За нетренираното око повечето вкаменелости не изглежда да са спукани от цвят. Първият научен анализ на фосилния цвят е публикуван само преди десетилетие и доскоро определянето на цветовата палитра на праисторическия свят изглеждаше непреодолима задача.
Мария Макнамара, палеонтолог от Университетския колеж Корк в Ирландия, се опитва да събере фосилните доказателства, за да нарисува цветна картина от миналото. Когато хората мислят за палеонтология, те често мислят за твърди зъби и кости, но по-меките части на животните, като кожа, мускулна тъкан и вътрешни органи, също могат да бъдат запазени в записа на фосилите. Разбира се, това е много по-рядко, защото тиквичките обикновено изгниват, но меките тъкани са точно този тип екземпляри, които Макнамара търси. Тя изучава тъканите от насекоми и гръбначни, за да представи как изглеждат тези животни и как те взаимодействат със средата си - какви са хищниците им, къде са живели, какви са техните навици на чифтосване и други.
Макманара ще обсъди своята работа за намиране на цветните останки във фосили в симпозиума „Най-големите хитове на живота: Стрелките на живота: ключови събития в еволюцията“ на Smithsonian в петък, 29 март, във Вашингтон. Преди разговора си Smithsonian.com разговаря с Макнамара, за да научи повече за цветовете на древния свят.
Научно казано, какво е цвят и как се измерва?
Цветът е просто видима светлина. Всичко, което разпръсква енергия между дължините на вълните от 400 до 700 нанометра, е това, което учените наричат видима светлина. Човешкото око е обучено да възприема фини разлики в енергията в рамките на този прозорец. Други животни могат да видят цвят отвъд този прозорец. Например птиците имат чувствителност към ултравиолетовата светлина, така че могат да възприемат по-къси дължини на вълната на енергия. Много насекоми също могат да видят ултравиолетова светлина и потенциално в инфрачервената, която има по-големи дължини на вълната. Това, което наричате цвят, наистина зависи от това какъв вид животно сте.
Казано най-просто, цветът е форма на енергия, която можем да възприемем, а различните дължини на вълните създават различни цветове.
По какви начини се развива цветът в природата?
Цветът може да бъде произведен по два различни начина. Много съвременни организми, включително животни, произвеждат цвят с помощта на пигменти. Пигментите са химикали, които селективно поглъщат светлина с определена дължина на вълната. Например листата на растенията изглеждат зелени, тъй като молекулите в хлорофила вътре в листата абсорбират всички дължини на вълната в червената и синята част на спектъра и отразяват зелените и жълтите, които можем да видим.
Насекомите са доминиращата форма на животинския живот на Земята с повече от 1 милион описани вида и вероятно 15 пъти повече оставащи неизвестни. Сред насекомите бръмбарите се оказаха една от най-успешните и цветни групи, представляващи 40 процента от всички видове насекоми и 30 процента от всички животински видове. (Chip Clark / Smithsonian Institution) Най-често срещаният пигмент в растенията е хлорофилът, но при животните някои от най-разпространените пигменти са меланините. Те произвеждат цвета на косата ни. Те произвеждат например кафявите цветове при гъбичките и тъмнокожите цветове на птичи пера.
Имаме и общи пигменти, наречени каротеноиди, и те се произвеждат изключително от растенията. Но много животни поглъщат каротеноиди в диетата си и те ги използват за оцветяване на тъканите си. Така например червеният цвят на кардинал, който е често срещан на източния бряг на САЩ, се произвежда от каротеноиди, които птиците приемат в диетата си от плодове и плодове. Розовите пера на фламинго са получени от каротеноиди в водораслите, които ядат дребни скариди, което е любимото ядене на птиците.
Но всъщност има този съвсем различен начин на производство на цвят и това се нарича структурен цвят. Структурният цвят изобщо не използва пигменти и вместо това използва много богато тъкани структури на наноразмер. По принцип тъканите на някои животни ще се сгънат в силно сложни структури на нанометрово ниво или с други думи, в същия мащаб като дължината на вълната на светлината. Тези структури влияят върху начина, по който светлината преминава през биологични тъкани, така че по същество те могат да филтрират определени дължини на вълната и да произведат наистина силни цветове. И всъщност структурните цветове са най-ярките и най-интензивните цветове, които получаваме в природата.
Какви различни видове цвят или различни структури, които произвеждат цвят, търсите, когато изучавате тези вкаменелости?
Когато започнах да изучавам цвят, работех със структурния цвят при изкопаемите насекоми. Започнах да гледам тези метални насекоми. Те показваха ярки сини, червени, зелени и жълти, но никой никога не е изучавал какво произвежда тези цветове - имаше само едно проучване на фрагмент от едно парче бръмбар.
