Spre ochiul neîngrădit, majoritatea fosilelor nu par să explodeze culoarea. Prima analiză științifică a culorii fosile a fost publicată în urmă cu doar un deceniu și până de curând, determinarea paletei de culori din lumea preistorică părea o sarcină insurmontabilă.
Maria McNamara, paleontologă la University College Cork din Irlanda, încearcă să reunească dovezile fosile pentru a picta o imagine colorată din trecut. Când oamenii se gândesc la paleontologie, se gândesc adesea la dinți și oase dure, dar părțile mai moi ale animalelor, precum pielea, țesutul muscular și organele interne, pot fi păstrate și în evidența fosilelor. Desigur, este mult mai rar, deoarece, de obicei, lucrurile plictisitoare se putrezesc, însă țesuturile moi sunt exact genul de exemplare pe care le caută McNamara. Studiază țesuturile din insecte și vertebrate pentru a imagina cum arătau acești critici și cum au interacționat cu mediile lor - care au fost prădătorii lor, unde au trăit, care au fost obiceiurile lor de împerechere și multe altele.
McNamara va discuta despre lucrările sale pentru a găsi resturile de culoare din fosile la simpozionul „Life’s Greatest Hits: Key Events in Evolution” de la Washington DC, la Smithsonian's National Museum of Natural History. Înainte de discuția ei, Smithsonian.com a vorbit cu McNamara pentru a afla mai multe despre culorile lumii antice.
Științific vorbind, ce este culoarea și cum se măsoară?
Culoarea este pur și simplu lumină vizibilă. Orice lucru care împrăștie energia între lungimile de undă de 400 și 700 de nanometri este ceea ce oamenii de știință numesc lumină vizibilă. Ochiul uman este antrenat să perceapă diferențe subtile de energie în acea fereastră. Alte animale pot vedea culoarea dincolo de acea fereastră. De exemplu, păsările au sensibilitate la lumina ultravioletă, astfel încât pot percepe lungimi de undă mai scurte ale energiei. Multe insecte pot vedea, de asemenea, lumină ultravioletă și potențial în infraroșu, care are lungimi de undă mai lungi. Ceea ce numiți culoare depinde cu adevărat de ce fel de animal sunteți.
Pentru a o spune în termenii cei mai simpli, culoarea este o formă de energie pe care o putem percepe și diferite lungimi de undă creează culori diferite.
În ce moduri se dezvoltă culoarea în natură?
Culoarea poate fi produsă în două moduri diferite. Multe organisme moderne, inclusiv animale, produc culoare folosind pigmenți. Pigmenții sunt substanțe chimice care absorb selectiv lumina de lungimi de undă specifice. De exemplu, frunzele plantelor arată verde deoarece moleculele din clorofilă din interiorul frunzelor absorb toate lungimile de undă în partea roșie și albastră a spectrului și reflectă verdeturile și galbenele pe care le putem vedea.
Insectele sunt forma dominantă a vieții animalelor pe Pământ, cu peste 1 milion de specii descrise și, probabil, de 15 ori mai multe rămase necunoscute. Dintre insecte, gândacii s-au dovedit a fi unul dintre cele mai de succes - și colorate grupuri, reprezentând 40 la sută din toate speciile de insecte și 30 la sută din toate speciile de animale. (Chip Clark / Smithsonian Institution) Cel mai frecvent pigment la plante este clorofila, dar la animale, unii dintre cei mai comuni pigmenți sunt melaninele. Ele produc culoarea părului nostru. Ele produc culorile maro în ciuperci, de exemplu, și culorile închise la culoare ale penelor de păsări.
De asemenea, avem pigmenți comuni numiți carotenoizi, iar aceștia sunt produși exclusiv de plante. Dar multe animale ingerează carotenoizi în dieta lor și le folosesc pentru a-și colora țesuturile. Deci, de exemplu, culoarea roșie a unui cardinal, care sunt comune pe coasta de est a Statelor Unite, este produsă de carotenoizi, pe care păsările o iau în dieta fructelor și fructelor de pădure. Pene roz de flameni sunt derivate din carotenoide din algele pe care le consumă creveții minusculi, care este masa preferată a păsărilor.
Dar există de fapt acest mod diferit de a produce culoare și asta se numește culoare structurală. Culoarea structurală nu folosește deloc pigmenți și folosește în schimb structuri de țesuturi foarte ornamentate la nano-scală. Practic, unele țesuturi de animale se vor plia în structuri extrem de complexe la nivelul nanometrului - sau cu alte cuvinte, la aceeași scară ca lungimea de undă a luminii. Aceste structuri afectează modul în care lumina trece prin țesuturile biologice, astfel încât acestea pot filtra în mod esențial anumite lungimi de undă și să producă culori cu adevărat puternice. Și de fapt culorile structurale sunt cele mai strălucitoare și cele mai intense culori pe care le obținem în natură.
Ce tipuri de culori diferite sau diferite structuri care produc culoare, căutați când studiați aceste fosile?
