Znanost

Kako znanstveniki vedo, kakšne barve so bile prazgodovinske živali? | Znanost

Za neizučeno oko se zdi, da večina fosilov ne preplavi barve. Objavljena je bila prva znanstvena analiza fosilnih barv šele pred desetletjem , do nedavnega pa se je zdelo, da je določanje barvne palete prazgodovinskega sveta nepremagljiva naloga.

Maria McNamara, paleontologinja z University College Cork na Irskem, poskuša sestaviti fosilne dokaze, da bi ustvarila barvito sliko preteklosti. Ko ljudje pomislijo na paleontologijo, pogosto pomislijo na trde zobe in kosti, mehkejše dele živali, kot so koža, mišično tkivo in notranji organi, pa je mogoče ohraniti tudi v fosilnih evidencah. Seveda je veliko bolj redko, ker mehke stvari ponavadi zgnijejo, a mehka tkiva so točno takšni primerki, kot jih išče McNamara. Preučuje tkiva žuželk in vretenčarjev, da bi si zamislila, kako so bili ti bitji videti in kako so vplivali na svoje okolje - kakšni so bili njihovi plenilci, kje so živeli, kakšne so bile njihove paritvene navade in še več.



McNamara bo razpravljala o svojem delu pri iskanju barvnih ostankov v fosilih v Smithsonian's National Natural History Museum's ' Life's Greatest Hits: Ključni dogodki v evoluciji 'simpozij v petek, 29. marca, v Washingtonu. Pred njenim pogovorom se je Smithsonian.com pogovarjal z McNamaro, da bi izvedel več o barvah starodavnega sveta.



robert e lee pismo Lincolnu

Kaj je znanstveno gledano barva in kako se meri?

Barva je preprosto vidna svetloba. Karkoli razprši energijo med valovnimi dolžinami 400 in 700 nanometrov, znanstveniki imenujejo vidna svetloba. Človeško oko je usposobljeno za zaznavanje subtilnih razlik v energiji znotraj tega okna. Druge živali lahko vidijo barvo za tem oknom. Na primer, ptice imajo občutljivost na ultravijolično svetlobo, zato lahko zaznajo krajše valovne dolžine energije. Mnoge žuželke lahko vidijo tudi ultravijolično svetlobo in potencialno v infrardeči svetlobi, ki ima daljšo valovno dolžino. Kako imenujete barva, je v resnici odvisno od tega, kakšna žival ste.



Poenostavljeno povedano, barva je oblika energije, ki jo lahko zaznamo, različne valovne dolžine pa ustvarjajo različne barve.

Na kakšen način se v naravi razvija barva?

Barvo lahko izdelamo na dva različna načina. Številni sodobni organizmi, vključno z živalmi, proizvajajo barvo z uporabo pigmentov. Pigmenti so kemikalije, ki selektivno absorbirajo svetlobo določenih valovnih dolžin. Na primer, rastlinski listi so videti zeleni, ker molekule v klorofilu znotraj listov absorbirajo vse valovne dolžine v rdečem in modrem delu spektra in odražajo zelenje in rumene, ki jih lahko vidimo.



Hrošči

Žuželke so prevladujoča oblika živalskega življenja na Zemlji z več kot milijonom opisanih vrst in morda še 15-krat več neznanih. Med žuželkami so se hrošči izkazali za eno najuspešnejših - in barvitih - skupin, saj predstavljajo 40 odstotkov vseh vrst žuželk in 30 odstotkov vseh živalskih vrst.(Chip Clark / Smithsonian Institution)

Najpogostejši pigment v rastlinah je klorofil, pri živalih pa so nekateri najpogostejši pigmenti melanini. Proizvajajo barvo naših las. Rdeče barve na primer naredijo v glivah in temno obarvane barve ptičjega perja.

