóre owady kopalne, które badaliśmy kolorami strukturalnymi - mieliśmy wrażenie, że ich kolory pełniły podwójną funkcję, ponieważ miały bardzo uderzający zielony kolor. Taki kolor jest tajemniczy, gdy owad ukrywa się w roślinności, ale kiedy te motyle żerowałyby na roślinach żywicielskich, nastąpiłby ostry kontrast kolorów z płatkami kwiatu. Wiele owadów używa tego jako sygnału ostrzegawczego, aby ogłosić, że drapieżnik jest blisko.
Jakie nowe narzędzia mamy do badania tkanek miękkich i czego możemy się nauczyć, że do tej pory nie mogliśmy się nauczyć od skamielin?
Dziesięć lat temu całe przekonanie, że skamieliny mogą zachować kolor, prawie nie istniało na radarze - było tylko jedno badanie. Dwanaście lat temu nikt nawet nie wiedziałby, że to możliwe.
Istnieje kilka technik spektrometrii mas, które badają fragmenty molekularne na powierzchni twojego materiału, ale nie wszystkie fragmenty są diagnostyczne. Istnieją techniki chemiczne, które wytwarzają unikalne fragmenty cząsteczek melaniny, więc nie można ich pomylić z niczym innym. Ludzie patrzą również na nieorganiczną chemię skamielin i próbują odzyskać dowody potwierdzające kolor.
Dlatego naprawdę ważne jest, aby wziąć pod uwagę tafonomię, chemię tkanek i dowody koloru, a jednym z naprawdę fajnych sposobów na wydobycie biologii z efektów skamieniałości jest przeprowadzenie eksperymentów.
Sympozjum „Największe hity życia: kluczowe wydarzenia w ewolucji”, które odbędzie się 29 marca 2019 r., Odbywa się w Narodowym Muzeum Historii Naturalnej od 10.00 do 16.30 i bierze w nim udział 10 uznanych na całym świecie biologów ewolucyjnych i paleontologów. Bilety są dostępne tutaj.
