Наука

Как учените знаят какви цветове са били праисторическите животни? | Наука

За нетренираното око повечето фосили не изглежда да се пръскат от цвят. Публикуван е първият научен анализ на фосилния цвят 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 на миналото. Когато хората мислят за палеонтология, те често мислят за твърди зъби и кости, но по-меките части на животните, като кожата, мускулната тъкан и вътрешните органи, също могат да бъдат запазени във вкаменелостите. Разбира се, много по-рядко е, защото гъвкавите неща обикновено изгниват, но меките тъкани са точно такъв вид екземпляри, които Макнамара търси. Тя изучава тъканите от насекоми и гръбначни животни, за да си представи как са изглеждали тези същества и как са си взаимодействали със заобикалящата ги среда - какви са били техните хищници, къде са живели, какви са били техните брачни навици и други.



Макнамара ще обсъжда работата си по намирането на цветни остатъци във вкаменелости в Националния природонаучен музей на Смитсониън Най-големите хитове на живота: ключови събития в еволюцията 'симпозиум в петък, 29 март, във Вашингтон. Преди да говори, Smithsonian.com говори с Макнамара, за да научи повече за цветовете на древния свят.



име на дракона в хобита

Научно казано, какво е цветът и как се измерва?

Цветът е просто видима светлина. Всичко, което разсейва 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 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 виждат ултравиолетова светлина и потенциално в инфрачервената, която има по-дълги вълни. Това, което наричате цвят, наистина зависи от това какво 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 цветът се развива в природата?

Цветът може да се получи по два различни начина. Много съвременни организми, включително животни, произвеждат цвят, използвайки пигменти. Пигментите са химикали, които селективно поглъщат светлина със специфични дължини на вълната. Например листата на растенията изглеждат зелени, защото молекулите в хлорофила вътре в листата поглъщат всички дължини на вълните в червената и синята част на спектъра и отразяват зелените и жълтите, които можем да видим.



Бръмбари

Насекомите са доминиращата форма на живот на животните на Земята с повече от 1 милион описани вида и вероятно до 15 пъти повече 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 едни от най-често срещаните пигменти са меланините. Те произвеждат цвета на косата ни. Те произвеждат например кафявите цветове при гъбичките и тъмните цветове на птичи пера.

Също така имаме общи пигменти, наречени каротеноиди, които се произвеждат изключително от растения. Но много животни поглъщат каротеноиди в диетата си и те ги използват за оцветяване на тъканите. Така например, червеният цвят на кардинал, който е често срещан на източния бряг на Съединените щати, се произвежда от каротеноиди, които птиците приемат в диетата си плодове и плодове . Розовите пера на фламинго са получени от каротеноиди в водораслите, които малките скариди ядат, което е любимото ястие на птиците.

Но всъщност има съвсем различен начин за създаване на цвят и това се нарича структурен цвят. Структурният цвят изобщо не използва пигменти и вместо това използва много богато украсени тъканни структури в наномащаба. По принцип тъканите на някои животни ще се сгънат в много сложни структури на нанометрово ниво - или с други думи, в същия мащаб като дължината на вълната на светлината. Тези структури оказват влияние върху начина, по който светлината преминава през биологичните тъкани, така че те могат по същество да филтрират определени дължини на вълната и да създадат наистина силни цветове. И всъщност структурните цветове са най-ярките и интензивни цветове, които получаваме в природата.

Какви различни видове цветове или различни структури, които произвеждат цвят, търсите, когато изучавате тези вкаменелости?

Когато започнах да изучавам цвят, работех със структурния цвят на изкопаемите насекоми. Започнах да гледам тези метални насекоми. Те показаха ярки сини, червени, зелени и жълти, но никой никога не беше изучавал действително какво произвежда тези цветове - имаше само едно изследване на фрагмент от едно парче бръмбар.

