这些昆虫为何穿越亿年仍能“自带光芒”

科学家揭示了琥珀中白垩纪昆虫的本色

一些学者先前在5000万年前的始新世化石中发现了与颜色有关的昆虫的纳米结构,但昆虫是否在1亿年前就已经进化出结构颜色 ,这仍是一个谜。

从孔雀羽毛的璀璨光芒到毒箭蛙的明亮警示色,再到北极熊的白色伪装 。在动物界,龙和虎使用各种身体颜色掩盖各种“方案”。

昆虫是地球上物种最多的生物,显示出极其丰富的色彩。它们的颜色分为颜料色和结构色。甲壳,蝴蝶或飞蛾的鳞片具有金属光泽 ,是典型的结构颜色 。但是 ,当这种绚烂的东西融化成化石时,此后就一直黯淡无光。

目前 ,生物颜色的细节很少保存在化石中 。地质历史中原始结构颜色的证据极为罕见。大多数古代生物修复图都是根据画家的想象而重建的 。

最近 ,中国科学院南京地质与古生物研究所(以下简称中国科学院南固研究所)的科研团队揭开了将近一亿年前昆虫本色的秘密。在对白垩纪缅甸琥珀中的金属色昆虫进行系统研究之后,他们发现可以将纯净而强烈的色彩直接保留在昆虫表面上 ,而谜团则隐藏在昆虫表面内部的特殊纳米结构中。相关研究最近在线发表在英国的“皇家学会论文集B系列”上,为了解与白垩纪雨林中的恐龙共存的昆虫提供了新的视角。

在化石中很难找到古生物学的颜色

自然界中有三种主要的颜色来源,即生物发光,颜料颜色和结构颜色。通过将光照射到昆虫体表面上的微结构以产生折射,衍射和干涉来形成结构色。它是自然界中最纯净,最强的颜色 。

由于化石保存的局限性和其他因素,古代生物的色彩恢复一直是一项非常复杂的任务。

这项研究的第一作者 ,通讯作者,中国科学院南固研究所的副研究员蔡晨阳告诉《科技日报》,动物的结构色也有多种来源。最常见的是动物表面的多层反射膜,这在圣甲虫 ,苍蝇,毛毛虫中很常见。其他来自衍射光栅,通常在孔雀羽毛和蓝色闪光蝴蝶中发现;光子晶体是一种相对罕见的类型,例如欧宝色的象鼻虫。

“化石中的结构颜色可以为生物之间的视觉交流和颜色的功能演化提供重要证据 。以前,一些学者在大约5000万年前的始新世发现了印迹化石的颜色。有关昆虫的纳米结构。但是关于距今1亿年前的昆虫是否进化出了结构色一直是个谜,在此之前的化石中我们还没有发现颜色鲜艳的昆虫,在文献中,许多学者认为中生代的结构色也很难分辨 。保留 。”蔡晨阳说 。

目前,学术界普遍认为,无论是颜料色还是结构色,都很难在化石中找到痕迹 。南方古代中国科学院研究所研究员王波告诉记者 :“颜料的颜色是一种动物死亡后会迅速降解的化学颜色很难保存;结构色具有纳米结构,但在高温高压的地质演化和腐蚀作用下会破坏结构,导致变色和变色。”

但是,科学家总是可以找到古生物学色彩的痕迹  。他们利用动物表面极薄的蜡层,凹槽,接缝和黑色素结构与活体动物进行比较 ,以重建或推测古代动物的颜色。

王波和来自德国和英国的科学家团队在2018年发表了一篇联合文章,称他们发现侏罗纪蛾鳞鳞片已经演化出鱼骨形衍射光栅等光学结构 。该团队使用化石尺度数据重建了尺度微观结构的三维光学模型  。最后,利用光学仿真软件和计算机对飞蛾产生的结构颜色进行定量计算 。据推测 ,飞蛾鳞片会产生银或金黄色。

2010年,来自中国,英国和爱尔兰的科学家在《自然》杂志上说 ,他们在中国ReheBiota的鸟类和有毛恐龙中发现了两种黑素体,并结合了黑素体的形状和形状。与现代鸟类相比,这种安排推测这些毛茸茸的恐龙和远古鸟类的身体已经以灰色,棕色,黄色和红色为主要颜色 。

