For det utrente øje ser de fleste fossiler ikke ud til at sprænge med farve. Den første videnskabelige analyse af fossil farve blev offentliggjort for kun et årti siden, og indtil for nylig syntes fastlæggelse af farvepalet i den forhistoriske verden en uovervindelig opgave.
Maria McNamara, en paleontolog ved University College Cork i Irland, prøver at samle de fossile beviser for at male et farverigt billede af fortiden. Når folk tænker på paleontologi, tænker de ofte på hårde tænder og knogler, men de blødere dele af dyr, som hud, muskelvæv og indre organer, kan også bevares i fossilprotokollen. Det er naturligvis meget sjældnere, fordi de squishy ting normalt rotter væk, men blødt væv er nøjagtigt den slags eksempler, som McNamara leder efter. Hun studerer væv fra insekter og hvirveldyr for at forestille sig, hvordan disse critters så ud, og hvordan de interagerede med deres miljøer - hvad deres rovdyr var, hvor de boede, hvad deres parringsvaner kan have været og mere.
McNamara vil diskutere sit arbejde med at finde farveresterne i fossiler på Smithsonians National Museum of Natural History's "Livets største hits: vigtige begivenheder i evolutionen" -symposiet fredag den 29. marts i Washington DC. I forkant af hendes tale talte Smithsonian.com med McNamara for at lære mere om farverne i den antikke verden.
Hvad er videnskabeligt set, hvad er farve, og hvordan måles det?
Farve er simpelthen synligt lys. Alt, der spreder energi mellem bølgelængderne 400 og 700 nanometer, er hvad forskere kalder synligt lys. Det menneskelige øje er trænet til at opfatte subtile forskelle i energi inden for det vindue. Andre dyr kan se farve ud over det vindue. For eksempel har fugle følsomheder over for det ultraviolette lys, så de kan opfatte kortere bølgelængder af energi. Mange insekter kan også se ultraviolet lys og potentielt i det infrarøde, der har længere bølgelængder. Hvad du kalder farve afhænger virkelig af hvilken slags dyr du er.
For at sætte det i sine enkleste udtryk er farve en form for energi, vi kan opfatte, og forskellige bølgelængder skaber forskellige farver.
På hvilke måder udvikler farve sig i naturen?
Farve kan fremstilles på to forskellige måder. Mange moderne organismer, inklusive dyr, producerer farve ved hjælp af pigmenter. Pigmenter er kemikalier, der selektivt absorberer lys med specifikke bølgelængder. For eksempel ser planternes blade grønne ud, fordi molekylerne i klorofyll inde i bladene absorberer alle bølgelængderne i den røde og den blå del af spektret, og de afspejler de grønne og gule bunker, som vi kan se.
Insekter er den dominerende form for dyreliv på Jorden med mere end 1 million beskrevne arter og muligvis så mange som 15 gange mere tilbage ukendte. Blandt insekter har biller vist sig at være en af de mest succesrige - og farverige - grupper, der repræsenterer 40 procent af alle insektarter og 30 procent af alle dyrearter. (Chip Clark / Smithsonian-institution) Det mest almindelige pigment i planter er klorofyl, men hos dyr er nogle af de mest almindelige pigmenter melaniner. De producerer farven på vores hår. De producerer for eksempel de brune farver i svampe og de mørkfarvede farver på fuglefjer.
Vi har også almindelige pigmenter kaldet carotenoider, og disse produceres udelukkende af planter. Men mange dyr indtager carotenoider i deres diæt, og de bruger dem til at farve deres væv. Så for eksempel produceres den røde farve på en kardinal, der er almindelig på USAs østkyst, fremstillet af karotenoider, som fuglene tager i deres diæt med frugt og bær. De lyserøde fjer af flamingoer stammer fra carotenoider i algerne, som små rejer spiser, hvilket er fuglenes foretrukne måltid.
Men der er faktisk denne helt anden måde at fremstille farve på, og det kaldes strukturel farve. Strukturelle farver bruger ikke overhovedet pigmenter og bruger i stedet meget udsmykkede vævsstrukturer på nanoskalaen. Grundlæggende vil nogle dyrs væv foldes ind i meget komplekse strukturer på nanometerniveauet - eller med andre ord i samme skala som bølgelængden for lys. Disse strukturer påvirker måden, hvorpå lys passerer gennem biologisk væv, så de i det væsentlige kan filtrere ud visse bølgelængder og producere virkelig stærke farver. Og faktisk er strukturfarver de lyseste og mest intense farver, som vi får i naturen.
Hvilke forskellige typer farver eller forskellige strukturer, der producerer farve, ser du efter, når du studerer disse fossiler?
Da jeg begyndte at studere farve, arbejdede jeg med strukturfarven i fossile insekter. Jeg begyndte at kigge på disse metalliske insekter. De viste lyse blå, røde, grønne og gule, men ingen havde nogensinde studeret, hvad der producerede disse farver - der var kun en enkelt undersøgelse af et fragment af et stykke bille.
