这些昆虫为何穿越亿年仍能“自带光芒”?
2020-07-07 18:01:23 来源: 科技日报 作者: 金凤
从孔雀羽毛的艳光四射，到毒箭蛙的明亮警告色，再到北极熊的白色伪装。动物王国里，生龙活虎的动物们用各种体色，掩饰各种“心机”。
昆虫是地球上物种数量最多的生物，展现了极其丰富的颜色。它们的颜色分为色素色和结构色，具有金属光泽的甲虫壳、蝴蝶或飞蛾闪闪发光的鳞片，都是典型的结构色。不过，当这种绚烂融为化石，便从此黯淡无光。
目前，化石中很少保有生物的色彩细节，地质历史中原始的结构色的证据极其罕见，大多数古生物复原图都是根据艺术家的想象重建。
近日，中国科学院南京地质古生物研究所（以下简称中科院南古所）科研团队揭开了近1亿年前的昆虫真实色彩的秘密。他们对白垩纪缅甸琥珀中具有金属色彩的昆虫进行系统研究后发现，纯净而强烈的颜色可直接在昆虫体表保存下来，奥秘就隐藏在昆虫体表内一种特殊的纳米结构中。相关研究于近日在线发表于英国《皇家学会会刊—B辑》上，这为了解白垩纪雨林中与恐龙共存的昆虫提供了新的视角。
古生物的颜色在化石中难觅踪迹
自然界中的颜色主要有三个来源，即生物发光、色素色和结构色。结构色是光照射在虫体表面的微观结构上产生折射、衍射及干扰而形成的，是自然界中色彩最为纯净且最强烈的颜色。
由于化石保存等因素的局限，对古生物的颜色复原一直是项很复杂的工作。
此次研究的第一作者与通讯作者、中科院南古所副研究员蔡晨阳告诉科技日报记者，动物结构色也有多种来源，最普遍的是动物体表的多层反射膜，常见于金龟、苍蝇、吉丁虫；还有的是来自衍射光栅，常见于孔雀羽毛、蓝闪蝶；光子晶体是比较少见的一种，例如呈现欧宝色的象甲。
“化石中的结构色，可以为生物间的视觉交流和颜色的功能演化等提供重要证据。此前，有学者曾在距今约5000万年前的始新世的印痕化石里，发现过与颜色相关的昆虫的纳米结构。但是，上溯到一亿年前的昆虫，是否已经演化出结构色一直成谜，此前我们也没有在这个时期的化石中发现过颜色鲜艳的昆虫，而在此前的研究文献中，很多学者认为，中生代的结构色也很难保存下来。”蔡晨阳说。
目前，学术界的普遍观点认为，不管是色素色还是结构色，在化石中，它们都难觅踪迹。中科院南古所研究员王博向记者介绍：“色素色是一种化学色，它在动物死后，很快会降解，所以很难保存下来；而结构色虽然有纳米结构，但经过高温高压的地质演变、腐蚀，结构也会被破坏，导致褪色、变色。”
不过，科学家们总能找到古生物颜色的蛛丝马迹，他们利用动物体表极薄的蜡层、沟、缝以及黑色素体等结构，与现生动物做对比，重建或推测古代动物的颜色。
2018年，王博与德国、英国的科学家团队联合刊文称，他们发现侏罗纪的蛾类鳞片已经演化出鱼骨状的衍射光栅等光学结构。团队利用化石鳞片数据，重建了鳞片微结构的三维光学模型，最终利用光学模拟软件和计算机定量计算出化石蛾类产生的结构色，推测出这类蛾的鳞片会产生银色或金黄色。
2010年，中国、英国和爱尔兰等三国科学家，曾在《自然》刊文称，他们在中国热河生物群的鸟类和带毛的恐龙中发现两种黑色素体，并将黑色素体的形状和排列方式，与现代鸟类做对比后推测，这些带毛的恐龙和古鸟类的身体已经具有以灰色、褐色、黄色及红色为主要色彩的基础。
多层反射膜让昆虫颜色保存亿年
如何从结构色中发现远古昆虫的颜色演化之谜，对蔡晨阳来说，源自2015年的一次启发。那年，他在美国一家博物馆看到桌上摆放着给小朋友科普用的昆虫标本，是介绍色素色和结构色的，他顿时被吸引住了。回国之后，他开始着手整理琥珀中昆虫体表有金属光泽的样本。
