這些昆蟲為何穿越億年仍能“自帶光芒”
2020年07月08日09:42

  來源:科技日報

白堊紀緬甸琥珀中具金屬色彩結構色的昆蟲 受訪者供圖
白堊紀緬甸琥珀中具金屬色彩結構色的昆蟲 受訪者供圖
青蜂化石身體表面結構色變化前後的對比圖 受訪者供圖
青蜂化石身體表面結構色變化前後的對比圖 受訪者供圖

  此前有學者曾在距今5000萬年前的始新世印痕化石中,發現過與顏色有關的昆蟲納米結構,但一億年前的昆蟲是否已經演化出結構色一直成謎。

  從孔雀羽毛的豔光四射,到毒箭蛙的明亮警告色,再到北極熊的白色偽裝。動物王國裡,生龍活虎的動物們用各種體色,掩飾各種“心機”。

  昆蟲是地球上物種數量最多的生物,展現了極其豐富的顏色。它們的顏色分為色素色和結構色,具有金屬光澤的甲蟲殼、蝴蝶或飛蛾閃閃發光的鱗片,都是典型的結構色。不過,當這種絢爛融為化石,便從此黯淡無光。

  目前,化石中很少保有生物的色彩細節,地質歷史中原始的結構色的證據極其罕見,大多數古生物複原圖都是根據藝術家的想像重建。

  近日,中國科學院南京地質古生物研究所(以下簡稱中科院南古所)科研團隊揭開了近1億年前的昆蟲真實色彩的秘密。他們對白堊紀緬甸琥珀中具有金屬色彩的昆蟲進行系統研究後發現,純淨而強烈的顏色可直接在昆蟲體表保存下來,奧秘就隱藏在昆蟲體表內一種特殊的納米結構中。相關研究於近日在線發表於英國《皇家學會會刊—B輯》上,這為瞭解白堊紀雨林中與恐龍共存的昆蟲提供了新的視角。

  古生物的顏色在化石中難覓蹤跡

  自然界中的顏色主要有三個來源,即生物發光、色素色和結構色。結構色是光照射在蟲體表面的微觀結構上產生折射、衍射及干擾而形成的,是自然界中色彩最為純淨且最強烈的顏色。

  由於化石保存等因素的局限,對古生物的顏色複原一直是項很複雜的工作。

  此次研究的第一作者與通訊作者、中科院南古所副研究員蔡晨陽告訴科技日報記者,動物結構色也有多種來源,最普遍的是動物體表的多層反射膜,常見於金龜、蒼蠅、吉丁蟲;還有的是來自衍射光柵,常見於孔雀羽毛、藍閃蝶;光子晶體是比較少見的一種,例如呈現歐寶色的象甲。

  “化石中的結構色,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。此前,有學者曾在距今約5000萬年前的始新世的印痕化石里,發現過與顏色相關的昆蟲的納米結構。但是,上溯到一億年前的昆蟲,是否已經演化出結構色一直成謎,此前我們也沒有在這個時期的化石中發現過顏色鮮豔的昆蟲,而在此前的研究文獻中,很多學者認為,中生代的結構色也很難保存下來。”蔡晨陽說。

  目前,學術界的普遍觀點認為,不管是色素色還是結構色,在化石中,它們都難覓蹤跡。中科院南古所研究員王博向記者介紹:“色素色是一種化學色,它在動物死後,很快會降解,所以很難保存下來;而結構色雖然有納米結構,但經過高溫高壓的地質演變、腐蝕,結構也會被破壞,導致褪色、變色。”

  不過,科學家們總能找到古生物顏色的蛛絲馬跡,他們利用動物體表極薄的蠟層、溝、縫以及黑色素體等結構,與現生動物做對比,重建或推測古代動物的顏色。

  2018年,王博與德國、英國的科學家團隊聯合刊文稱,他們發現侏儸紀的蛾類鱗片已經演化出魚骨狀的衍射光柵等光學結構。團隊利用化石鱗片數據,重建了鱗片微結構的三維光學模型,最終利用光學模擬軟件和計算機定量計算出化石蛾類產生的結構色,推測出這類蛾的鱗片會產生銀色或金黃色。