Când am început să studiez culoarea, lucram cu culoarea structurală la insectele fosile. Am început să mă uit la aceste insecte metalice. Au arătat albastru strălucitor, roșii, verzi și galbeni, dar nimeni nu a studiat cu adevărat ce producea aceste culori - a existat doar un singur studiu al unui fragment dintr-o bucată de gândac.
Așa că am studiat aproximativ 600 dintre aceste insecte din multe localități fosile diferite și, împreună cu unii colaboratori, am obținut permisiunea de a preleva mostre de mici fosile. Când am făcut acest lucru, indiferent de ce specie am privit, toate aceste structuri din aceste insecte colorate au fost produse de o structură numită reflector multistrat. Microscopic, practic pare un sandwich cu o mulțime de straturi foarte subțiri, poate doar 100 de nanometri grosime. Multe insecte moderne au aceste învelișul exterior. Cu cât sunt mai multe straturi, cu atât este mai strălucitoare culoarea împrăștiată.
Fotografii cu trei dintre taxonii de gândaci scarabei care au fost folosiți în studiile de taponomie pentru a reproduce procesul de fosilizare în laborator. În timpul procesului, culorile gândacilor s-au schimbat. (G. Odin, M. McNamara și colab. / Journal of The Royal Society Interface 1742-5662) Ne-a interesat să aflăm de ce nu am găsit alte structuri, cum ar fi cristale fotonice tridimensionale, care sunt structuri minuscule, complexe, stratificate, care interferează cu particule de lumină numite fotoni. Structurile ar putea fi răsucite într-o structură de diamant, o structură cubică, o structură hexagonală și chiar mai complexe. Multe insecte moderne și fluturi afișează acest lucru. De exemplu, fluturele Morpho modern este acest fabulos fluture albastru tropical cu solzi care conțin cristale fotonice 3D. Așa că ne-am întrebat: „de ce nu le-am găsit niciodată în evidența fosilelor?”
De ce crezi că vezi doar structuri reflectoare multistrat în fosile, în timp ce alte structuri producătoare de culoare există în insectele moderne?
Am făcut unele fosilizări experimentale, care se numește taponomie. Am replicat aspectele procesului de fosilizare permițând atât reflectoarelor multistrat, cât și cristalelor fotonice 3D să se degradeze în laborator. Amândoi au supraviețuit experimentului, care ne-a spus că aceste cristale fotonice 3D au același potențial de fosilizare ca reflectoarele cu mai multe straturi - deci trebuie să se afle undeva în registrul fosilelor.
Am început să căutăm acum câțiva ani și am raportat primul caz de cristale fotonice 3D la insectele fosile. Exemplul în care le-am găsit pe teren este foarte mic, așa că în multe cazuri pot fi doar trecute cu vederea.
Se poate schimba culoarea în procesul de fosilizare?
Întrebarea pe care o întâlnim este dacă culoarea păstrată este culoarea reală. Inițial, am studiat chimia structurii, presupunând că este la fel ca insectele moderne - sau cu alte cuvinte, am presupus că se va îndoi ușor la fel. Dar când introducem aceste valori în modelele noastre de computer, acestea nu au funcționat. Modelele ne-au spus că culorile fosilelor noastre s-au schimbat de fapt în timpul fosilizării.
Cu experimentele noastre am putut constata că schimbarea s-a datorat presiunii excesive și, mai important, a temperaturii constante. Am constatat că temperatura determină schimbarea culorii acestor culori structurale, deoarece structura fizică se micșorează.
Când studiați culoarea plantelor și animalelor dispărute, ce specii lasă în urmă cele mai bune dovezi?
Nu este un caz al anumitor specii, ci este un caz de a păstra lucrurile păstrate într-un mod corect.
Majoritatea studiilor făcute până acum s-au făcut pe pene, fie pe pene la păsări, fie dinozauri, și toate au fost conservate sub formă de compresii de carbonatare: fosile formate în roca sedimentară sub o presiune imensă. Acest lucru este problematic deoarece nu păstrați părțile din pene care sunt responsabile pentru culorile non-melanină.
La păsările existente, melanina este aproape omniprezentă, iar efectele melaninei sunt modificate de prezența altor pigmenți. Deci, dacă luați din nou pene roșii ale unui cardinal, acestea arată roșii, dar în interior, conțin carotenoizi și, de asemenea, melanozomi. Dacă acea pene de pasăre trece prin fosilizare, carotenoizii se vor degrada și tot ce ai mai rămâne sunt melanozomi, [și nu ai ști că cardinalul era roșu].
Există un pericol foarte real ca o mulțime de reconstrucții pe care le-am analizat păsările fosile și dinozaurii cu pene să nu fie reprezentative pentru culorile organismelor așa cum am putea crede. Dacă găsiți dovezi de melanină în fosile, poate fi indicativ pentru modelare, dar nu pentru nuanța propriu-zisă. Deci, susținem că probabil că aceste fosile de carbonatare nu sunt ideale pentru studiile de culoare fosilă.