Така проучих около 600 от тези насекоми от много различни фосилни находища и заедно с някои сътрудници получихме разрешение да вземем проби от мъничките вкаменелости. Когато направихме това, независимо от това кои видове гледахме, всички тези структури в тези цветни насекоми бяха произведени от структура, наречена многослоен отражател. Микроскопски изглежда основно като сандвич с много наистина тънки слоеве, може би с дебелина само 100 нанометра. Много съвременни насекоми ги имат във външната си черупка. Колкото повече слоеве има, толкова по-светъл е разпръснатият цвят.
Снимки на три от таксоните на бръмбар скараб, които са били използвани в проучвания за тафономия за възпроизвеждане на процеса на фосилизация в лабораторията. По време на процеса цветовете на бръмбарите се променяли. (G. Odin, M. McNamara et al. / Journal of The Royal Society Interface 1742-5662) Интересуваше ни да разберем защо не намираме други структури, като триизмерни фотонни кристали, които са малки, сложни, слоести структури, които пречат на светлинните частици, наречени фотони. Структурите могат да бъдат усукани в диамантена структура, кубична структура, шестоъгълна структура и дори по-сложни структури. Много съвременни насекоми и пеперуди показват това. Например, съвременната пеперуда Morpho е тази приказна синя тропическа пеперуда с люспи, които съдържат 3D фотонични кристали. Затова се запитахме: „защо никога не ги намерихме в записа на вкаменелости?“
Защо мислите, че виждате само многослойни отражателни структури във вкаменелостите, докато други структури, произвеждащи цвят, съществуват в съвременните насекоми?
Направихме някаква експериментална фосилизация, която се нарича тафономия. Репликирахме аспектите на процеса на фосилизация, като позволихме както многослойни отражатели, така и 3D фотонични кристали да се разграждат в лабораторията. И двамата оцеляха след експеримента, който ни каза, че тези 3D фотонични кристали имат същия потенциал на фосилизация като многослойните отражатели - така че някъде трябва да са в изкопаемите изкопаеми.
Започнахме да търсим преди няколко години и докладвахме първия случай на 3D фотонни кристали във фосилни насекоми. Примерът, в който ги намерихме в полето, е много малък, така че в много случаи те просто могат да бъдат пренебрегвани.
Може ли да се промени цвета в процеса на фосилизация?
Въпросът, който срещаме, е дали запазеният цвят е истинският цвят. Първоначално проучихме химията на структурата, като приехме, че тя е същата като съвременните насекоми - или с други думи, предположихме, че тя ще огъва светлината по същия начин. Но когато въвеждаме тези стойности в нашите компютърни модели, те не работеха. Моделите ни казаха, че цветовете на нашите вкаменелости действително са се променили по време на фосилизацията.
С нашите експерименти успяхме да разберем, че промяната се дължи на излишното налягане и по-важното - постоянната температура. Температурата, открихме, наистина води до промяна на цвета на тези структурни цветове, защото физическата структура се свива.
Когато изучавате цвета на изчезнали растения и животни, кои видове оставят след себе си най-добрите доказателства?
Това не е случай на конкретни видове, а случай на запазване на нещата по правилния начин.
Повечето проучвания, които са правени досега, са направени върху пера, или пера при птици, или динозаври, и всички те са запазени като карбонажни компресии: фосили, образувани в утаечна скала под огромно налягане. Това е проблематично, защото не запазвате частите от перо, които са отговорни за немеланиновите цветове.
При съществуващите птици меланинът е почти повсеместен и ефектите на меланина се променят от наличието на други пигменти. Така че, ако вземете отново червените пера на кардинал, те изглеждат червени, но вътре, съдържат каротиноиди, а също и меланозоми. Ако това птиче перо преминава през фосилизация, каротеноидите ще се влошат и всичко, което би ви останало, са меланозоми, [и вие няма да знаете, че кардиналът е зачервен].
Съществува много реална опасност много от реконструкциите, които разглеждахме изкопаеми птици и пернати динозаври, да не са представителни за цветовете на организмите, както може би смятаме. Ако откриете доказателства за меланин във вкаменелости, това може да е показателно за шаблониране, но не и за действителния оттенък. Така че ние твърдим, че тези карбонизирани вкаменелости вероятно не са идеални за изследвания на цвят на изкопаемите.
