For det utrente øyet ser det ikke ut til at de fleste fossiler sprenger farger. Den første vitenskapelige analysen av fossil farge ble publisert for bare et tiår siden, og inntil nylig virket det å bestemme fargepaletten til den forhistoriske verden som en uoverkommelig oppgave.
Maria McNamara, en paleontolog ved University College Cork i Irland, prøver å brette sammen fossile bevis for å male et fargerikt bilde av fortiden. Når folk tenker på paleontologi, tenker de ofte på harde tenner og bein, men de mykere delene av dyr, som hud, muskelvev og indre organer, kan også bevares i fossilprotokollen. Det er selvfølgelig mye sjeldnere fordi de squishy tingene råtner bort, men mykt vev er akkurat den typen eksempler McNamara leter etter. Hun studerer vev fra insekter og virveldyr for å se for seg hvordan disse critters så ut og hvordan de samhandlet med miljøene sine - hva deres rovdyr var, hvor de bodde, hva deres paringsvaner kan ha vært og mer.
McNamara vil diskutere sitt arbeid for å finne fargebestemmelsene i fossiler på Smithsonians National Museum of Natural Historys "Life's Greatest Hits: Key Events in Evolution" -symposium fredag 29. mars i Washington DC. I forkant av foredraget snakket Smithsonian.com med McNamara for å lære mer om fargene i den antikke verden.
Vitenskapelig sett, hva er farge, og hvordan måles det?
Farge er ganske enkelt synlig lys. Alt som sprer energi mellom bølgelengdene på 400 og 700 nanometer, er det forskerne kaller synlig lys. Det menneskelige øyet er opplært til å oppfatte subtile forskjeller i energi i det vinduet. Andre dyr kan se farge utover vinduet. For eksempel har fugler følsomhet for ultrafiolett lys, slik at de kan oppfatte kortere bølgelengder av energi. Mange insekter kan også se ultrafiolett lys og potensielt i det infrarøde, som har lengre bølgelengder. Hva du kaller farge avhenger egentlig av hva slags dyr du er.
For å si det i sine enkleste vilkår, er farge en form for energi vi kan oppfatte, og forskjellige bølgelengder skaper forskjellige farger.
På hvilke måter utvikler farge seg i naturen?
Farge kan produseres på to forskjellige måter. Mange moderne organismer, inkludert dyr, produserer farge ved bruk av pigmenter. Pigmenter er kjemikalier som selektivt absorberer lys med spesifikke bølgelengder. For eksempel ser planternes blader grønne ut fordi molekylene i klorofyll inne i bladene tar opp alle bølgelengdene i den røde og den blå delen av spekteret, og de gjenspeiler de grønne og gule gulene vi kan se.
Insekter er den dominerende formen for dyreliv på jorden med mer enn 1 million beskrevne arter og muligens så mange som 15 ganger mer gjenværende ukjente. Blant insekter har biller vist seg å være en av de mest vellykkede - og fargerike - gruppene, som representerer 40 prosent av alle insektarter og 30 prosent av alle dyrearter. (Chip Clark / Smithsonian institusjon) Det vanligste pigmentet i planter er klorofyll, men hos dyr er noen av de vanligste pigmentene melaniner. De produserer fargen på håret vårt. De produserer for eksempel de brune fargene i sopp og de mørke fargene på fuglfjær.
Vi har også vanlige pigmenter kalt karotenoider, og disse produseres utelukkende av planter. Men mange dyr inntar karotenoider i kostholdet, og de bruker dem til å fargelegge vevet. Så for eksempel er den røde fargen på en kardinal, som er vanlig på østkysten av USA, produsert av karotenoider, som fuglene tar i kostholdet deres med frukt og bær. De rosa fjærene fra flamingoer er avledet fra karotenoider i algene som bittesmå reker spiser, som er fuglenes favorittmåltid.
Men det er faktisk denne helt andre måten å produsere farger på, og det kalles strukturell farge. Strukturfarge bruker ikke pigmenter i det hele tatt, og bruker i stedet veldig utsmykkede vevsstrukturer på nanoskalaen. I utgangspunktet vil noen dyrs vev brette seg inn i svært komplekse strukturer på nanometernivå - eller med andre ord i samme skala som bølgelengden til lys. Disse strukturene påvirker måten lys passerer gjennom biologisk vev, slik at de i hovedsak kan filtrere ut visse bølgelengder og produsere virkelig sterke farger. Og faktisk er strukturfarger de lyseste og mest intense fargene som vi får i naturen.
Hvilke forskjellige typer farger, eller forskjellige strukturer som produserer farge, ser du etter når du studerer disse fossilene?
Da jeg begynte å studere farger, jobbet jeg med strukturfargen hos fossile insekter. Jeg begynte å se på disse metalliske insektene. De viste lys blå, røde, grønne og gule, men ingen hadde noen gang virkelig studert hva som produserte disse fargene - det var bare en enkel studie av et fragment av ett bille.
