Képzetlen szem számára a legtöbb kövület úgy tűnik, hogy nem tele van színnel. A fosszilis szín első tudományos elemzését csak egy évtizeddel ezelőtt tették közzé, és egészen a közelmúltig az őskori világ színpalettájának meghatározása felülmúlhatatlan feladatnak tűnt.
Maria McNamara, az írországi University College Cork paleontológusa megpróbálja összerakni a fosszilis bizonyítékokat, hogy színes képet nyújtson a múltból. Amikor az emberek a paleontológiára gondolnak, gyakran a kemény fogakra és a csontokra gondolnak, de az állatok lágyabb részei, mint például a bőr, az izomszövet és a belső szervek, a fosszilis nyilvántartásban is megőrizhetők. Természetesen ez sokkal ritkább, mert a pelyhes cucc általában elrohad, de a lágy szövetek pontosan azok a példányok, amelyeket McNamara keres. Vizsgálja a rovarokból és gerincesekből származó szöveteket annak érdekében, hogy elképzelje, hogy ezek a kritikusok hogyan néztek ki, és hogyan hattak ki környezetükkel - mi volt ragadozóik, hol éltek, milyen párzási szokásaik lehettek és így tovább.
McNamara a március 29-én, pénteken, Washington DC-ben a Smithsonian Nemzeti Természettudományi Múzeum „Az élet legfontosabb eseményei: Az evolúció legfontosabb eseményei” szimpóziumán tárgyalja a fosszilis anyag maradványait. Beszélése előtt a Smithsonian.com beszélt McNamara-val, hogy többet megtudjon az ókori világ színeiről.
Tudományos szempontból mi a szín és hogyan mérik azt?
A szín egyszerűen látható fény. A tudósok látható fénynek nevezik bármit, ami eloszlatja az energiát a 400 és 700 nanométer hullámhosszok között. Az emberi szem úgy van kiképezve, hogy érzékelje az ablakon belüli finom energiakülönbségeket. Más állatok láthatják a színt az ablakon túl. Például a madarak érzékenyek az ultraibolya fényre, így rövidebb energiahullámhosszokat tudnak érzékelni. Számos rovar ultraibolya fényt is láthat, és potenciálisan az infravörösben is, amelynek hosszabb hullámhossza van. Amit színeknek hívnak, attól függ, milyen állat vagy.
A legegyszerűbben fogalmazva: a szín olyan energiaforma, amelyet érzékelhetünk, és a különböző hullámhosszok különböző színeket hoznak létre.
Milyen módon alakul ki a szín a természetben?
A színt kétféle módon lehet előállítani. Számos modern organizmus, beleértve az állatokat is, pigmentekkel állít elő színt. A pigmentek olyan vegyszerek, amelyek szelektíven abszorbeálják a meghatározott hullámhosszú fényt. Például a növények levelei zöldeknek tűnnek, mivel a levelekben lévő klorofill molekulái elnyelik a spektrum összes piros és kék hullámhosszát, és tükrözik a zöldeket és a sárgákat, amelyeket látunk.
A rovarok az állati élet domináns formája a Földön, több mint egymillió leírt fajjal, és valószínűleg 15-szer több ismeretlen maradt. A rovarok közül a bogarak bizonyultak a legsikeresebb és leg színesebb csoportoknak, amelyek az összes rovarfaj 40% -át és az összes állatfaj 30% -át képviselik. (Chip Clark / Smithsonian Intézet) A növényekben a leggyakoribb pigment a klorofill, az állatokban azonban a leggyakoribb pigmentek a melaninok. A haj színét adja meg. Például a gombákban a barna színeket és a madár toll sötét árnyalatú színét állítják elő.
Vannak közönséges pigmentek, úgynevezett karotinoidok, amelyeket kizárólag növények termelnek. De sok állat táplálékában karotinoidokat fogyaszt, és szöveteik színezésére használják őket. Tehát például az Egyesült Államok keleti partján elterjedt bíboros vörös színét a karotinoidok termelik, amelyeket a madarak a gyümölcs- és bogyós étrendjük során fogyasztanak. A flamingók rózsaszínű tollát az algákban lévő karotinoidok képezik, amelyeket az apró garnélarák esznek, ami a madarak kedvenc étele.
