白堊紀(jì)緬甸琥珀中具金屬色彩結(jié)構(gòu)色的昆蟲 受訪者供圖
此前有學(xué)者曾在距今5000萬年前的始新世印痕化石中，發(fā)現(xiàn)過與顏色有關(guān)的昆蟲納米結(jié)構(gòu)，但一億年前的昆蟲是否已經(jīng)演化出結(jié)構(gòu)色一直成謎。
從孔雀羽毛的艷光四射，到毒箭蛙的明亮警告色，再到北極熊的白色偽裝。動物王國里，生龍活虎的動物們用各種體色，掩飾各種“心機(jī)”。
昆蟲是地球上物種數(shù)量最多的生物，展現(xiàn)了極其豐富的顏色。它們的顏色分為色素色和結(jié)構(gòu)色，具有金屬光澤的甲蟲殼、蝴蝶或飛蛾閃閃發(fā)光的鱗片，都是典型的結(jié)構(gòu)色。不過，當(dāng)這種絢爛融為化石，便從此黯淡無光。
目前，化石中很少保有生物的色彩細(xì)節(jié)，地質(zhì)歷史中原始的結(jié)構(gòu)色的證據(jù)極其罕見，大多數(shù)古生物復(fù)原圖都是根據(jù)藝術(shù)家的想象重建。
近日，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所(以下簡稱中科院南古所)科研團(tuán)隊揭開了近1億年前的昆蟲真實色彩的秘密。他們對白堊紀(jì)緬甸琥珀中具有金屬色彩的昆蟲進(jìn)行系統(tǒng)研究后發(fā)現(xiàn)，純凈而強(qiáng)烈的顏色可直接在昆蟲體表保存下來，奧秘就隱藏在昆蟲體表內(nèi)一種特殊的納米結(jié)構(gòu)中。相關(guān)研究于近日在線發(fā)表于英國《皇家學(xué)會會刊—B輯》上，這為了解白堊紀(jì)雨林中與恐龍共存的昆蟲提供了新的視角。
古生物的顏色在化石中難覓蹤跡
自然界中的顏色主要有三個來源，即生物發(fā)光、色素色和結(jié)構(gòu)色。結(jié)構(gòu)色是光照射在蟲體表面的微觀結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生折射、衍射及干擾而形成的，是自然界中色彩最為純凈且最強(qiáng)烈的顏色。
由于化石保存等因素的局限，對古生物的顏色復(fù)原一直是項很復(fù)雜的工作。
此次研究的第一作者與通訊作者、中科院南古所副研究員蔡晨陽告訴科技日報記者，動物結(jié)構(gòu)色也有多種來源，最普遍的是動物體表的多層反射膜，常見于金龜、蒼蠅、吉丁蟲;還有的是來自衍射光柵，常見于孔雀羽毛、藍(lán)閃蝶;光子晶體是比較少見的一種，例如呈現(xiàn)歐寶色的象甲。
“化石中的結(jié)構(gòu)色，可以為生物間的視覺交流和顏色的功能演化等提供重要證據(jù)。此前，有學(xué)者曾在距今約5000萬年前的始新世的印痕化石里，發(fā)現(xiàn)過與顏色相關(guān)的昆蟲的納米結(jié)構(gòu)。但是，上溯到一億年前的昆蟲，是否已經(jīng)演化出結(jié)構(gòu)色一直成謎，此前我們也沒有在這個時期的化石中發(fā)現(xiàn)過顏色鮮艷的昆蟲，而在此前的研究文獻(xiàn)中，很多學(xué)者認(rèn)為，中生代的結(jié)構(gòu)色也很難保存下來。”蔡晨陽說。
目前，學(xué)術(shù)界的普遍觀點認(rèn)為，不管是色素色還是結(jié)構(gòu)色，在化石中，它們都難覓蹤跡。中科院南古所研究員王博向記者介紹：“色素色是一種化學(xué)色，它在動物死后，很快會降解，所以很難保存下來;而結(jié)構(gòu)色雖然有納米結(jié)構(gòu)，但經(jīng)過高溫高壓的地質(zhì)演變、腐蝕，結(jié)構(gòu)也會被破壞，導(dǎo)致褪色、變色。”
不過，科學(xué)家們總能找到古生物顏色的蛛絲馬跡，他們利用動物體表極薄的蠟層、溝、縫以及黑色素體等結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)生動物做對比，重建或推測古代動物的顏色。
2018年，王博與德國、英國的科學(xué)家團(tuán)隊聯(lián)合刊文稱，他們發(fā)現(xiàn)侏羅紀(jì)的蛾類鱗片已經(jīng)演化出魚骨狀的衍射光柵等光學(xué)結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊利用化石鱗片數(shù)據(jù)，重建了鱗片微結(jié)構(gòu)的三維光學(xué)模型，最終利用光學(xué)模擬軟件和計算機(jī)定量計算出化石蛾類產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色，推測出這類蛾的鱗片會產(chǎn)生銀色或金黃色。
2010年，中國、英國和愛爾蘭等三國科學(xué)家，曾在《自然》刊文稱，他們在中國熱河生物群的鳥類和帶毛的恐龍中發(fā)現(xiàn)兩種黑色素體，并將黑色素體的形狀和排列方式，與現(xiàn)代鳥類做對比后推測，這些帶毛的恐龍和古鳥類的身體已經(jīng)具有以灰色、褐色、黃色及紅色為主要色彩的基礎(chǔ)。
多層反射膜讓昆蟲顏色保存億年