Imamo tudi pogoste pigmente, imenovane karotenoidi, ki jih proizvajajo izključno rastline. Toda številne živali zaužijejo karotenoide v svoji prehrani in jih uporabljajo za barvanje tkiv. Tako na primer rdečo barvo kardinala, ki je pogosta na vzhodni obali ZDA, proizvajajo karotenoidi, ki jih ptice zaužijejo s svojo prehrano. sadje in jagode . Rožnato perje flamingov izvira iz karotenoidov v algah, ki jih jedo drobne kozice, kar je pticam najljubši obrok.

Toda pravzaprav obstaja povsem drugačen način ustvarjanja barv, ki se imenuje strukturna barva. Strukturna barva sploh ne uporablja pigmentov, temveč namesto tega uporablja zelo okrašene tkivne strukture na nanometru. V bistvu se nekatera živalska tkiva nagnejo v zelo zapletene strukture na nanometrski ravni - ali z drugimi besedami, v enakem merilu kot valovna dolžina svetlobe. Te strukture vplivajo na način, kako svetloba prehaja skozi biološka tkiva, zato lahko v bistvu filtrirajo določene valovne dolžine in ustvarijo res močne barve. In dejansko so strukturne barve najsvetlejše in najintenzivnejše barve, ki jih dobimo v naravi.

Katere različne vrste barv ali različne strukture, ki proizvajajo barvo, iščete pri proučevanju teh fosilov?

Ko sem začel preučevati barvo, sem delal s strukturno barvo fosilnih žuželk. Začel sem gledati te kovinske žuželke. Prikazali so svetle modre, rdeče, zelene in rumene barve, vendar nihče nikoli ni zares preučeval, kaj proizvaja te barve - obstajala je le ena študija drobca enega kosa hrošča.

Tako sem preučil približno 600 teh žuželk iz številnih različnih fosilnih krajev in skupaj z nekaterimi sodelavci dobil dovoljenje za jemanje vzorcev drobnih fosilov. Ko smo to storili, ne glede na to, katere vrste smo gledali, je vse te strukture teh barvnih žuželk ustvarila struktura, imenovana večplastni reflektor. Mikroskopsko je v bistvu videti kot sendvič z veliko res tankimi plastmi, debelimi morda le 100 nanometrov. Številne sodobne žuželke jih imajo v zunanji lupini. Več slojev je, svetlejša je razpršena barva.

Bettle Color Decay

Fotografije treh taksonov hroščev skarabejev, ki so bile uporabljene v študijah tafonomije za ponovitev procesa fosilizacije v laboratoriju. Med postopkom so se barve hroščev spremenile.( G. Odin, M. McNamara et al. / Journal of The Royal Society Interface 1742-5662 )

Zanimalo nas je, zakaj nismo našli drugih struktur, na primer tridimenzionalnih fotonskih kristalov, ki so drobne, kompleksne, večplastne strukture, ki motijo ​​svetlobne delce, imenovane fotoni. Strukture so lahko zvite v diamantno strukturo, kubično strukturo, šesterokotno strukturo in še bolj zapletene strukture. Veliko sodobnih žuželk in metuljev to kaže. Na primer, sodobni metulj Morpho je ta čudovit modri tropski metulj z luskami, ki vsebujejo 3D fotonske kristale. Vprašali smo se, zakaj tega nismo nikoli našli v fosilnih evidencah?

Zakaj mislite, da ste v fosilih videli le večplastne odsevne strukture, medtem ko obstajajo druge barvne strukture v sodobnih žuželkah?

Naredili smo nekaj eksperimentalnih fosilizacij, ki se jim reče tafonomija. Ponovili smo vidike procesa fosilizacije, tako da smo omogočili, da se v laboratoriju razgradijo večplastni reflektorji in 3D fotonski kristali. Oba sta preživela poskus, ki nam je povedal, da imajo ti 3D fotonski kristali enak fosilizacijski potencial kot večplastni reflektorji - zato morajo biti nekje v fosilnem zapisu.