  2010年,中國、英國和愛爾蘭等三國科學家,曾在《自然》刊文稱,他們在中國熱河生物群的鳥類和帶毛的恐龍中發現兩種黑色素體,並將黑色素體的形狀和排列方式,與現代鳥類做對比後推測,這些帶毛的恐龍和古鳥類的身體已經具有以灰色、褐色、黃色及紅色為主要色彩的基礎。

  多層反射膜讓昆蟲顏色保存億年

  如何從結構色中發現遠古昆蟲的顏色演化之謎,對蔡晨陽來說,源自2015年的一次啟發。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本,是介紹色素色和結構色的,他頓時被吸引住了。回國之後,他開始著手整理琥珀中昆蟲體表有金屬光澤的樣本。

  曆經多年,他和中科院南古所泮燕紅研究員帶領的研究團隊從距今9900萬年的白堊紀中期約4萬枚琥珀中,挑選出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,研究團隊發現,這35塊琥珀化石的昆蟲,包括膜翅目、鞘翅目和雙翅目,至少有7個科,其中絕大部分標本屬於膜翅目青蜂科,少部分屬於鞘翅目隱翅蟲科、蠟斑甲科,以及雙翅目的水虻科。

  “我們用50納米的刀,對其中的兩塊琥珀做了幾微米的超薄切片,又用掃瞄電子顯微鏡和透射電子顯微鏡分析發現,一種青蜂科昆蟲胸部表面的藍綠色是由多層重復出現的納米級構造組成,即多層反射膜。”蔡晨陽說,在顯微鏡下,他們發現一隻青峰體表有6層反射膜,每一層的厚度約為100納米。

  “根據每層膜的厚度和折射率等參數可以計算出,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,我們在顯微鏡下發現,這隻青蜂的多層反射膜出現了褶皺,也就是結構被破壞了,這證實了多層反射膜是產生結構色的直接原因,且昆蟲體表的顏色可能就是原始顏色,但也不排除顏色發生微小變化。”蔡晨陽說。

  這批琥珀中,大部分昆蟲的全身或是部分身體結構呈現出強烈的具金屬光澤的綠色、藍色、藍綠色、黃綠色或藍紫色。通過與古生、現生物種的對比研究,研究團隊發現這些化石昆蟲對應的現生屬種同樣有類似的帶有金屬光澤的顏色。這一發現直接證明了中生代昆蟲的亮眼結構色是可以保存下來的。

  “這次發現直接證明了多層反射膜可在長期地質歷史中穩定保存,否定了前人關於昆蟲金屬色不能在中生代化石中保存的觀點,並對認識早期昆蟲結構色生態功能的演化具有重要意義。”蔡晨陽說。

  古老昆蟲顏色形成機製還需探究

  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構色並不是保持不變的。蔡晨陽說,若琥珀昆蟲在切割、打磨和拋光等前期準備過程中,任一小部分結構受到損壞,使其與空氣或水分接觸,其顏色便會在短期內變成單一的銀色,但金屬光澤仍可保存,而這種變化是不可逆轉的。這一發現為揭示緬甸琥珀乃至其他琥珀中的銀色昆蟲的形成原因、對早期昆蟲特徵的認定和描述均具有重要的參考價值。

  “不過,現代有一種金龜子,體表也呈現為銀色,但它的多層反射膜是由內而外逐漸變厚的,這與我們此次研究中昆蟲變成銀色的形成機製不同,這兩種機製各是由什麼造成的,多層反射膜的厚度和折射率會不會隨著年代而變化,還需要繼續探究。”蔡晨陽說,琥珀昆蟲的結構色具有重要的生態意義,較為常見的綠色很可能是在茂密森林環境中的一種隱蔽色,能幫助昆蟲隱匿自身從而躲避捕食者。另外,結構色參與昆蟲熱調節的可能性也不能完全被排除。因此不同色彩的結構色出現在不同種類的昆蟲中,在一定程度上暗示了白堊紀中期森林中已經存在複雜的生態關係。

  蔡晨陽說,未來,他們還將關注更古老的昆蟲化石,去瞭解它們的體表是否已經進化出結構色,例如侏儸紀甲蟲是否也有多層反射膜,為發現、重建更古老昆蟲的顏色提供原始依據。

  在他看來,發現並運用結構色,對於當下的生活也有借鑒意義,“例如3D打印就可以參照結構色的結構打印,而不用使用顏料,以節省資源、減少對環境的汙染。”

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