Så jeg studerte rundt 600 av disse insektene fra mange forskjellige fossile lokaliteter, og sammen med noen samarbeidspartnere fikk vi tillatelse til å ta prøver av de små fossilene. Da vi gjorde dette, uavhengig av hvilken art vi så på, ble alle disse strukturene i disse fargede insektene produsert av en struktur kalt en flerlags reflektor. Mikroskopisk ser det i utgangspunktet ut som en sandwich med mange skikkelig tynne lag, kanskje bare 100 nanometer tykke. Mange moderne insekter har disse i sitt ytre skall. Jo flere lag det er, jo lysere er fargen som er spredt.
Fotografier av tre av scarab bille-taxaene som ble brukt i studier av taphonomi for å gjenskape fossiliseringsprosessen i laboratoriet. Under prosessen endret fargene på billene. (G. Odin, M. McNamara et al. / Journal of The Royal Society Interface 1742-5662) Vi var interessert i å finne ut hvorfor vi ikke fant andre strukturer, for eksempel tredimensjonale fotoniske krystaller, som er ørsmå, komplekse, lagdelte strukturer som forstyrrer lyspartikler som kalles fotoner. Strukturene kan bli vridd til en diamantstruktur, en kubisk struktur, en sekskantet struktur og enda mer komplekse strukturer. Mange moderne insekter og sommerfugler viser dette. For eksempel er den moderne Morpho-sommerfuglen denne fantastiske blå tropiske sommerfuglen med skalaer som inneholder 3D-fotoniske krystaller. Så vi lurte på, "hvorfor fant vi aldri disse i fossilprotokollen?"
Hvorfor tror du at du bare så flersjikt reflektorkonstruksjoner i fossilene mens andre fargeproduserende strukturer finnes i moderne insekter?
Vi gjorde noe eksperimentell fossilisering, som kalles taphonomi. Vi gjenskaper aspektene ved fossiliseringsprosessen ved å la både flerlagsreflektorer og 3D-fotoniske krystaller forringes i laboratoriet. Begge overlevde eksperimentet, som fortalte oss at disse 3D-fotoniske krystaller hadde samme fossiliseringspotensial som flerlagsreflektorene - så de må være i fossilprotokollen et sted.
Vi begynte å lete for noen år siden, og vi rapporterte om det første tilfellet av fotoniske 3D-krystaller i fossile insekter. Eksemplet der vi fant dem i feltet er veldig lite, så i mange tilfeller kan de bare bli oversett.
Kan farge endres i fossiliseringsprosessen?
Spørsmålet vi møter er om den bevarte fargen er den virkelige fargen. Vi studerte opprinnelig strukturens kjemi ved å anta at den er den samme som moderne insekter - eller med andre ord antok vi at den ville bøye lys det samme. Men når vi la inn disse verdiene i datamaskinmodellene våre, fungerte de ikke. Modellene fortalte oss at fargene på fossilene våre faktisk hadde endret seg under fossiliseringen.
Med våre eksperimenter klarte vi å finne ut at endringen skyldtes overtrykk og, enda viktigere, jevn temperatur. Vi fant temperatur, som virkelig driver fargeendring av disse strukturelle fargene fordi den fysiske strukturen krymper.
Hvilke arter etterlater de beste bevisene når du studerer fargen på utdødde planter og dyr.
Det er ikke et tilfelle av spesielle arter, det er snakk om å få ting bevart på riktig måte.
De fleste studiene som er gjort så langt, er gjort på fjær, enten fjær hos fugler eller dinosaurer, og de har alle blitt bevart som karbonatiseringskompressjoner: fossiler dannet i sedimentær bergart under enormt trykk. Dette er problematisk fordi du ikke bevarer de delene av fjæren som er ansvarlig for fargene som ikke er melanin.
Hos eksisterende fugler er melanin nesten allestedsnærværende, og effekten av melanin modifiseres av tilstedeværelsen av andre pigmenter. Så hvis du tar igjen de røde fjærene til en kardinal, ser de røde ut, men inne, inneholder de karotenoider og også melanosomer. Hvis den fuglefjæren går gjennom fossilisering, vil karotenoidene brytes ned, og alt du vil ha igjen er melanosomer, [og du ville ikke vite at kardinalene var røde].
Det er en veldig reell fare for at mange av rekonstruksjonene vi har sett på av fossile fugler og fjærete dinosaurer, kanskje ikke er representative for fargene på organismer som vi kanskje tror. Hvis du finner bevis på melanin i fossiler, kan det være et tegn på mønstring, men ikke på den faktiske fargen. Så vi hevder da at disse karbonatiseringsfossilene sannsynligvis ikke er ideelle for studier av fossil farge.
