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【科技日報】這些昆蟲爲何穿越億年仍能“自帶光芒”
2020-07-10 | 编辑: | 【
 2020年7月8日 来源:科技日報

  此前有學者曾在距今5000萬年前的始新世印痕化石中,發現過與顔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,再到北極熊的白色僞裝。動物王國裏,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,展現了極其豐富的顔色。它們的顔色分爲色素色和結構色,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,當這種絢爛融爲化石,便從此黯淡無光。

  目前,化石中很少保有生物的色彩細節,地質曆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象重建。

  近日,中國科學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。

  古生物的顔色在化石中難覓蹤迹

  自然界中的顔色主要有三個來源,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産生折射、衍射及幹擾而形成的,是自然界中色彩最爲純淨且最強烈的顔色。

  由于化石保存等因素的局限,對古生物的顔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,常見于金龜、蒼蠅、吉丁蟲;還有的是來自衍射光柵,常見于孔雀羽毛、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,可以爲生物間的視覺交流和顔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裏,發現過與顔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顔色鮮豔的昆蟲,而在此前的研究文獻中,很多學者認爲,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爲,不管是色素色還是結構色,在化石中,它們都難覓蹤迹。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顔色的蛛絲馬迹,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顔色。

  2018年,王博與德國、英國的科學家團隊聯合刊文稱,他們發現侏羅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産生的結構色,推測出這類蛾的鱗片會産生銀色或金黃色。

  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、黃色及紅色爲主要色彩的基礎。

  多層反射膜讓昆蟲顔色保存億年

  如何從結構色中發現遠古昆蟲的顔色演化之謎,對蔡晨陽來說,源自2015年的一次啓發。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9900萬年的白垩紀中期約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于膜翅目青蜂科,少部分屬于鞘翅目隱翅蟲科、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,又用掃描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複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,他們發現一只青峰體表有6層反射膜,每一層的厚度約爲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,這只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産生結構色的直接原因,且昆蟲體表的顔色可能就是原始顔色,但也不排除顔色發生微小變化。”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顔色。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曆史中穩定保存,否定了前人關于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。

  古老昆蟲顔色形成機制還需探究

  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、打磨和抛光等前期准備過程中,任一小部分結構受到損壞,使其與空氣或水分接觸,其顔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。這一發現爲揭示緬甸琥珀乃至其他琥珀中的銀色昆蟲的形成原因、對早期昆蟲特征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,體表也呈現爲銀色,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制不同,這兩種機制各是由什麽造成的,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,較爲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垩紀中期森林中已經存在複雜的生態關系。

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

  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。”记者 金 凤

【科技日報】這些昆蟲爲何穿越億年仍能“自帶光芒”

白垩紀緬甸琥珀中具金屬色彩結構色的昆蟲

青蜂化石身體表面結構色變化前後的對比圖

青蜂化石身體表面結構色變化前後的對比圖






 
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