Så jeg studerede omkring 600 af disse insekter fra mange forskellige fossile lokaliteter, og sammen med nogle samarbejdspartnere fik vi tilladelse til at tage prøver af de små fossiler. Da vi gjorde dette, uanset hvilken art vi kiggede på, blev alle disse strukturer i disse farvede insekter produceret af en struktur kaldet en flerlags reflektor. Mikroskopisk ser det dybest set ud som en sandwich med masser af virkelig tynde lag, måske kun 100 nanometer tykke. Mange moderne insekter har disse i deres ydre skal. Jo flere lag der er, jo lysere er den spredte farve.
Fotografier af tre af scarab bille taxa, der blev brugt i taphonomiundersøgelser til at gentage fossiliseringsprocessen i laboratoriet. Under processen ændrede farverne på billerne. (G. Odin, M. McNamara et al. / Journal of The Royal Society Interface 1742-5662) Vi var interesseret i at finde ud af, hvorfor vi ikke fandt andre strukturer, såsom tredimensionelle fotoniske krystaller, som er små, komplekse, lagdelte strukturer, der forstyrrer lyspartikler kaldet fotoner. Strukturerne kan være snoet til en diamantstruktur, en kubisk struktur, en sekskantet struktur og endnu mere komplekse strukturer. Mange moderne insekter og sommerfugle viser dette. For eksempel er den moderne Morpho-sommerfugl denne fabelagtige blå tropiske sommerfugl med vægte, der indeholder fotoniske 3D-krystaller. Så vi spekulerede på, "hvorfor fandt vi dem aldrig i fossilprotokollen?"
Hvorfor tror du, at du kun så flerlags reflektorstrukturer i fossilerne, mens andre farveproducerende strukturer findes i moderne insekter?
Vi udførte eksperimentel fossilisering, der kaldes taphonomi. Vi gentog aspekterne ved fossiliseringsprocessen ved at lade både flerlagsreflektorer og 3D-fotoniske krystaller nedbrydes i laboratoriet. Begge overlevede eksperimentet, som fortalte os, at disse fotoniske 3D-krystaller havde det samme fossiliseringspotentiale som flerlagsreflektorerne - så de skal være i fossilpladen et eller andet sted.
Vi begyndte at kigge for et par år siden, og vi rapporterede det første tilfælde af 3D fotoniske krystaller i fossile insekter. Eksemplet, hvor vi fandt dem i marken, er meget lille, så i mange tilfælde kan de måske bare overses.
Kan farve ændres i fossiliseringsprocessen?
Spørgsmålet, vi støder på, er, om den bevarede farve er den rigtige farve. Vi studerede oprindeligt strukturens kemi ved at antage, at det er det samme som moderne insekter - eller med andre ord antog vi, at det ville bøje lys det samme. Men når vi indtastede disse værdier i vores computermodeller, fungerede de ikke. Modellerne fortalte os, at farverne på vores fossiler faktisk var ændret under fossiliseringen.
Med vores eksperimenter var vi i stand til at finde ud af, at ændringen skyldtes overtryk og, endnu vigtigere, jævn temperatur. Vi fandt, at temperaturen virkelig driver farveændring på disse strukturelle farver, fordi den fysiske struktur krymper.
Hvilke arter efterlader det bedste bevis, når man studerer farven på uddøde planter og dyr.
Det er ikke et tilfælde af bestemte arter, det er et tilfælde af at få ting bevaret på den rigtige måde.
De fleste af de undersøgelser, der er blevet udført indtil videre, er blevet udført på fjer, enten fjer i fugle eller dinosaurer, og de er alle blevet bevaret som karbonatiseringskompressioner: fossiler dannet i sedimentær sten under enormt pres. Dette er problematisk, fordi du ikke bevarer de dele af fjeret, der er ansvarlige for farverne, som ikke er melanin.
Hos eksisterende fugle er melanin næsten allestedsnærværende, og effekten af melanin ændres af tilstedeværelsen af andre pigmenter. Så hvis du igen tager de røde fjer på en kardinal, ser de røde ud, men indvendigt indeholder de carotenoider og også melanosomer. Hvis den fuglefjeder gennemgår fossilisering, vil carotenoiderne nedbrydes, og alt hvad du vil have tilbage er melanosomer, [og du ville ikke vide, at kardinal var rød].
Der er en meget reel fare for, at en masse af de rekonstruktioner, vi har set på af fossile fugle og fjerede dinosaurier, muligvis ikke er repræsentative for farverne på organismerne, som vi måske tror. Hvis du finder tegn på melanin i fossiler, kan det indikere mønster, men ikke for den faktiske farvetone. Så vi argumenterer for, at disse kulsyreholdige fossiler sandsynligvis ikke er ideelle til undersøgelser af fossil farve.