De valójában ez a szín előállításának különböző módja van, és ezt strukturális színnek hívják. A szerkezeti szín egyáltalán nem használ pigmentet, hanem a nanoskálán nagyon díszes szövetszerkezeteket használ. Alapvetően néhány állat szövete a nanométer szintjén - vagyis más szavakkal, a fény hullámhosszával megegyező méretarányban - nagyon összetett szerkezetekre hajlik. Ezek a struktúrák befolyásolják a fény áthaladását a biológiai szöveteken, tehát lényegében kiszűrhetik bizonyos hullámhosszokat, és igazán erős színeket eredményezhetnek. És valójában a szerkezeti színek a legfényesebb és legerősebb színek, amelyeket a természetben kapunk.
Milyen különféle színű vagy különböző színű struktúrákat keresel, amikor ezeket a kövületeket vizsgálja?
Amikor elkezdtem a szín tanulmányozását, a fosszilis rovarok szerkezeti színével foglalkoztam. Elkezdtem ezeket a fém rovarokat nézni. Világos kéket, vöröset, zöldet és sárgát mutattak, de még soha senki nem tanulmányozta, hogy mi készíti ezeket a színeket - csak egyetlen vizsgálatot végeztek egy darab bogár darabjáról.
Tehát körülbelül 600 ilyen rovarot tanulmányoztam sokféle fosszilis helyről, és néhány közreműködővel együtt engedélyt kaptunk a kis kövületek mintavételére. Amikor ezt megtettük, függetlenül attól, hogy milyen fajokat nézünk, ezekben a színes rovarokban az összes ilyen szerkezetet egy többrétegű reflektornak nevezett struktúra hozta létre. Mikroszkopikusan alapvetően olyan szendvicsnek tűnik, ahol rengeteg nagyon vékony réteg van, talán csak 100 nanométer vastag. Sok modern rovarnak ezek vannak a külső héjukban. Minél több réteg van, annál világosabb a szétszórt szín.
Fotók három scarab bogár-taxonról, amelyeket a taphonomia vizsgálatok során használtak a laboratóriumi fosszilizációs folyamat megismételésére. A folyamat során a bogarak színe megváltozott. (G. Odin, M. McNamara és munkatársai / The Royal Society Interface folyóiratának 1742-5662 lapja) Érdekes volt megtudni, miért nem találtunk más struktúrákat, például háromdimenziós fotonikus kristályokat, amelyek apró, komplex, réteges szerkezetek, amelyek megzavarják a fotonoknak nevezett könnyű részecskéket. A struktúrákat el lehet csavarni gyémántszerkezetre, köbös szerkezetre, hatszögletű szerkezetre és még bonyolultabb szerkezetekre. Sok modern rovar és pillangó megjeleníti ezt. Például a modern Morpho pillangó ez a mesés kék trópusi pillangó mérlegekkel, amelyek 3D fotonikus kristályokat tartalmaznak. Tehát azon töprengettünk, hogy „miért nem találtuk meg ezeket a fosszilis nyilvántartásban?”
Ön szerint miért látta csak a többrétegű reflektor szerkezeteket a kövületekben, míg más színtermelő struktúrák léteznek a modern rovarokban?
Végeztünk néhány kísérleti kövületképződést is, amelyet taphonomyának hívunk. Megismételtük a fosszilizációs folyamat aspektusait azáltal, hogy a többrétegű reflektorok és a 3D fotonikus kristályok is lebonthatták a laboratóriumban. Mindketten túlélték a kísérletet, amely azt mondta nekünk, hogy ezeknek a 3D fotonikus kristályoknak ugyanaz a fosszilisizációs képességük volt, mint a többrétegű reflektoroknak - tehát valahol a fosszilis nyilvántartásban kell lenniük.
Néhány évvel ezelőtt kezdtük meg a kutatást, és jelentést tettünk a 3D fotonikus kristályok első esetéről fosszilis rovarokban. A példa, ahol találtuk őket a területen, nagyon kicsi, így sok esetben esetleg csak figyelmen kívül hagyják őket.
