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      穿越億年的彩色昆蟲

      2020-09-10 15:54:00金鳳
      閱讀時代 2020年9期
      關(guān)鍵詞:體表琥珀化石

      金鳳

      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”。

      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行系統(tǒng)研究后發(fā)現(xiàn),純凈而強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認(rèn)為,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?!?/p>

      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。

      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)遠古昆蟲的顏色演化之謎?蔡晨陽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?!辈坛筷栒f,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)出強烈的具金屬光澤的綠色、藍色、藍綠色、黃綠色或藍紫色。通過與古生、現(xiàn)生物種的對比研究,研究團隊發(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。

      古老昆蟲顏色形成機制還需探究

      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制不同,這兩種機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?!?/p>

      (源自《科技日報》)

      責(zé)編:王曉靜

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