多层反光膜可保持昆虫数百年的色彩

对于蔡晨阳来说,如何从结构色彩中发现古代昆虫的颜色演变之谜,是从2015年的灵感中获得的  。那一年,他在美国一家博物馆的桌子上看到了一个昆虫标本,用于科学普及。国家 ,引入颜料和结构色。他立即被吸引。回到中国后,他开始整理琥珀中的昆虫金属样本。

多年后,他和中国科学院南固研究所潘彦宏研究员带领的研究小组在9900万年前的白垩纪中期从大约40,000颗琥珀中挑选了35种化石。这些化石都来自缅甸北部的一个矿山,其中的昆虫都保留着美丽的金属光泽。

在显微镜下,研究小组发现35个琥珀色化石昆虫,包括膜翅目 ,鞘翅目和双翅目,至少有7科,其中大多数属于膜翅目,A科的标本,而少数属于鞘翅目,隐孢子虫,Ce科以及A科的双翅目 。

“我们用一把50纳米刀将两块琥珀色的几微米的超薄切片切成薄片。扫描电子显微镜和透射电子显微镜分析表明 ,绿蜂家族胸部的蓝绿色表面由多层组成。重复的纳米级结构组成 ,即多层反射膜。”蔡晨阳说,在显微镜下,他们发现了一个庆丰体表,上面有6层反射膜,每层厚约100纳米。

“根据每层膜的厚度和折射率等参数,这六层膜的反射波长约为514纳米  ,即绿色 ,接近我们在显微镜下看到的化石绿色黄蜂的绿色。在另一片琥珀中的绿蜂具有黑色的金属表面,我们在显微镜下发现该绿蜂的多层反射膜出现了皱纹 ,即结构被破坏了 。这证实了多层反射膜是结构颜色的直接原因,并且昆虫体表面的颜色可以是原始颜色 ,但是不排除颜色的微小变化。蔡晨阳说。

在这批琥珀色中 ,昆虫的大部分身体或身体结构的一部分呈现出强烈的金属光泽,包括绿色,蓝色,蓝绿色 ,黄绿色或蓝紫色 。通过对古生代和现代生物物种的比较研究,研究小组发现与这些化石昆虫相对应的相应属也具有相似的颜色  ,具有金属光泽。这一发现直接证明了中生代昆虫的令人眼花structural乱的结构色彩得以保留 。

“这项发现直接证明了多层反射膜可以在长期的地质历史中得到稳定的保存,否认了前辈的观点 ,即中生代化石中不能保留昆虫的金属色,并且对于理解早期昆虫结构色生态的演变非常重要。功能。意义。”蔡晨阳说 。

古代昆虫发色的机理有待探索

值得一提的是,这批缅甸琥珀虫的看似永久保存的有色金属结构颜色并没有保持不变 。蔡晨阳说,如果琥珀虫在切割,打磨和抛光等早期准备过程中遭到破坏,并且结构的任何小部分受到破坏,使其与空气或湿气接触,其颜色就会变成银色  。时间短,但金属光泽仍然可以保留,并且这种变化是不可逆的。这一发现对于揭示缅甸琥珀和其他琥珀中银虫的形成以及鉴定和描述早期昆虫的特征具有重要的参考价值。

“但是 ,在现代有金龟子  ,体表也是银,但是其多层反射膜从里到外逐渐变厚,这与我们研究中变成银的昆虫的形成机理不同 。这两个是什么这些机制的原因是什么?多层反射膜的厚度和折射率是否会随着时间而改变 ?我们仍然需要继续探索。”蔡晨阳说,琥珀色昆虫的结构颜色具有重要的生态意义,而且更为普遍。在茂密的森林中 ,绿色可能是一种隐蔽的颜色,可以帮助昆虫躲藏起来并避免被捕食。另外,不能完全排除结构颜色参与昆虫热调节的可能性 。因此 ,在不同种类的昆虫中会出现不同颜色的结构颜色,这在一定程度上暗示着白垩纪中段森林已经存在复杂的生态关系。

蔡晨阳说,将来,他们还将关注较旧的昆虫化石,以了解它们的体表是否已经演化出结构色,例如侏罗纪甲虫是否也具有多层反光膜以提供对颜色的发现和重建。年长的昆虫。原始依据。

在他看来,发现和使用结构色彩也可以参考当前的生活 。“例如 ,3D打印可以指的是结构颜色的结构打印而不使用颜料来节省资源和减少环境污染。”

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