如何從結(jié)構(gòu)色中發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)古昆蟲的顏色演化之謎，對蔡晨陽來說，源自2015年的一次啟發(fā)。那年，他在美國一家博物館看到桌上擺放著給小朋友科普用的昆蟲標(biāo)本，是介紹色素色和結(jié)構(gòu)色的，他頓時被吸引住了。回國之后，他開始著手整理琥珀中昆蟲體表有金屬光澤的樣本。
歷經(jīng)多年，他和中科院南古所泮燕紅研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊從距今9900萬年的白堊紀(jì)中期約4萬枚琥珀中，挑選出35枚化石。這些化石全部來自緬甸北部的一處礦山，其中的昆蟲都保存著精美的金屬光澤。
在顯微鏡下，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，這35塊琥珀化石的昆蟲，包括膜翅目、鞘翅目和雙翅目，至少有7個科，其中絕大部分標(biāo)本屬于膜翅目青蜂科，少部分屬于鞘翅目隱翅蟲科、蠟斑甲科，以及雙翅目的水虻科。
“我們用50納米的刀，對其中的兩塊琥珀做了幾微米的超薄切片，又用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡分析發(fā)現(xiàn)，一種青蜂科昆蟲胸部表面的藍(lán)綠色是由多層重復(fù)出現(xiàn)的納米級構(gòu)造組成，即多層反射膜。”蔡晨陽說，在顯微鏡下，他們發(fā)現(xiàn)一只青峰體表有6層反射膜，每一層的厚度約為100納米。
“根據(jù)每層膜的厚度和折射率等參數(shù)可以計算出，這6層膜的反射波長在514納米左右，也就是綠色，這與我們在顯微鏡下肉眼看到的化石青蜂的綠色是接近的。而在另一塊切片琥珀中的青蜂，體表是沒有金屬光澤的黑色，我們在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，這只青蜂的多層反射膜出現(xiàn)了褶皺，也就是結(jié)構(gòu)被破壞了，這證實了多層反射膜是產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的直接原因，且昆蟲體表的顏色可能就是原始顏色，但也不排除顏色發(fā)生微小變化。”蔡晨陽說。
這批琥珀中，大部分昆蟲的全身或是部分身體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的具金屬光澤的綠色、藍(lán)色、藍(lán)綠色、黃綠色或藍(lán)紫色。通過與古生、現(xiàn)生物種的對比研究，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)這些化石昆蟲對應(yīng)的現(xiàn)生屬種同樣有類似的帶有金屬光澤的顏色。這一發(fā)現(xiàn)直接證明了中生代昆蟲的亮眼結(jié)構(gòu)色是可以保存下來的。
“這次發(fā)現(xiàn)直接證明了多層反射膜可在長期地質(zhì)歷史中穩(wěn)定保存，否定了前人關(guān)于昆蟲金屬色不能在中生代化石中保存的觀點，并對認(rèn)識早期昆蟲結(jié)構(gòu)色生態(tài)功能的演化具有重要意義。”蔡晨陽說。
古老昆蟲顏色形成機(jī)制還需探究
值得一提的是，這批緬甸琥珀昆蟲中看似能永久保存的彩色金屬結(jié)構(gòu)色并不是保持不變的。蔡晨陽說，若琥珀昆蟲在切割、打磨和拋光等前期準(zhǔn)備過程中，任一小部分結(jié)構(gòu)受到損壞，使其與空氣或水分接觸，其顏色便會在短期內(nèi)變成單一的銀色，但金屬光澤仍可保存，而這種變化是不可逆轉(zhuǎn)的。這一發(fā)現(xiàn)為揭示緬甸琥珀乃至其他琥珀中的銀色昆蟲的形成原因、對早期昆蟲特征的認(rèn)定和描述均具有重要的參考價值。
“不過，現(xiàn)代有一種金龜子，體表也呈現(xiàn)為銀色，但它的多層反射膜是由內(nèi)而外逐漸變厚的，這與我們此次研究中昆蟲變成銀色的形成機(jī)制不同，這兩種機(jī)制各是由什么造成的，多層反射膜的厚度和折射率會不會隨著年代而變化，還需要繼續(xù)探究。”蔡晨陽說，琥珀昆蟲的結(jié)構(gòu)色具有重要的生態(tài)意義，較為常見的綠色很可能是在茂密森林環(huán)境中的一種隱蔽色，能幫助昆蟲隱匿自身從而躲避捕食者。另外，結(jié)構(gòu)色參與昆蟲熱調(diào)節(jié)的可能性也不能完全被排除。因此不同色彩的結(jié)構(gòu)色出現(xiàn)在不同種類的昆蟲中，在一定程度上暗示了白堊紀(jì)中期森林中已經(jīng)存在復(fù)雜的生態(tài)關(guān)系。
蔡晨陽說，未來，他們還將關(guān)注更古老的昆蟲化石，去了解它們的體表是否已經(jīng)進(jìn)化出結(jié)構(gòu)色，例如侏羅紀(jì)甲蟲是否也有多層反射膜，為發(fā)現(xiàn)、重建更古老昆蟲的顏色提供原始依據(jù)。
在他看來，發(fā)現(xiàn)并運用結(jié)構(gòu)色，對于當(dāng)下的生活也有借鑒意義，“例如3D打印就可以參照結(jié)構(gòu)色的結(jié)構(gòu)打印，而不用使用顏料，以節(jié)省資源、減少對環(huán)境的污染。”(記者 金 鳳)