Въпреки че учените все още не знаят какъв цвят са били динозаврите, те могат да проучат фосилните доказателства за пера и козина, като например на този птерозавър, за да получат представа за засенчване. (Z. Yang, B. Jiang, M. McNamara, et al. / Nature Ecology & Evolution 3, 24–30 (2019)) Какви видове вкаменелости запазват цвета най-добре?
Смятаме, че трябва да търсим фосили, запазени в минерала калциев фосфат. Такъв беше случаят със змията, която изследвахме през 2016 г. Цветовете на змията са запазени; цялата кожа на змията се запазва в калциев фосфат. Красотата на калциевия фосфат е, че той запазва всичко. Целите пигменти на кожата са запазени, включително трите вида пигменти, които произвеждат цвят при съвременните влечуги. Той запазва структурен цвят: червено и жълто и тъмния цвят.
Онези видове вкаменелости, при които сте заключили всичко в калциев фосфат, те всъщност са много по-добра цел за проучвания на цвета на изкопаемите, отколкото карбонизирането.
И така, какъв цвят бяха динозаврите?
Имаме различни пернати динозаври, за които имаме меланин в тези цветови модели, а при съвременните птици оцветяването на меланин се променя от други пигменти. Тези други пигменти не се запазват като вкаменелости, така че засега не можем да бъдем сигурни.
Ако намерихме кожата на динозавъра, която беше наистина добре запазена, щяхме да имаме голям шанс да реконструираме цвета по-подробно. Проблемът е, че повечето динозавърска кожа е запазена като впечатления. Има редица примери, в които действително задържате тънък органичен или минерализиран филм, но въпреки че са проучени няколко, нито един от тях не е дал подробности за пигментите.
Днес често виждаме ярки цветове като токсични предупреждения за хищници или като пищна показност за привличане на половинка или други по-фини цветове, които да служат като камуфлаж. Каква цел е служил цветът за първите цветни животни?
Много динозаври, които виждаме, имат насрещно засенчване, което е, когато гърбът и страните са по-тъмни на цвят, а коремът е с по-блед цвят. Това е стратегия, използвана от много съвременни животни, за да помогне за разчупване на очертанията на тялото в силна светлинна среда [и осигуряване на камуфлаж].
При пернат динозавър, който изучавахме, опашката има много поразителна лента върху нея. Този тип превръзки е много често срещан при животните днес и когато се появява на други участъци от тялото, той обикновено се използва за камуфлаж. Но при този специфичен динозавър той е локализиран на опашката. Така че високият цветен контраст на опашката при съвременните животни често се използва при сексуална сигнализация, така че за чифтосване показва.
Изкопаемата змия, която изследвахме, почти със сигурност използваше цвят за камуфлаж. По дължината му имаше доста поразителни петна и тези петна вероятно отново служеха като разрушаващ камуфлаж, за да разчупят очертанията на тялото при силна светлина.
Жива синя пеперуда от морфо, която има 3D фотонични кристални структури, за да създаде своя ярък оттенък. (Марка / UIG / Гети изображения) Изкопаемият молец и някои изкопаеми насекоми, които изследвахме със структурни цветове - добихме усещането, че техните цветове изпълняват двойна функция, тъй като имат много поразителен зелен цвят. Такъв цвят е плачевен, когато насекомото се крие в растителността, но когато тези пеперуди щяха да се хранят с растенията гостоприемник, щеше да има остър цветен контраст с венчелистчетата на цветето. Много насекоми използват това като предупредителен сигнал, за да рекламират, че хищник е близо.
Какви нови инструменти имаме за изучаване на меките тъкани и какво можем да научим, че до този момент не сме успели да се научим от вкаменелости?
Преди десет години цялата представа, че вкаменелостите могат да запазят цвят, почти не се намираше на радара - имаше само едно проучване. Преди 12 години никой дори не би разбрал, че това е възможно.
Има няколко техники за мас-спектрометрия, които разглеждат молекулните фрагменти по повърхността на вашия материал, но не всички фрагменти са диагностични. Има химически техники, които произвеждат уникални фрагменти от молекулите на меланин, така че не можете да ги объркате с нищо друго. Хората също гледат неорганичната химия на вкаменелостите и се опитват да възстановят подкрепящи доказателства за цвета.
Така че наистина е важно да се вземе предвид тафономията, химията на тъканите и доказателствата за цвета, а един наистина приятен начин за дразнене на биологията от ефектите на фосилизацията е да се правят експерименти.
Симпозиумът „Най-големите хитове на живота: ключови събития в еволюцията“ на 29 март 2019 г. се провежда от 10:00 до 16:30 ч. В Националния природонаучен музей и включва 10 международно признати еволюционни биолози и палеонтолози. Билетът е на разположение тук.