历经多年，他和中科院南古所泮燕红研究员带领的研究团队从距今9900万年的白垩纪中期约4万枚琥珀中，挑选出35枚化石。这些化石全部来自缅甸北部的一处矿山，其中的昆虫都保存着精美的金属光泽。
在显微镜下，研究团队发现，这35块琥珀化石的昆虫，包括膜翅目、鞘翅目和双翅目，至少有7个科，其中绝大部分标本属于膜翅目青蜂科，少部分属于鞘翅目隐翅虫科、蜡斑甲科，以及双翅目的水虻科。
“我们用50纳米的刀，对其中的两块琥珀做了几微米的超薄切片，又用扫描电子显微镜和透射电子显微镜分析发现，一种青蜂科昆虫胸部表面的蓝绿色是由多层重复出现的纳米级构造组成，即多层反射膜。”蔡晨阳说，在显微镜下，他们发现一只青峰体表有6层反射膜，每一层的厚度约为100纳米。
“根据每层膜的厚度和折射率等参数可以计算出，这6层膜的反射波长在514纳米左右，也就是绿色，这与我们在显微镜下肉眼看到的化石青蜂的绿色是接近的。而在另一块切片琥珀中的青蜂，体表是没有金属光泽的黑色，我们在显微镜下发现，这只青蜂的多层反射膜出现了褶皱，也就是结构被破坏了，这证实了多层反射膜是产生结构色的直接原因，且昆虫体表的颜色可能就是原始颜色，但也不排除颜色发生微小变化。”蔡晨阳说。
这批琥珀中，大部分昆虫的全身或是部分身体结构呈现出强烈的具金属光泽的绿色、蓝色、蓝绿色、黄绿色或蓝紫色。通过与古生、现生物种的对比研究，研究团队发现这些化石昆虫对应的现生属种同样有类似的带有金属光泽的颜色。这一发现直接证明了中生代昆虫的亮眼结构色是可以保存下来的。
“这次发现直接证明了多层反射膜可在长期地质历史中稳定保存，否定了前人关于昆虫金属色不能在中生代化石中保存的观点，并对认识早期昆虫结构色生态功能的演化具有重要意义。”蔡晨阳说。
古老昆虫颜色形成机制还需探究
值得一提的是，这批缅甸琥珀昆虫中看似能永久保存的彩色金属结构色并不是保持不变的。蔡晨阳说，若琥珀昆虫在切割、打磨和抛光等前期准备过程中，任一小部分结构受到损坏，使其与空气或水分接触，其颜色便会在短期内变成单一的银色，但金属光泽仍可保存，而这种变化是不可逆转的。这一发现为揭示缅甸琥珀乃至其他琥珀中的银色昆虫的形成原因、对早期昆虫特征的认定和描述均具有重要的参考价值。
“不过，现代有一种金龟子，体表也呈现为银色，但它的多层反射膜是由内而外逐渐变厚的，这与我们此次研究中昆虫变成银色的形成机制不同，这两种机制各是由什么造成的，多层反射膜的厚度和折射率会不会随着年代而变化，还需要继续探究。”蔡晨阳说，琥珀昆虫的结构色具有重要的生态意义，较为常见的绿色很可能是在茂密森林环境中的一种隐蔽色，能帮助昆虫隐匿自身从而躲避捕食者。另外，结构色参与昆虫热调节的可能性也不能完全被排除。因此不同色彩的结构色出现在不同种类的昆虫中，在一定程度上暗示了白垩纪中期森林中已经存在复杂的生态关系。
蔡晨阳说，未来，他们还将关注更古老的昆虫化石，去了解它们的体表是否已经进化出结构色，例如侏罗纪甲虫是否也有多层反射膜，为发现、重建更古老昆虫的颜色提供原始依据。
在他看来，发现并运用结构色，对于当下的生活也有借鉴意义，“例如3D打印就可以参照结构色的结构打印，而不用使用颜料，以节省资源、减少对环境的污染。”
缅甸琥珀中具有金属色彩结构色的白垩纪昆虫 受访者供图
