金鳳

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，大自然中，生龍活虎的動(dòng)物用各種體色演示著進(jìn)化道路上的生存心得。昆蟲作為地球上物種數(shù)量最多的動(dòng)物，更是擁有著極其豐富的色彩。不過，當(dāng)這種絢爛的色彩融入漫長的時(shí)間，成為化石，便從此黯淡無光。

化石中很少保有生物的色彩細(xì)節(jié)，大多數(shù)古生物復(fù)原圖中的色彩，其實(shí)都是根據(jù)藝術(shù)家的想象重建出來的。2020 年，來自中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所的研究團(tuán)隊(duì)，揭開了近一億年前的昆蟲真實(shí)色彩的秘密，為人們了解白堊紀(jì)雨林中與恐龍共存的昆蟲，提供了新的視角。

化石中的古生物顏色難覓蹤跡

自然界中的顏色主要有3個(gè)來源：生物發(fā)光、色素色和結(jié)構(gòu)色。色素色也被稱為化學(xué)色，而結(jié)構(gòu)色也稱物理色，是光照射在物體表面的納米級(jí)組織結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生反射、折射、衍射及干涉而形成的，是自然界中最純凈、最強(qiáng)烈的顏色。

由于化石保存等因素的局限，上述顏色很容易在長期的化石埋藏作用中丟失。也正因如此，對(duì)古生物的顏色復(fù)原一直是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作。

此次研究的第一作者與通訊作者、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）副研究員蔡晨陽介紹，動(dòng)物的結(jié)構(gòu)色有多種來源，最普遍的是動(dòng)物體表的多層反射膜，常見于金龜、蒼蠅、吉丁蟲；還有的來自衍射光柵，常見于孔雀羽毛、藍(lán)閃蝶；光子晶體是比較少見的一種，例如一些呈現(xiàn)歐寶色的象甲科昆蟲。

“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（即生物遺體的軟體部分在沉積物中留下的印跡，遺體雖已消失，但印痕得以保存）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(gè)時(shí)期的化石中發(fā)現(xiàn)過顏色鮮艷的昆蟲。而在之前的研究文獻(xiàn)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。

在當(dāng)時(shí)，學(xué)術(shù)界的普遍觀點(diǎn)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介紹：“色素色是一種化學(xué)色，它在動(dòng)物死后，很快會(huì)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(huì)被破壞，導(dǎo)致褪色、變色?！?/p>

不過，科學(xué)家總能找到古生物顏色的蛛絲馬跡，他們利用動(dòng)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(dòng)物做對(duì)比，以此來重建或推測古代動(dòng)物的顏色。

2018年，王博與德國、英國的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)聯(lián)合刊文稱，他們發(fā)現(xiàn)侏羅紀(jì)（距今1億9960萬年-1億4550萬年）的蛾類鱗片已經(jīng)演化出魚骨狀的衍射光柵等光學(xué)結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)利用化石鱗片數(shù)據(jù)，重建了鱗片微結(jié)構(gòu)的三維光學(xué)模型，最終利用光學(xué)模擬軟件和計(jì)算機(jī)，定量計(jì)算出化石蛾類產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色，推測出這類蛾的鱗片能夠產(chǎn)生銀色或金黃色。2010年，中國、英國和愛爾蘭等三國科學(xué)家，曾在《自然》刊文稱，他們在中國熱河生物群（距今2億-1.4億年前生活在東亞的一個(gè)古老生物群）的鳥類和帶毛的恐龍中發(fā)現(xiàn)兩種黑色素體，將黑色素體的形狀和排列方式與現(xiàn)代鳥類做對(duì)比后推測出，這些帶毛的恐龍和古鳥類的身體已經(jīng)具有了以灰色、褐色、黃色以及紅色為主要色彩的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

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(yuǎn)古昆蟲的顏色演化之謎，對(duì)蔡晨陽來說，源自2015年的一次啟發(fā)。那年，他在美國一家博物館看到桌上擺放著給小朋友科普用的昆蟲標(biāo)本，是介紹色素色和結(jié)構(gòu)色的，他頓時(shí)被吸引住了?；貒?，他開始整理昆蟲體表有金屬光澤的琥珀樣本。

歷經(jīng)多年，他和中科院南古所泮（pàn）燕紅研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)從距今9900萬年的白堊紀(jì)中期的約4萬枚琥珀中，挑選出了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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這35塊琥珀化石中的昆蟲，包括膜翅目、鞘翅目和雙翅目，至少有7個(gè)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?！拔覀冇?0納米的刀，對(duì)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(lán)綠色是由多層重復(fù)出現(xiàn)的納米級(jí)構(gòu)造組成的，也就是多層反射膜?！辈坛筷栒f。在顯微鏡下，他們發(fā)現(xiàn)一只青蜂體表有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(jì)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(shí)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)生過微小變化?！辈坛筷栒f。

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(qiáng)烈的具金屬光澤的綠色、藍(lán)色、藍(lán)綠色、黃綠色或藍(lán)紫色。通過與古生、現(xiàn)生物種的對(duì)比研究，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這些化石昆蟲對(duì)應(yīng)的現(xiàn)生屬種有類似的帶有金屬光澤的顏色。“這次發(fā)現(xiàn)直接證明了多層反射膜能夠在長期地質(zhì)歷史中穩(wěn)定保存，否定了前人關(guān)于昆蟲金屬色不能在中生代化石中保存的觀點(diǎn)，并對(duì)我們認(rèn)識(shí)早期昆蟲結(jié)構(gòu)色生態(tài)功能的演化，具有重要意義?！辈坛筷栒f。

古老昆蟲顏色的形成機(jī)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，并不是恒定不變的。

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(huì)在短期內(nèi)變成單一的銀色，但金屬光澤仍可保存，而且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銀色昆蟲的形成原因，以及對(duì)早期昆蟲特征的認(rèn)定和描述，均具有重要的參考價(jià)值。

“不過，現(xiàn)代有一種金龜子，體表也呈現(xiàn)為銀色，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(jī)制不同。這兩種機(jī)制分別是由什么原因造成的，多層反射膜的厚度和折射率會(huì)不會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化，還需要繼續(xù)探究。”蔡晨陽說。

琥珀昆蟲的結(jié)構(gòu)色有著重要的生態(tài)意義。比如其中較為常見的綠色，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。另外還有一種可能性，那就是結(jié)構(gòu)色參與了昆蟲的熱調(diào)節(jié)。因此，不同色彩的結(jié)構(gòu)色出現(xiàn)在不同種類的昆蟲中，在一定程度上暗示著，白堊紀(jì)中期的森林中已經(jīng)存在著復(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(jìn)化出結(jié)構(gòu)色——例如侏羅紀(jì)甲蟲是否也有多層反射膜，由此為發(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(yùn)用結(jié)構(gòu)色對(duì)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)進(jìn)行打印，不使用顏料就能呈現(xiàn)多種色彩，既節(jié)省資源，又能減少對(duì)環(huán)境的污染?！?/p>

本文內(nèi)容來自《科技日報(bào)》