Megváltozik-e a szín a fosszilisizációs folyamatban?
Arra a kérdésre számítunk, hogy a tartósított szín valódi-e? Kezdetben azt vizsgáltuk, hogy a szerkezet kémiája megegyezik-e a modern rovarokkal, vagy más szavakkal, feltételeztük, hogy ugyanaz lesz. De amikor ezeket az értékeket bevittük számítógépes modelleinkbe, akkor nem működtek. A modellek azt mondták nekünk, hogy kövületeink színei valóban megváltoztak a kövületképzés során.
Kísérleteinkkel kiderült, hogy a változás a túlnyomásnak, és ami még fontosabb, az állandó hőmérsékletnek köszönhető. Megállapítottuk, hogy a hőmérséklet valóban befolyásolja ezen szerkezeti színek színváltozását, mivel a fizikai szerkezet csökken.
A kihalt növények és állatok színének tanulmányozásakor milyen fajok hagyják hátra a legjobb bizonyítékokat?
Nem ez a helyzet bizonyos fajokra, hanem a dolgok megfelelő megőrzésének esetére.
Az eddig elvégzett vizsgálatok többségét tollakon végezték, akár a madarak tollain, akár a dinoszauruszokon, és mindegyik megőrizte szénsavas kompresszió formájában: óriási nyomás alatt az üledékes kőzetekben képződött kövületek. Ez problémás, mert nem őrzi meg a toll azon részeit, amelyek felelősek a nem melanin színekért.
A fennmaradó madarakban a melanin szinte mindenütt jelen van, és a melanin hatásait más pigmentek jelenléte módosítja. Tehát, ha újra megveszi a bíboros piros tollát, vörösnek néznek ki, de belülük karotinoidokat és melanoszómákat is tartalmaznak. Ha ez a madártoll fosszilizáción megy keresztül, akkor a karotinoidok lebomlanak, és csak melanoszómák maradnak, és nem tudnád, hogy a bíboros vörös volt.
Nagyon valódi annak a veszélye, hogy a fosszilis madarak és a tollas dinoszauruszok rekonstrukcióinak nagy része nem reprezentatív a szervezetek színeire, mint gondolnánk. Ha találsz bizonyítékot a melaninról a kövületekben, ez valószínűleg a mintázatot jelzi, de nem a tényleges árnyalatot. Tehát azzal érvelünk, hogy ezek a szénsavas fosszilis valószínűleg nem ideálisak a fosszilis szín vizsgálatához.
Noha a tudósok még nem tudják, milyen színes dinoszauruszok voltak, megvizsgálhatják a tollak és a szőr fosszilis bizonyítékait, például ezen pterozauruszon, hogy megértsék az árnyékolást. (Yang Z., Jiang B., M. McNamara és munkatársai / Nature Ecology & Evolution 3, 24–30 (2019)) Milyen kövületek tartják meg a legjobban a színt?
Úgy gondoljuk, hogy fosszilis anyagokat kell keresnünk az ásványi kalcium-foszfátban. Ez volt a helyzet a kígyóval, amelyet 2016-ban tanulmányoztunk. A kígyó színei megmaradnak; a kígyó egész bőrét kalcium-foszfátban tartósítják. A kalcium-foszfát szépsége az, hogy mindent megőriz. A bőr teljes pigmentei megőrződnek, ideértve a három típusú pigmentet, amelyek a modern hüllőknél színt adnak. Megőrzi a szerkezeti színt: piros és sárga, valamint a sötét színét.
Az a fajta kövület, ahol mindent a kalcium-foszfátba rögzített, valójában sokkal jobb célpont a fosszilis szín tanulmányozására, mint a szénsavas tömörítés.
Tehát milyen színűek voltak a dinoszauruszok?
Különböző tollas dinoszauruszok vannak, amelyekben melanint tartalmazunk ezekben a színmintákban, és a modern madarakban a melanin elszíneződését más pigmentek módosítják. Ezeket a többi pigmentet nem tárolják kövületként, tehát egyelőre nem lehetünk biztosak benne.