Iskati smo začeli pred nekaj leti in poročali smo o prvem primeru 3D fotonskih kristalov v fosilnih žuželkah. Primer, ko smo jih našli na terenu, je zelo majhen, zato jih je v mnogih primerih mogoče le spregledati.

prvi lastnik sužnjev v Ameriki

Ali se lahko v procesu fosilizacije spremeni barva?

Vprašanje, s katerim se srečujemo, je, ali je ohranjena barva prava barva. Sprva smo preučevali kemijo strukture z domnevo, da je enaka sodobnim žuželkam - ali z drugimi besedami, domnevali smo, da bo enako svetlobo usmerila. Ko pa te vrednosti vnesemo v naše računalniške modele, niso delovale. Modeli so nam povedali, da so se med fosilizacijo dejansko spremenile barve naših fosilov.

Z eksperimenti smo lahko ugotovili, da je sprememba posledica previsokega tlaka in, kar je še pomembneje, enakomerne temperature. Ugotovili smo, da temperatura resnično spodbuja spremembe barv teh strukturnih barv, ker se fizična struktura skrči.

Katere vrste puščajo za seboj najboljše dokaze pri preučevanju barve izumrlih rastlin in živali?

Ne gre za posamezne vrste, gre za to, da stvari ohranimo na pravi način.

Večina doslej opravljenih raziskav je bila opravljenih na perju, bodisi na perju pri pticah ali dinozavrih, in vsi so bili ohranjeni kot karbonatne kompresije: fosili, nastali v sedimentnih kamninah pod velikim pritiskom. To je problematično, ker ne ohranite delov peresa, ki so odgovorni za nemelaninske barve.

Pri ohranjenih pticah je melanin skoraj povsod prisoten, učinke melanina pa spreminja prisotnost drugih pigmentov. Torej, če ponovno vzamete rdeče perje kardinala, je videti rdeče, v notranjosti pa vsebuje karotenoide in tudi melanosome. Če to ptičje pero preide v fosilizacijo, se bodo karotenoidi razgradili in ostali bi le melanosomi (in ne bi vedeli, da je bil kardinal rdeč).

Obstaja zelo resnična nevarnost, da večina rekonstrukcij fosilnih ptic in pernatih dinozavrov, ki smo si jih ogledali, morda ni reprezentativna za barve organizmov, kot bi si mislili. Če najdete dokaze o melaninu v fosilih, je to lahko znak vzorčenja, ne pa tudi dejanskega odtenka. Torej trdimo, da ti karbonatni fosili verjetno niso idealni za preučevanje fosilnih barv.

Pterosaver

Čeprav znanstveniki še ne vedo, kakšne barve so bili dinozavri, lahko preučijo fosilne dokaze o perju in krznu, na primer na tem pterozavru, da bi dobili idejo o senčenju.(Z. Yang, B. Jiang, M. McNamara in sod. / Nature Ecology & Evolution 3, 24–30 (2019))

Katere vrste fosilov najbolje ohranjajo barvo?

Menimo, da bi morali iskati fosile, ohranjene v mineralu kalcijev fosfat. To je bilo primer s kačo da smo študirali leta 2016. Barve kače so ohranjene; celotna koža kače je ohranjena v kalcijevem fosfatu. Lepota kalcijevega fosfata je v tem, da ohrani vse. Ohranjeni so celotni pigmenti kože, vključno s tremi vrstami pigmentov, ki dajejo barvo sodobnim plazilcem. Ohrani strukturno barvo: rdečo in rumeno ter temno barvo.

Tiste vrste fosilov, pri katerih ste vse zaklenili v kalcijev fosfat, so pravzaprav veliko boljši cilj za preučevanje fosilne barve kot stiskanje karbonizacije.

Torej, kakšne barve so bili dinozavri?

Imamo različne pernate dinozavre, za katere imamo melanin v teh barvnih vzorcih, pri sodobnih pticah pa obarvanje melanina spreminjajo drugi pigmenti. Ti drugi pigmenti niso ohranjeni kot fosili, zato za zdaj ne moremo biti prepričani.