Selv om forskere ennå ikke vet hva fargen dinosaurer var, kan de studere det fossile beviset på fjær og pels, for eksempel på denne pterosauren, for å få en ide om skyggelegging. (Z. Yang, B. Jiang, M. McNamara, et al. / Nature Ecology & Evolution 3, 24–30 (2019)) Hvilke typer fossiler bevarer fargen best?
Vi tror vi bør se etter fossiler som er bevart i mineralsk kalsiumfosfat. Det var tilfelle med slangen som vi studerte i 2016. Fargene på slangen er bevart; hele slangens hud er bevart i kalsiumfosfat. Det fine med kalsiumfosfat er at det bevarer alt. Hele pigmentene i huden er bevart, inkludert de tre typene pigmenter som gir farge i moderne krypdyr. Det bevarer strukturell farge: rød og gul, og den mørke fargen.
De slags fossiler der du har låst alt i kalsiumfosfat, de er faktisk et mye bedre mål for studier av fossil farge enn karbonatiseringskompresjon.
Så hvilken farge var dinosaurene?
Vi har forskjellige fjærede dinosaurer som vi har melanin i disse fargemønstrene for, og hos moderne fugler blir melaninfarging modifisert av andre pigmenter. Disse andre pigmentene er ikke bevart som fossiler, så vi kan ikke være sikre på nå.
Hvis vi fant dinosaurhud som virkelig var godt bevart, ville vi ha en god sjanse til å rekonstruere farge mer detaljert. Problemet er at de fleste dinosaurhud blir bevart som inntrykk. Det er en rekke eksempler der du faktisk beholder en tynn organisk eller mineralisert film, men selv om noen få er studert, har ingen faktisk gitt detaljer om pigmentene.
I dag ser vi ofte lyse farger som giftige advarsler til rovdyr eller som en overdådig skjerm for å tiltrekke en kompis, eller andre mer subtile farger for å tjene som kamuflasje. Hvilket formål tjente farge for de første fargerike dyrene?
Mange dinosaurer vi ser har skyggelegging, det er når baksiden og sidene er mørkere og magen er lysere. Dette er en strategi som mange moderne dyr bruker for å hjelpe til med å bryte kroppsoversikten i sterke lysmiljøer [og gi kamuflasje].
I en fjærete dinosaur vi studerte, har halen veldig slående bånd på seg. Den typen banding er veldig vanlig hos dyr i dag, og når den forekommer på andre områder av kroppen, brukes den vanligvis til kamuflasje. Men i denne spesifikke dinosauren er den lokalisert til halen. Slik at høy fargekontrast i halen hos moderne dyr ofte blir brukt i seksuell signalering, så for parringsvisninger.
Den fossile slangen som vi studerte brukte nesten helt sikkert farger til kamuflasje. Den hadde ganske slående flekker i lengden, og de flekkene tjente sannsynligvis igjen som forstyrrende kamuflasje, for å bryte kroppens omriss i sterkt lys.
En levende blå Morpho peleides- sommerfugl, som har 3D fotoniske krystallstrukturer for å produsere den lyse fargen. (Marka / UIG / Getty Images) Den fossile møllen og noen fossile insekter vi studerte med strukturelle farger - vi fikk en følelse av at fargene deres tjente en dobbel funksjon fordi de hadde en veldig slående grønn farge. En slik farge er kryptisk når insektet gjemmer seg i vegetasjon, men når disse sommerfuglene ville ha matet på vertsplantene, ville det ha vært en skarp fargekontrast med blomsterbladene. Mange insekter bruker dette som et advarselssignal for å annonsere at et rovdyr er i nærheten.
Hvilke nye verktøy har vi for å studere bløtvev, og hva kan vi lære at vi ikke har klart å lære av fossiler frem til dette tidspunktet?
For ti år siden var hele forestillingen om at fossiler kunne bevare farge knapt på radaren - det var bare en studie ut. For tolv år siden var det ingen som engang ville vite at dette var mulig.
Det er flere massespektrometriteknikker som ser på molekylfragmentene på overflaten av materialet ditt, men ikke alle fragmentene er diagnostiske. Det er kjemiske teknikker som produserer unike fragmenter av melaninmolekylene, slik at du ikke kan forveksle dem med noe annet. Folk ser også på den uorganiske kjemien til fossiler og prøver å gjenvinne støttende bevis på farger.
Så det er veldig viktig å ta hensyn til taphonomien, vevets kjemi og bevisene på farger, og en virkelig fin måte å drille ut biologien på fra virkningene av fossilisering er å gjøre eksperimenter.
Symposiet “Livets største treff: viktige hendelser i evolusjonen” 29. mars 2019 finner sted fra klokka 10 til 16:30 på National Museum of Natural History og inneholder 10 internasjonalt anerkjente evolusjonsbiologer og paleontologer. Billett er tilgjengelig her.