Deși oamenii de știință nu știu încă ce au fost dinozaurii de culoare, ei pot studia dovezile fosile ale penei și blănii, cum ar fi pe acest pterosaur, pentru a face o idee de umbrire. (Z. Yang, B. Jiang, M. McNamara și colab. / Nature Ecology & Evolution 3, 24-30 (2019)) Ce tipuri de fosile păstrează cel mai bine culoarea?
Credem că ar trebui să căutăm fosile păstrate în fosfatul de calciu mineral. Acesta a fost cazul șarpelui pe care l-am studiat în 2016. Se păstrează culorile șarpelui; întreaga piele a șarpelui este păstrată în fosfat de calciu. Frumusețea fosfatului de calciu este că păstrează totul. Se păstrează întregii pigmenți ai pielii, inclusiv cele trei tipuri de pigmenți care produc culoare în reptilele moderne. Păstrează culoarea structurală: roșu și galben, iar culoarea închisă.
Acele tipuri de fosile în care ați blocat totul în fosfat de calciu, sunt de fapt o țintă mult mai bună pentru studiile de culoare fosilă decât compresia prin carbonatare.
Deci, ce culoare erau dinozaurii?
Avem diverse dinozauri cu pene pentru care avem melanină în aceste modele de culoare, iar la păsările moderne, colorația melaninei este modificată de alți pigmenți. Acești alți pigmenți nu sunt păstrați sub formă de fosile, deci nu putem fi siguri deocamdată.
Dacă am găsi pielea dinozaurului care este într-adevăr bine conservată, am avea o șansă bună de a reconstrui culoarea mai detaliată. Problema este că majoritatea pielii dinozaurilor sunt păstrate ca impresii. Există o serie de exemple în care păstrați de fapt un film subțire organic sau mineralizat, dar, deși au fost studiate câteva, niciunul nu a dat detalii despre pigmenți.
Astăzi, adesea vedem culorile strălucitoare ca avertismente toxice pentru prădători sau ca un afișat generos pentru a atrage o pereche, sau alte culori mai subtile pentru a servi drept camuflaj. Ce scop a servit culoarea pentru primele animale colorate?
O mulțime de dinozauri pe care îi vedem au înfăptuire, care este atunci când spatele și părțile laterale au o culoare mai închisă, iar burtica este o culoare mai palidă. Aceasta este o strategie folosită de multe animale moderne pentru a ajuta la spargerea conturului corpului în medii luminoase puternice [și pentru a oferi camuflaj].
Într-un dinozaur cu pene pe care l-am studiat, coada are o bandă foarte izbitoare pe ea. Acest tip de bandaj este foarte frecvent la animale astăzi, iar atunci când apare pe alte zone ale corpului, este de obicei utilizat pentru camuflaj. Dar în acest dinozaur specific, este localizat la coadă. Deci, acest contrast de culoare ridicat în coada la animalele moderne este adesea utilizat în semnalizarea sexuală, deci pentru afișarea împerecherii.
Șarpele fosil pe care l-am studiat folosea aproape sigur culoarea pentru camuflaj. De-a lungul lungimii a avut petele destul de izbitoare, iar acele manșe au servit probabil din nou ca camuflaj perturbator, pentru a rupe conturul corpului într-o lumină puternică.
Un fluture vibrant albastru Morpho peleides, care are structuri de cristale fotonice 3D pentru a-și produce nuanța strălucitoare. (Marka / UIG / Getty Images) Moliile fosile și unele insecte fosile pe care le-am studiat cu culori structurale - am înțeles că culorile lor serveau o dublă funcție, deoarece aveau o culoare verde foarte izbitoare. O astfel de culoare este criptică atunci când insecta se ascunde în vegetație, dar când acești fluturi s-ar fi hrănit cu plantele gazdă, ar fi existat un contrast de culoare accentuat cu petalele florii. Multe insecte folosesc acest lucru ca un semnal de avertizare pentru a face publicitate că un prădător este aproape.
Ce instrumente noi avem pentru a studia țesuturile moi și ce putem învăța că nu am reușit să învățăm din fosile până în acest moment?
În urmă cu zece ani, întreaga idee conform căreia fosilele ar putea păstra culoarea nu se găsea aproape pe radar - a existat un singur studiu. În urmă cu doisprezece ani, nimeni nu ar fi știut că acest lucru este posibil.
Există mai multe tehnici de spectrometrie de masă care privesc fragmentele moleculare de pe suprafața materialului dvs., dar nu toate fragmentele sunt diagnostice. Există tehnici chimice care produc fragmente unice din moleculele de melanină, astfel încât să nu le poți confunda cu altceva. Oamenii se uită, de asemenea, la chimia anorganică a fosilelor și încearcă să recupereze dovezi de culoare.
Așadar, este foarte important să luăm în considerare taponomia, chimia țesuturilor și dovezile de culoare și un mod foarte frumos de a scoate biologia din efectele fosilizării este să faci experimente.
Simpozionul „Life’s Greatest Hits: Key Events in Evolution” din 29 martie 2019 are loc între orele 10 și 16:30 la Muzeul Național de Istorie Naturală și cuprinde 10 biologi și paleontologi evoluați la nivel internațional. Biletele sunt disponibile aici.
