Za neokuženo oko se zdi, da večina fosilov ne počiva z barvo. Prva znanstvena analiza fosilne barve je bila objavljena šele pred desetletjem in do nedavnega se je določitev barvne palete prazgodovinskega sveta zdela nepremagljiva naloga.
Maria McNamara, paleontologinja na University College Cork na Irskem, poskuša sestaviti fosilne dokaze, da bi naslikala barvito sliko preteklosti. Ko ljudje pomislijo na paleontologijo, pogosto pomislijo na trde zobe in kosti, vendar se v zapisu o fosilih lahko ohranijo tudi mehkejši deli živali, kot so koža, mišično tkivo in notranji organi. Seveda je veliko redkejše, saj se mešanice običajno gnijo, toda mehka tkiva so ravno takšni vzorci, ki jih McNamara išče. Preučuje tkiva žuželk in vretenčarjev, da bi si zamislila, kako so izgledali ti grozljivci in kako so vplivali na svoje okolje - kakšni so bili njihovi plenilci, kje so živeli, kakšne so bile navade parjenja in še več.
McNamara se bo v petek, 29. marca, v Washingtonu, na simpoziju Smithsonian's National Natural Natural Museum, the Life's Greatest Hits: Key Events in Evolution, razpravljala o svojem delu za iskanje barvnih ostankov v fosilih. Pred svojim pogovorom je Smithsonian.com spregovoril z McNamara, da bi izvedel več o barvah starodavnega sveta.
Znanstveno gledano, kaj je barva in kako se meri?
Barva je preprosto vidna svetloba. Vse, kar razprši energijo med valovnimi dolžinami 400 in 700 nanometrov, je tisto, kar znanstveniki imenujejo vidna svetloba. Človeško oko je usposobljeno zaznavati subtilne razlike v energiji znotraj tega okna. Druge živali lahko vidijo barvo za tem oknom. Na primer, ptice so občutljive za ultravijolično svetlobo, zato lahko zaznavajo krajše valovne dolžine energije. Veliko žuželk lahko vidi tudi ultravijolično svetlobo in potencialno v infrardeči povezavi, ki ima daljše valovne dolžine. To, čemur pravite barva, je res odvisno od tega, kakšna žival ste.
Povedano poenostavljeno, barva je oblika energije, ki jo lahko zaznamo, različne valovne dolžine pa ustvarjajo različne barve.
Na kakšen način se barva razvija v naravi?
Barvo lahko proizvajamo na dva različna načina. Mnogi sodobni organizmi, vključno z živalmi, proizvajajo barvo s pomočjo pigmentov. Pigmenti so kemikalije, ki selektivno absorbirajo svetlobo določenih valovnih dolžin. Na primer, listi rastlin izgledajo zeleno, ker molekule klorofila znotraj listov absorbirajo vse valovne dolžine v rdečem in modrem delu spektra in odražajo zeleno in rumeno, kar lahko vidimo.
Žuželke so prevladujoča oblika življenja živali na Zemlji z več kot milijonom opisanih vrst in morda kar 15-krat več neznanih. Med žuželkami so se hrošči izkazali za eno najuspešnejših in barvitejših skupin, ki predstavljajo 40 odstotkov vseh vrst žuželk in 30 odstotkov vseh vrst živali. (Chip Clark / Smithsonian Institution) Najpogostejši pigment v rastlinah je klorofil, pri živalih pa so nekateri najpogostejši pigmenti melanini. Proizvajajo barvo naših las. Na primer, glive proizvajajo rjave barve in barve ptičjega perja.
Imamo tudi običajne pigmente, imenovane karotenoidi, in jih proizvajajo izključno rastline. Toda številne živali zaužijejo karotenoide v svoji prehrani in jih uporabljajo za barvanje tkiv. Tako na primer rdečo barvo kardinala, ki je običajna na vzhodni obali ZDA, proizvajajo karotenoidi, ki jih ptice prevzamejo v svoji prehrani sadja in jagodičja. Roza perja flamingov izvirajo iz karotenoidov v algah, ki jih jedo drobne kozice, kar je ptičji najljubši obrok.
Toda v resnici obstaja popolnoma drugačen način barvanja in to se imenuje strukturna barva. Strukturna barva sploh ne uporablja pigmentov in namesto tega uporablja zelo okrašene tkivne strukture na nanodelcu. V bistvu se bodo tkiva živali zlagala v zelo zapletene strukture na nanometrski ravni - ali z drugimi besedami, v enakem obsegu kot valovna dolžina svetlobe. Te strukture vplivajo na način, kako svetloba prehaja skozi biološka tkiva, zato lahko v bistvu filtrirajo določene valovne dolžine in ustvarijo resnično močne barve. In pravzaprav so strukturne barve najsvetlejše in najintenzivnejše barve, ki jih dobimo v naravi.
Katere različne vrste barve ali različne strukture, ki proizvajajo barvo, iščete, ko preučujete te fosile?
Ko sem začel študirati barvo, sem sodeloval s strukturno barvo fosilnih žuželk. Začel sem gledati te kovinske žuželke. Pokazali so svetle modre, rdeče, zelene in rumene, toda nihče še nikoli ni zares preučil, kaj proizvaja te barve - bila je le ena študija drobca enega hrošča.