Če bi našli kožo dinozavrov, ki je bila res dobro ohranjena, bi imeli veliko možnosti za podrobnejšo obnovo barve. Težava je v tem, da se večina kože dinozavrov ohrani kot vtisi. Obstajajo številni primeri, ko dejansko zadržite tanek organski ali mineraliziran film, a čeprav je bilo nekaj preučenih, noben dejansko ni dal podrobnosti o pigmentih.

Danes svetle barve pogosto vidimo kot strupena opozorila za plenilce ali kot razkošen zaslon, ki privlači partnerja, ali druge bolj subtilne barve, ki služijo kot prikrivanje. Kakšen namen je barva služila prvim barvitim živalim?

Veliko dinozavrov, ki jih vidimo, ima zasenčenost, takrat so hrbet in stranice temnejše barve, trebuh pa bolj blede barve. To je strategija, ki jo mnoge sodobne živali uporabljajo za razbijanje telesnih obrisov v močnih svetlobnih okoljih [in zagotavljajo kamuflažo].

V pernati dinozaver preučevali smo, rep ima zelo presenetljive trakove. Ta vrsta pasov je danes zelo pogosta pri živalih, in kadar se pojavi na drugih delih telesa, se običajno uporablja za prikrivanje. Toda pri tem specifičnem dinozavru je lokaliziran na repu. Tako se visok barvni kontrast na repu pri sodobnih živalih pogosto uporablja pri spolni signalizaciji, torej za paritve.

Fosilna kača, ki smo jo preučevali, je skoraj zagotovo uporabljala barvo za prikrivanje. Po svoji dolžini je imel precej presenetljive madeže in ti madeži so verjetno spet služili kot moteča kamuflaža, ki je v močni svetlobi razbila obris telesa.

Modri ​​metulj

Živahna modra Morpho peleides metulj, ki ima 3D fotonske kristalne strukture, da ustvari svoj svetel odtenek.(Marka / UIG / Getty Images)

The fosilni molj in nekatere fosilne žuželke preučevali smo s strukturnimi barvami - dobili smo občutek, da imajo njihove barve dvojno funkcijo, ker so imele zelo presenetljivo zeleno barvo. Takšna barva je skrivnostna, ko se žuželka skriva v vegetaciji, ko pa bi se ti metulji hranili z gostiteljskimi rastlinami, bi bil močan barvni kontrast s cvetnimi listi. Mnoge žuželke to uporabljajo kot opozorilni signal za oglaševanje, da je plenilec blizu.

Katera nova orodja imamo za preučevanje mehkih tkiv in kaj se lahko naučimo, česar se do zdaj nismo mogli naučiti iz fosilov?

Pred desetimi leti je bila ideja, da bi fosili lahko ohranili barvo, komaj na radarju - obstajala je le ena študija. Pred dvanajstimi leti nihče sploh ne bi vedel, da je to mogoče.

je kabina strica Toma resnična zgodba

Obstaja več tehnik masne spektrometrije, ki preučujejo molekularne drobce na površini vašega materiala, vendar niso vsi fragmenti diagnostični. Obstajajo kemične tehnike, ki tvorijo unikatne drobce molekul melanina, zato jih ne morete zamenjati z ničemer drugim. Ljudje se ukvarjajo tudi z anorgansko kemijo fosilov in poskušajo najti dokaze o barvi.

Zato je zelo pomembno, da razmislimo o tafonomiji, kemiji tkiva in barvnih dokazih, en res dober način, kako izločiti biologijo iz učinkov fosilizacije, pa je izvajanje eksperimentov.

Simpozij Life's Greatest Hits: Ključni dogodki v evoluciji 29. marca 2019 poteka od 10. do 16.30 v Narodnem muzeju naravne zgodovine in ima 10 mednarodno priznanih evolucijskih biologov in paleontologov. Vstopnice so na voljo tukaj .



^