Selvom forskere endnu ikke ved, hvad dinosaurier var, kan de undersøge det fossile bevis på fjer og pels, f.eks. På denne pterosaur, for at få en idé om skygge. (Z. Yang, B. Jiang, M. McNamara, et al. / Nature Ecology & Evolution 3, 24–30 (2019)) Hvilke typer fossiler bevarer farven bedst?
Vi synes, vi skal være på udkig efter fossiler, der er konserveret i mineralsk calciumphosphat. Det var tilfældet med slangen, som vi studerede i 2016. Slangens farver er bevaret; hele slangens hud er konserveret i calciumphosphat. Det fine med calciumphosphat er, at det bevarer alting. Hele pigmenter i huden bevares, inklusive de tre typer pigmenter, der producerer farve i moderne krybdyr. Det bevarer strukturel farve: rød og gul og den mørke farve.
De slags fossiler, hvor du har låst alt i calciumphosphat, de er faktisk et meget bedre mål for undersøgelser af fossil farve end karbonatiseringskomprimering.
Så hvilken farve var dinosaurerne?
Vi har forskellige fjedrede dinosaurer, som vi har melanin i disse farvemønstre til, og i moderne fugle ændres melaninfarvning af andre pigmenter. Disse andre pigmenter er ikke konserveret som fossiler, så vi kan ikke være sikre på nu.
Hvis vi fandt dinosaurhud, der var virkelig godt bevaret, ville vi have en god chance for at rekonstruere farve mere detaljeret. Problemet er, at de fleste dinosaurhud bevares som indtryk. Der er en række eksempler, hvor du faktisk beholder en tynd organisk eller mineraliseret film, men selvom nogle få er undersøgt, har ingen faktisk givet detaljer om pigmenterne.
I dag ser vi ofte lyse farver som giftige advarsler til rovdyr eller som en overdådig skærm for at tiltrække en makker eller andre mere subtile farver til at tjene som camouflage. Hvilket formål tjente farve til de første farverige dyr?
Masser af dinosaurer, som vi ser, har en skygge, hvilket er, når ryggen og siderne er mørkere i farven, og maven er en lysere farve. Dette er en strategi, der bruges af mange moderne dyr til at hjælpe med at opbygge kropsoversigten i stærke lysmiljøer [og give camouflage]
I en fjeret dinosaur, vi studerede, har halen meget slående banding på den. Denne type banding er meget almindelig hos dyr i dag, og når den forekommer på andre områder af kroppen, bruges den typisk til camouflage. Men i denne specifikke dinosaur er den lokaliseret til halen. Så den høje farvekontrast i halen hos moderne dyr bruges ofte til seksuel signalering, så til parring af skærme.
Den fossile slange, som vi studerede, brugte næsten helt sikkert farve til camouflage. Den havde ret slående pletter langs dens længde, og disse pletter tjente sandsynligvis igen som en forstyrrende camouflage for at bryde kroppens kontur i stærkt lys.
En levende blå Morpho peleides- sommerfugl, der har 3D fotoniske krystalstrukturer til at producere sin lyse farvetone. (Marka / UIG / Getty Images) Den fossile møl og nogle fossile insekter vi studerede med strukturelle farver - vi fik den fornemmelse af, at deres farver tjente en dobbelt funktion, fordi de havde en meget slående grøn farve. En sådan farve er kryptisk, når insektet gemmer sig i vegetation, men når disse sommerfugle ville have fodret med værtsplanterne, ville der have været en skarp farvekontrast med blomsterbladene. Mange insekter bruger dette som et advarselssignal til at annoncere for, at et rovdyr er i nærheden.
Hvilke nye værktøjer har vi til at studere blødt væv, og hvad kan vi lære, at vi ikke har været i stand til at lære af fossiler indtil dette tidspunkt?
For ti år siden var hele opfattelsen af, at fossiler kunne bevare farve næppe på radaren - der var kun en undersøgelse. For tolv år siden vidste ingen engang, at dette var muligt.
Der er flere massespektrometri teknikker, der ser på de molekylære fragmenter på overfladen af dit materiale, men ikke alle fragmenter er diagnostiske. Der er kemiske teknikker, der producerer unikke fragmenter af melaninmolekylerne, så du ikke kan forveksle dem med noget andet. Folk ser også på fossile uorganiske kemi og forsøger at genvinde understøttende bevis for farve.
Så det er virkelig vigtigt at overveje taphonomien, vævskemi og beviset på farve, og en virkelig dejlig måde at drille biologien ud fra virkningerne af fossilisering er at udføre eksperimenter.
Symposiet "Livets største hits: centrale begivenheder i evolution" den 29. marts, 2019 finder sted fra kl. 10 til 16.30 på National Museum of Natural History og indeholder 10 internationalt anerkendte evolutionære biologer og paleontologer. Billet er tilgængelig her.