Tako sem preučil približno 600 teh žuželk iz različnih krajev fosilov in skupaj z nekaterimi sodelavci dobil dovoljenje za odvzem vzorcev drobnih fosilov. Ko smo to storili, ne glede na to, katere vrste smo gledali, so vse te strukture pri teh obarvanih žuželkah nastale s strukturo, imenovano večplastni reflektor. Mikroskopsko je v bistvu videti kot sendvič z veliko res tankih slojev, morda le 100 nanometrov debel. Veliko sodobnih žuželk jih ima v svoji zunanji lupini. Več ko je slojev, svetlejša je barva, ki je raztresena.
Fotografije treh taks šarab-hroščev, ki so jih uporabili v študijah tafonomije za ponovitev procesa fosilizacije v laboratoriju. Med postopkom so se barve hroščev spreminjale. (G. Odin, M. McNamara idr. / Journal of The Royal Society Interface 1742-5662) Zanimalo nas je, kako ugotoviti, zakaj nismo našli drugih struktur, kot so tridimenzionalni fotonski kristali, ki so drobne, zapletene in večplastne strukture, ki motijo svetlobne delce, imenovane fotoni. Strukture so lahko zvite v diamantno strukturo, kubično strukturo, šestkotno strukturo in še bolj zapletene strukture. To kažejo številne sodobne žuželke in metulji. Na primer, sodobni metulj Morpho je ta čudovit modri tropski metulj z luskami, ki vsebujejo 3D fotonske kristale. Zato smo se vprašali, "zakaj tega nismo nikoli našli v zapisu fosilov?"
Zakaj mislite, da ste v fosilih videli le večplastne odsevne strukture, medtem ko druge sodobne strukture, ki proizvajajo barve, obstajajo pri sodobnih žuželkah?
Naredili smo nekaj eksperimentalne fosilizacije, ki ji rečemo tafonomija. Vidike procesa fosilizacije smo ponovili tako, da smo v laboratoriju omogočili razgradnjo večplastnih odsevnikov in 3D fotonskih kristalov. Oba sta preživela eksperiment, ki nam je povedal, da imajo ti 3D fotonski kristali enak potencial fosilizacije kot večplastni reflektorji - zato morajo biti nekje v zapisu fosilov.
Začeli smo z iskanjem pred nekaj leti in poročali smo o prvem primeru 3D fotonskih kristalov pri fosilnih žuželkah. Primer, ko smo jih našli na terenu, je zelo majhen, zato jih v mnogih primerih morda preprosto spregledamo.
Ali se lahko barva spremeni v procesu fosilizacije?
Vprašanje, s katerim se srečujemo, je, ali je ohranjena barva prava barva. Na začetku smo preučevali kemijo strukture s predpostavko, da je enaka sodobnim žuželkam - ali z drugimi besedami, domnevali smo, da bo svetloba enako upogibala. Ko pa te vrednosti vnesemo v svoje računalniške modele, niso delovale. Modeli so nam povedali, da so se barve naših fosilov med fosilizacijo dejansko spreminjale.
Z našimi poskusi smo lahko ugotovili, da je sprememba posledica previsokega tlaka in, kar je še pomembneje, enakomerne temperature. Temperatura, smo ugotovili, resnično vpliva na spremembo barve teh strukturnih barv, ker se fizična struktura skrči.
Katere vrste za seboj preučujejo barvo izumrlih rastlin in živali?
Ne gre za posamezne vrste, temveč za to, da se stvari ohranijo na pravilen način.
Večina do zdaj opravljenih raziskav je bila narejena na perju, bodisi perju pri pticah ali dinozavrih, vse pa so bile ohranjene kot karbonacijske stiske: fosili, ki so nastali v sedimentni kamnini pod ogromnim pritiskom. To je problematično, saj ne ohranite delov perja, ki so odgovorni za ne-melaninske barve.
Pri obstoječih pticah je melanin skoraj vseprisoten, učinki melanina pa so spremenjeni s prisotnostjo drugih pigmentov. Če torej ponovno vzamete rdeča perja kardinala, so videti rdeča, v notranjosti pa vsebujejo karotenoide in tudi melanosome. Če bo to ptičje perje prešlo skozi fosilizacijo, se karotenoidi razgradijo in vse, kar bi vam ostalo, so melanosomi, [in ne bi vedeli, da je kardinal rdeč].
Obstaja resnična nevarnost, da veliko rekonstrukcij fosilnih ptic in pernatih dinozavrov morda ne predstavlja barv organizmov, kot si morda mislimo. Če najdete dokaze o melaninu v fosilih, je to lahko znak vzorčenja, ne pa dejanskega odtenka. Zato trdimo, da ti fosilci karbonacije verjetno niso idealni za študije barv fosilov.
Čeprav znanstveniki še ne vedo, kakšni so bili barvni dinozavri, lahko preučijo fosilne dokaze perja in krzna, na primer na tem pterozavru, da bi dobili predstavo o senčenju. (Z. Yang, B. Jiang, M. McNamara idr. / Nature Ecology & Evolution 3, 24–30 (2019)) Katere vrste fosilov ohranjajo barvo najbolje?