2020-07-07 18:01:23 来源: 科技日报 作者: 金凤
从孔雀羽毛的艳光四射，到毒箭蛙的明亮警告色，再到北极熊的白色伪装。动物王国里，生龙活虎的动物们用各种体色，掩饰各种“心机”。
昆虫是地球上物种数量最多的生物，展现了极其丰富的颜色。它们的颜色分为色素色和结构色，具有金属光泽的甲虫壳、蝴蝶或飞蛾闪闪发光的鳞片，都是典型的结构色。不过，当这种绚烂融为化石，便从此黯淡无光。
目前，化石中很少保有生物的色彩细节，地质历史中原始的结构色的证据极其罕见，大多数古生物复原图都是根据艺术家的想象重建。
近日，中国科学院南京地质古生物研究所（以下简称中科院南古所）科研团队揭开了近1亿年前的昆虫真实色彩的秘密。他们对白垩纪缅甸琥珀中具有金属色彩的昆虫进行系统研究后发现，纯净而强烈的颜色可直接在昆虫体表保存下来，奥秘就隐藏在昆虫体表内一种特殊的纳米结构中。相关研究于近日在线发表于英国《皇家学会会刊—B辑》上，这为了解白垩纪雨林中与恐龙共存的昆虫提供了新的视角。
古生物的颜色在化石中难觅踪迹
自然界中的颜色主要有三个来源，即生物发光、色素色和结构色。结构色是光照射在虫体表面的微观结构上产生折射、衍射及干扰而形成的，是自然界中色彩最为纯净且最强烈的颜色。
由于化石保存等因素的局限，对古生物的颜色复原一直是项很复杂的工作。
此次研究的第一作者与通讯作者、中科院南古所副研究员蔡晨阳告诉科技日报记者，动物结构色也有多种来源，最普遍的是动物体表的多层反射膜，常见于金龟、苍蝇、吉丁虫；还有的是来自衍射光栅，常见于孔雀羽毛、蓝闪蝶；光子晶体是比较少见的一种，例如呈现欧宝色的象甲。
“化石中的结构色，可以为生物间的视觉交流和颜色的功能演化等提供重要证据。此前，有学者曾在距今约5000万年前的始新世的印痕化石里，发现过与颜色相关的昆虫的纳米结构。但是，上溯到一亿年前的昆虫，是否已经演化出结构色一直成谜，此前我们也没有在这个时期的化石中发现过颜色鲜艳的昆虫，而在此前的研究文献中，很多学者认为，中生代的结构色也很难保存下来。”蔡晨阳说。
目前，学术界的普遍观点认为，不管是色素色还是结构色，在化石中，它们都难觅踪迹。中科院南古所研究员王博向记者介绍：“色素色是一种化学色，它在动物死后，很快会降解，所以很难保存下来；而结构色虽然有纳米结构，但经过高温高压的地质演变、腐蚀，结构也会被破坏，导致褪色、变色。”
不过，科学家们总能找到古生物颜色的蛛丝马迹，他们利用动物体表极薄的蜡层、沟、缝以及黑色素体等结构，与现生动物做对比，重建或推测古代动物的颜色。
2018年，王博与德国、英国的科学家团队联合刊文称，他们发现侏罗纪的蛾类鳞片已经演化出鱼骨状的衍射光栅等光学结构。团队利用化石鳞片数据，重建了鳞片微结构的三维光学模型，最终利用光学模拟软件和计算机定量计算出化石蛾类产生的结构色，推测出这类蛾的鳞片会产生银色或金黄色。
2010年，中国、英国和爱尔兰等三国科学家，曾在《自然》刊文称，他们在中国热河生物群的鸟类和带毛的恐龙中发现两种黑色素体，并将黑色素体的形状和排列方式，与现代鸟类做对比后推测，这些带毛的恐龙和古鸟类的身体已经具有以灰色、褐色、黄色及红色为主要色彩的基础。
多层反射膜让昆虫颜色保存亿年
如何从结构色中发现远古昆虫的颜色演化之谜，对蔡晨阳来说，源自2015年的一次启发。那年，他在美国一家博物馆看到桌上摆放着给小朋友科普用的昆虫标本，是介绍色素色和结构色的，他顿时被吸引住了。回国之后，他开始着手整理琥珀中昆虫体表有金属光泽的样本。
