如何给古生物画上正确的颜色

作者: 谦

来源: 中科院地质地球所

发布日期: 2021-07-09 13:55:09

本文详细介绍了古生物学家如何通过科学研究还原古生物的真实颜色,包括生物发光、色素色、结构色等产生颜色的方式,以及通过特异埋藏和分子化石等方法保存和研究古生物的颜色。

颜色是我们识别物体的主要途径之一。大自然赋予生物五彩缤纷的颜色,向世间展现着生机勃勃的景象。不同的生物色可能代表不同的含义,既有用于警示敌人的警戒色,又有用于交流沟通的通讯色。颜色给予了地球多姿多彩的生物,那么问题来了,我们能否知道古生物的颜色呢?答案是肯定的,经过古生物学家们几十年的不懈努力,找到了许多还原古生物真实颜色的方法,下面让我们一起探索。

我们通过古生物复原图看到多彩的古生物形象绝大多数都不是真实的。我们现在看到的化石都是灰色、黄色,完全被周围的岩石成分交代、置换成了石头,皮肤和软组织几乎保存不下来,所以我们根本无法直接从化石上看

出古生物原本的颜色,甚至连体型也只能通过形态学分析来判断。而复原图中古生物皮肤或毛发的颜色,是通过与现代生物对比,同时结合这些生物所处的环境来推测的。

但是,仅凭猜测是永远无法满足广大古生物爱好者的好奇心的,我们要的是真相!当然,研究人员也不是吃素的,经过不懈地研究努力,古生物颜色已有了许多重大突破,“古生物颜色学”这一研究领域也逐渐兴起。

想要知道古生物的颜色,首先要明白生物是怎么产生颜色的。我们都知道颜色是人类肉眼对可见光的视觉效应。而生物产生颜色有三种方式,分别是:生物发光、色素色、结构色。

颜色起到作用的前提,是生物要产生视力。在之前的文章中我们介绍过生物眼睛的进化也是一个循序渐进的过程,直到泥盆纪之后才有了能有效收缩的晶状体。也就是说在之前,生物的颜色在生存中并不重要,更不存在因为颜色而产生的选择性进化。直到眼睛进化到合适的程度,颜色才是影响生物生存的重要因素。

但是,方法总比困难多。我们只要找到一个能保留完整生物的方法就可以,答案就是特异埋藏和分子化石。

特异埋藏指的通过特殊沉积物质埋藏成岩,进而使得生物的微细构造和软组织都能保存下来,例如沥青埋藏、琥珀埋藏等等。独特的保存条件可以让我们有机会看到亿年前的分子化石,进而解读古生物原始的样貌。分子化石,顾名思义,指的是组成生命体的一些有机大分子在成岩过程中保留了化学成分骨架,可以通过气相色谱-质谱仪、飞行时间二次离子质谱等设备观察或标记这些有机分子。这两者结合使提取生物分子化石成为现实。

研究人员首先解决颜色的生物是最负盛名的恐龙。前面讲过,研究人员根据恐龙生存的森林环境和现代生物对比,猜测恐龙皮肤的颜色呈灰绿色或灰褐色。但事实究竟是怎么样的呢?

在早期研究中,布里斯托大学讲师雅各布·文特尔(Jakob Vinther),在2006年受乌贼墨囊的启发,想到了黑色素应是现代生物和恐龙都共同具备的色素。这类色素被储存在体内称为“黑素体”的细胞结构中,这种结构其实是细胞中的空泡,负责黑色素的制造和储存。卵圆形的黑素体制造黑色素,球形的黑素体制造铁锈红色色素。

不仅恐龙的颜色被发现了,还包括其他动物,如蛇类:爱尔兰研究人员在对西班牙矿井中发现的游蛇化石的研究中发现,此块保存完好的蛇皮肤化石中的色素分子具有明显的成层性,且识别出从外到内的虹细胞(闪光细胞)、黄色素细胞、黑色素细胞,黄色素和黑色素相间,反应蛇皮肤可能为黑黄相间的颜色,虹细胞不致色,但可以反射特殊波段,使表面颜色更加绚烂。

对古生物色素色的研究通过黑素体的发现掀起了狂热的研究浪潮,也取得了非常出色的研究成果。尽管有人认为黑色素在化石分布太过局部不能代表整体的颜色,并且目前现代生物的黑色素致色机制还不够清楚,不能下定论。但科学总是在试错的路上不断进步,目前得出了比较符合人们认知的结论,这是一件非常值得赞赏的工作。

对于结构色和生物发光的研究工作,也在近期取得了巨大的进展。昆虫是最具结构色和生物发光色的代表生物,而研究昆虫的主要载体是另一种非常重要的特异埋藏化石——琥珀。

琥珀是十分优质的化石资源,是研究远古生态环境的珍贵标本,由植物分泌的树脂凝固、石化而形成,常可包裹住碰巧在树下路过的虫子,或地上的枝叶,所以能原模原样的保存生物最原始的姿态,甚至能密封住生物的有机结构。之前研究人员就从象鼻虫的琥珀中提取出1.2亿年前的脱氧核糖核酸分子(DNA大分子)。

中国科学院南京地质古生物研究所杨定华绘制

虽然琥珀能保留下完整的昆虫化石,但经过近亿年的变化,颜色也不再是原生的,且当昆虫化石从琥珀中直接取出,很快就会被氧化成银色,所以对琥珀中昆虫化石的色彩研究依旧是件非常困难的事情。

中科院南古所在对这些琥珀化石的研究中取得许多突破性的进展。南古所的蔡晨阳和泮燕红团队通过50纳米的超薄切片刀和扫描电镜发现一些青峰科的昆虫表面具有多层反射膜,而且这些超微纳米级的光学器官竟然在琥珀中保留了近亿年。

这些多层反射膜使得昆虫表面呈现具有金属光泽的结构色,从不同角度看颜色有变化。通过这种方法识别出大部分昆虫表面呈金属光泽的绿色、蓝色、蓝绿色、黄绿色、蓝紫色,并提出多层反射膜是产生结构色的直接原因。

另外是关于生物发光的研究,最广泛具有发光功能的生物当属萤火虫所属的叩甲总科的发光甲虫。

同样是中科院南古所,该所李言达最近的研究发现了缅甸北部琥珀化石中保存完好的9900万年前白垩纪中期的甲虫化石,并发现了发光器的存在,命名为白垩光萤科(Cretophengodidae),为萤火虫类的祖先,与萤火虫有着相似的发光器官。进化出这种发光器官最初的目的是为了抵御捕食者,现在的萤火虫发光还兼具了求偶、警戒、诱捕的功能。

对地球历史巨大的好奇心,驱使着人们想尽一切办法进行探索。在最初的古生物复原图中,生物的颜色只能穷尽想象来填满,但好奇心推动科研不断地发展,经过几十年广大古生物学家的不懈努力,终于在近期有了重大突破。我们终于可以看到最真实的古生物的样貌了,不仅仅只是形态,更有它们的颜色,科研工作让我们一步步更接近真相。但目前我们还知之甚少,未来仍需要大家的共同努力。

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