Menimo, da bi morali iskati fosile, ohranjene v mineralnem kalcijevem fosfatu. Tako je bilo tudi s kačo, ki smo jo preučevali leta 2016. Barve kače so ohranjene; celotna koža kače je ohranjena v kalcijevem fosfatu. Lepota kalcijevega fosfata je v tem, da ohranja vse. Ohranjeni so celotni pigmenti kože, vključno s tremi vrstami pigmentov, ki v sodobnih plazilcih proizvajajo barvo. Ohranja strukturno barvo: rdečo in rumeno ter temno barvo.
Tisti fosili, pri katerih ste vse zaklenili v kalcijev fosfat, so pravzaprav veliko boljši cilj za študije barve fosilov kot stiskanje karbonacije.
Kakšne barve so torej imeli dinozavri?
Imamo različne pernate dinozavre, za katere imamo melanin v teh barvnih vzorcih, pri sodobnih pticah pa obarvanost melanina spreminja z drugimi pigmenti. Ti drugi pigmenti niso ohranjeni kot fosili, zato za zdaj ne moremo biti prepričani.
Če bi našli kožo dinozavra, ki je bila res dobro ohranjena, bi imeli dobro možnost, da barvo obnavljamo podrobneje. Težava je v tem, da je večina dinozavrove kože ohranjena kot vtisi. Obstaja več primerov, kjer dejansko obdržite tanek organski ali mineralizirani film, vendar čeprav je bilo nekaj raziskovanih, noben dejansko ni dal podrobnosti o pigmentih.
Danes svetle barve pogosto vidimo kot strupena opozorila plenilcem ali kot razkošen prikaz, da bi pritegnili mate ali druge bolj subtilne barve, ki služijo kot kamuflaža. Kakšen namen je barva služila prvim barvitim živalim?
Številni dinozavri, ki jih vidimo, imajo senčenje, ko so hrbet in stranice temnejše barve, trebuh pa je bolj blede barve. To je strategija, ki jo uporabljajo številne sodobne živali za pomoč pri razbijanju obrisa telesa v močnih svetlobnih okoljih [in zagotavljanju maskirnosti].
Pri pernatem dinozavru, ki smo ga preučevali, ima rep na njem zelo presenetljivo. Ta vrsta vezanja je danes pri živalih zelo pogosta, in ko se pojavlja na drugih predelih telesa, se običajno uporablja za kamuflažo. Toda v tem specifičnem dinozavru je lokaliziran na repu. Tako visok kontrast barv v repu pri sodobnih živalih se pogosto uporablja pri spolni signalizaciji, torej za prikazovanje parjenja.
Fosilna kača, ki smo jo preučevali, je skoraj zagotovo uporabljala barvo za kamuflažo. Po svoji dolžini je imela precej presenetljive madeže in ti madeži so verjetno spet služili kot moteče maskirne, da so ob močni svetlobi razbile obris telesa.
Živo modri Morpho peleides metulj, ki ima 3D fotonske kristalne strukture za ustvarjanje svetlega odtenka. (Slike Marka / UIG / Getty) Fosilna moljka in nekatere fosilne žuželke, ki smo jih preučevali s strukturnimi barvami, smo dobili občutek, da njihove barve delujejo dvojno, saj imajo zelo zeleno barvo. Takšna barva je kričava, ko se žuželka skriva v rastlinju, ko pa bi se ti metulji hranili z gostiteljskimi rastlinami, bi bilo s cvetnimi listi cvetov oster barvni kontrast. Mnoge žuželke to uporabljajo kot opozorilni signal, da oglašujejo, da je plenilec v bližini.
Katera nova orodja imamo za preučevanje mehkih tkiv in česa se lahko naučimo, da se od fosilov do tega trenutka nismo mogli naučiti?
Pred desetimi leti je bilo celotno pojmovanje, da fosili lahko ohranijo barvo, skorajda na radarju - izšla je le ena študija. Pred dvanajstimi leti nihče niti ne bi vedel, da je to mogoče.
Obstaja več tehnik masne spektrometrije, ki si ogledajo molekularne fragmente na površini materiala, vendar niso vsi drobci diagnostični. Obstajajo kemične tehnike, ki proizvajajo edinstvene delce molekul melanina, zato jih ne morete zamenjati z ničimer drugim. Ljudje si ogledujejo tudi anorgansko kemijo fosilov in poskušajo pridobiti dokaze o barvi.
Zato je resnično treba upoštevati tafonomijo, kemijo tkiv in dokaze o barvi. Eden res lepih načinov za izločanje biologije od učinkov fosilizacije je eksperimentiranje.
Simpozij "Najpomembnejši življenjski zadetki: ključni dogodki v razvoju" 29. marca 2019 poteka od 10. do 16.30 v Nacionalnem naravoslovnem muzeju, na njem pa je predstavljenih 10 mednarodno priznanih evolucijskih biologov in paleontologov. Vstopnice so na voljo tukaj.