Така че изучих около 600 от тези насекоми от много различни находища на изкопаеми и заедно с някои сътрудници получихме разрешение да вземем проби от малките вкаменелости. Когато направихме това, независимо от вида, който разглеждахме, всички тези структури в тези цветни насекоми са произведени от структура, наречена многослоен рефлектор. Микроскопски изглежда като сандвич с много наистина тънки слоеве, с дебелина едва 100 нанометра. Много съвременни насекоми имат такива във външната си обвивка. Колкото повече слоеве има, толкова по-ярък е цветът, който е разпръснат.

Bettle Color Decay

Снимки на три от таксоните на бръмбари скарабей, които са били използвани при проучвания за тафономия за възпроизвеждане на процеса на вкаменяване в лабораторията. По време на процеса цветовете на бръмбарите се променят.( G. Odin, M. McNamara et al. / Вестник на Интерфейса на Кралското общество 1742-5662 )

Интересувахме се да разберем защо не откриваме 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, модерната пеперуда Morpho е тази приказна синя тропическа пеперуда с люспи, които съдържат 3D фотонни кристали. Затова се зачудихме, защо никога не сме намерили такива във вкаменелостите?

Защо мислите, че сте виждали само многослойни рефлекторни структури във вкаменелостите, докато други съоръжения, произвеждащи цвят, съществуват в съвременните насекоми?

Направихме известно експериментално вкаменяване, което се нарича тафономия. Възпроизведохме аспектите на процеса на вкаменяване, като позволихме както многослойните рефлектори, така и 3D фотонните кристали да се разграждат в лабораторията. И двамата оцеляха от експеримента, който ни каза, че тези триизмерни фотонни кристали имат същия фосилизационен потенциал като многослойните рефлектори - така че те някъде трябва да са във вкаменелостите.

Започнахме да търсим преди няколко години и докладвахме за първия случай на 3D фотонни кристали в изкопаеми насекоми. Примерът, в който ги намерихме на полето, е много малък, така че в много случаи те може просто да бъдат пренебрегнати.

Джейн Елиът синьо око кафяво око

Може ли цветът да се промени в процеса на вкаменяване?

Въпросът, който срещаме, е дали запазеният цвят е истинският цвят. Първоначално изучихме химията на структурата, като предположихме, че тя е същата като съвременните насекоми - или с други думи, предполагахме, че тя ще огъва светлината по същия начин. Но когато въвеждаме тези стойности в нашите компютърни модели, те не работят. Моделите ни казаха, че цветовете на нашите вкаменелости всъщност са се променили по време на вкаменяването.

С нашите експерименти успяхме да разберем, че промяната се дължи на свръхналягане и, по-важното, стабилна температура. Установихме, че температурата наистина води до промяна на цвета на тези структурни цветове, тъй като физическата структура се свива.

Когато изследвате цвета на изчезналите растения и животни, кои видове оставят след себе си най-добрите доказателства?

Това не е случай на конкретни видове, а случай да се запазят нещата по правилния начин.

Повечето проучвания, които са правени досега, са правени върху пера, или пера при птици, или динозаври, и всички те са запазени като карбонатни компресии: фосили, образувани в седиментни скали под огромен натиск. Това е проблематично, защото не запазвате частите от перата, които са отговорни за немеланиновите цветове.

При съществуващите птици меланинът е почти повсеместен и ефектите на меланина се модифицират от присъствието на други пигменти. Така че, ако вземете отново червените пера на кардинал, те изглеждат червени, но вътре, те съдържат каротеноиди, а също и меланозоми. Ако това птиче перо премине през вкаменяване, каротеноидите ще се разградят и всичко, което ще ви остане, са меланозомите [и не бихте знаели, че кардиналът е червен].

Съществува съвсем реална опасност, че много от реконструкциите, които сме разглеждали на изкопаеми птици и пернати динозаври, може да не са представителни за цветовете на организмите, както бихме могли да мислим. Ако откриете доказателства за меланин във вкаменелости, това може да е показателно за рисуване, но не и за действителния оттенък. Така че ние твърдим тогава, че тези карбонизационни фосили вероятно не са идеални за изследване на фосилен цвят.