Ha olyan dinoszaurusz bőrt találunk, amely valóban jól megőrizte magát, akkor nagy esélyünk nyílik a szín részletesebb rekonstruálására. A probléma az, hogy a legtöbb dinoszauruszbőr benyomások formájában megmarad. Számos példa van arra, hogy valójában megtartja-e egy vékony szerves vagy ásványosított filmét, ám bár néhányat tanulmányoztak, egyikük sem adott a pigmentek részleteit.
Manapság gyakran látunk élénk színeket toxikus figyelmeztetésként a ragadozók számára, vagy pazar megjelenést, amely vonzza a társat, vagy más finomabb színeket, amelyek álcázásként szolgálnak. Milyen célra szolgált a szín az első színes állatoknak?
Sok dinoszauruszunknak árnyékolása van, azaz amikor a hát és az oldal sötétebb, a hasa pedig halványabb. Ez egy olyan stratégia, amelyet sok modern állat használ, hogy elősegítse a test körvonalait erős fényviszonyok között [és álcázást biztosítson].
Egy tollas dinoszauruszban, amelyet megvizsgáltunk, a farok nagyon szembetűnő szalaggal rendelkezik. Az ilyen típusú sávosodás manapság nagyon gyakori az állatokban, és amikor a test más területein fordul elő, általában álcázásra használják. De ebben a specifikus dinoszauruszban a farok felé lokalizálódik. Annak érdekében, hogy a modern állatokban a magas színkontrasztot a farokban gyakran használják a szexuális jelzésnél, így a párosításhoz.
A fosszilis kígyó, amelyet megvizsgáltunk, szinte biztosan színt használt álcázáshoz. Meglepően foltos foltok voltak a hossza mentén, és ezek a foltok valószínűleg ismét bomlasztó álcázásként szolgáltak, hogy erős fényben elbontják a test körvonalait.
Egy élénk kék Morpho peleides pillangó, amelynek 3D fotonikus kristályszerkezete adja a fényes árnyalatot. (Marka / UIG / Getty Images) A fosszilis lepkék és néhány fosszilis rovarok, amelyeket szerkezeti színekkel vizsgáltunk - úgy éreztük, hogy színeik kettős funkciót játszanak, mert nagyon feltűnő zöld színük volt. Egy ilyen szín rejtélyes, ha a rovar a növényzetben rejtőzik, de amikor ezek a pillangók táplálkoztak volna a gazdanövényekben, éles színkontraszt lett volna a virág szirmaival. Számos rovar ezt figyelmeztető jelzésként használja fel annak hirdetésére, hogy közel van egy ragadozó.
Milyen új eszközökre van szükségünk a lágy szövetek tanulmányozásához, és mit lehet megtanulni, hogy eddig nem tudtuk megtanulni a fosszilis anyagokról?
Tíz évvel ezelőtt az egész gondolat, hogy a fosszilis képesek megőrizni a színt, aligha volt a radaron - csak egy tanulmány készült. Tizenkét évvel ezelőtt senki sem tudta volna, hogy ez lehetséges.
Számos tömegspektrometriás módszer alkalmazza az anyag felületén levő molekuláris fragmentumokat, de nem minden fragmentum diagnosztikus. Vannak olyan kémiai technikák, amelyek a melanin-molekulák egyedi töredékeit állítják elő, így nem tévesztheti össze őket mással. Az emberek a fosszíliák szervetlen kémiáját is vizsgálják, és megpróbálják visszanyerni a szín alátámasztását.
Tehát nagyon fontos figyelembe venni a taphonomyát, a szöveti kémiát és a szín bizonyítékait, és egy igazán jó módszer a biológia kivezetésére a fosszilizáció hatásainak a kísérletek elvégzése.
A 2019. március 29-én, az „Élet legnagyobb slágerei: Az evolúció kulcsfontosságú eseményei” szimpózium 10-től 16-ig 30-ig zajlik a Természettudományi Nemzeti Múzeumban. 10 nemzetközileg elismert evolúciós biológus és paleontológus képviselteti magát. Jegy itt érhető el.