历经多年，他和中科院南古所泮燕红研究员带领的研究团队从距今9900万年的白垩纪中期约4万枚琥珀中，挑选出35枚化石。这些化石全部来自缅甸北部的一处矿山，其中的昆虫都保存着精美的金属光泽。
在显微镜下，研究团队发现，这35块琥珀化石的昆虫，包括膜翅目、鞘翅目和双翅目，至少有7个科，其中绝大部分标本属于膜翅目青蜂科，少部分属于鞘翅目隐翅虫科、蜡斑甲科，以及双翅目的水虻科。
“我们用50纳米的刀，对其中的两块琥珀做了几微米的超薄切片，又用扫描电子显微镜和透射电子显微镜分析发现，一种青蜂科昆虫胸部表面的蓝绿色是由多层重复出现的纳米级构造组成，即多层反射膜。”蔡晨阳说，在显微镜下，他们发现一只青峰体表有6层反射膜，每一层的厚度约为100纳米。
“根据每层膜的厚度和折射率等参数可以计算出，这6层膜的反射波长在514纳米左右，也就是绿色，这与我们在显微镜下肉眼看到的化石青蜂的绿色是接近的。而在另一块切片琥珀中的青蜂，体表是没有金属光泽的黑色，我们在显微镜下发现，这只青蜂的多层反射膜出现了褶皱，也就是结构被破坏了，这证实了多层反射膜是产生结构色的直接原因，且昆虫体表的颜色可能就是原始颜色，但也不排除颜色发生微小变化。”蔡晨阳说。
这批琥珀中，大部分昆虫的全身或是部分身体结构呈现出强烈的具金属光泽的绿色、蓝色、蓝绿色、黄绿色或蓝紫色。通过与古生、现生物种的对比研究，研究团队发现这些化石昆虫对应的现生属种同样有类似的带有金属光泽的颜色。这一发现直接证明了中生代昆虫的亮眼结构色是可以保存下来的。
“这次发现直接证明了多层反射膜可在长期地质历史中稳定保存，否定了前人关于昆虫金属色不能在中生代化石中保存的观点，并对认识早期昆虫结构色生态功能的演化具有重要意义。”蔡晨阳说。
古老昆虫颜色形成机制还需探究
值得一提的是，这批缅甸琥珀昆虫中看似能永久保存的彩色金属结构色并不是保持不变的。蔡晨阳说，若琥珀昆虫在切割、打磨和抛光等前期准备过程中，任一小部分结构受到损坏，使其与空气或水分接触，其颜色便会在短期内变成单一的银色，但金属光泽仍可保存，而这种变化是不可逆转的。这一发现为揭示缅甸琥珀乃至其他琥珀中的银色昆虫的形成原因、对早期昆虫特征的认定和描述均具有重要的参考价值。
“不过，现代有一种金龟子，体表也呈现为银色，但它的多层反射膜是由内而外逐渐变厚的，这与我们此次研究中昆虫变成银色的形成机制不同，这两种机制各是由什么造成的，多层反射膜的厚度和折射率会不会随着年代而变化，还需要继续探究。”蔡晨阳说，琥珀昆虫的结构色具有重要的生态意义，较为常见的绿色很可能是在茂密森林环境中的一种隐蔽色，能帮助昆虫隐匿自身从而躲避捕食者。另外，结构色参与昆虫热调节的可能性也不能完全被排除。因此不同色彩的结构色出现在不同种类的昆虫中，在一定程度上暗示了白垩纪中期森林中已经存在复杂的生态关系。
蔡晨阳说，未来，他们还将关注更古老的昆虫化石，去了解它们的体表是否已经进化出结构色，例如侏罗纪甲虫是否也有多层反射膜，为发现、重建更古老昆虫的颜色提供原始依据。
在他看来，发现并运用结构色，对于当下的生活也有借鉴意义，“例如3D打印就可以参照结构色的结构打印，而不用使用颜料，以节省资源、减少对环境的污染。”
缅甸琥珀中具有金属色彩结构色的白垩纪昆虫 受访者供图
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