Птерозавър

Въпреки че учените все още не знаят какъв цвят са били динозаврите, те могат да проучат изкопаемите доказателства за пера и козина, като този птерозавър, за да добият 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 вкаменелости, запазени в минерала калциев фосфат. Това беше дело със змията че сме учили 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. Цялите пигменти на кожата са запазени, включително трите вида пигменти, които произвеждат цвят в съвременните влечуги. Той запазва структурния цвят: червен и жълт и тъмния цвят.

Тези видове вкаменелости, при които сте заключили всичко в калциев фосфат, всъщност са много по-добра цел за изследване на фосилния цвят от компресирането на карбонизацията.

И така, какъв цвят бяха динозаврите?

Имаме различни пернати динозаври, за които имаме меланин в тези цветни модели, а при съвременните птици оцветяването на меланина се модифицира от други пигменти. Тези други пигменти не са запазени като вкаменелости, така че засега не можем да сме сигурни.

Ако открием кожата на динозаврите, която наистина беше добре запазена, щяхме да имаме голям шанс да възстановим цвета по-подробно. Проблемът е, че по-голямата част от кожата на динозаврите се запазва като впечатления. Има редица примери, при които всъщност задържате тънък органичен или минерализиран филм, но въпреки че няколко са проучени, нито един всъщност не дава подробности за пигментите.

Днес често виждаме ярките цветове като токсични предупреждения за хищниците или като пищен дисплей за привличане на партньор или други по-фини цветове, които да служат като камуфлаж. Каква цел е служил цветът за първите цветни животни?

Много динозаври, които виждаме, имат засенчване, което е, когато гърбът и стените са по-тъмни на цвят, а коремът е по-блед. Това е стратегия, използвана от много съвременни животни, за да помогне за разбиването на контурите на тялото в силна светлина среда [и осигуряване на камуфлаж].

В пернат динозавър изучавахме, опашката има много поразителни ленти. Този тип лентиране е много често при животните днес и когато се среща в други области на тялото, обикновено се използва за маскиране. Но при този специфичен динозавър той е локализиран до опашката. Така че високият цветен контраст в опашката при съвременните животни често се използва при сексуална сигнализация, така че за чифтосване на дисплеи.

Изкопаемата змия, която изучавахме, почти сигурно използваше цвят за камуфлаж. По дължината си имаше доста поразителни петна и тези петна вероятно отново служеха като разрушителен камуфлаж, за да разбият контурите на тялото при силна светлина.

Синя пеперуда

Ярко синьо Morpho peleides пеперуда, която има 3D фотонни кристални структури, за да създаде своя ярък оттенък.(Марка / UIG / Гети Имиджис)

The фосилен молец и някои фосилни насекоми изучавахме със структурни цветове - имахме усещането, че техните цветове изпълняват двойна функция, защото имат много поразителен зелен цвят. Такъв цвят е загадъчен, когато насекомото се крие в растителността, но когато тези пеперуди биха се хранили с растенията гостоприемници, 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 изследване на меките тъкани и какво можем да научим, но не сме успели да се научим от вкаменелости до този момент?

Преди десет години цялата идея, че вкаменелостите могат да запазят цвета, едва ли беше на радара - имаше само едно проучване. Преди 12 години никой дори не би знаел, че това е възможно.

от какво племе произхождат покахонтата

Има няколко техники за масова спектрометрия, които разглеждат молекулните фрагменти на повърхността на вашия материал, но не всички фрагменти са диагностични. Има химически техники, които произвеждат уникални фрагменти от молекулите на меланина, така че не можете да ги объркате с нищо друго. Хората също разглеждат неорганичната химия на вкаменелостите и се опитват да възстановят подкрепящи доказателства за цвета.

Така че е наистина важно да се вземат предвид тафономията, тъканната химия и доказателствата за цвета, а един наистина хубав начин да се дразни биологията от ефектите на вкаменяване е да се правят експерименти.

Симпозиумът Най-големите хитове на живота: ключови събития в еволюцията на 29 март 2019 г. се провежда от 10 ч. до 16:30 ч. в Националния природонаучен музей и разполага с 10 международно признати еволюционни биолози и палеонтолози. Билетът е на разположение тук .



^