Για το μη εκπαιδευμένο μάτι, τα περισσότερα απολιθώματα δεν φαίνονται να εκραγούν με χρώμα. Η πρώτη επιστημονική ανάλυση του ορυκτού χρώματος δημοσιεύθηκε μόλις πριν από μια δεκαετία, και μέχρι πρόσφατα, ο προσδιορισμός της παλέτας χρωμάτων του προϊστορικού κόσμου φαινόταν ένα ανυπέρβλητο έργο.
Η Μαρία McNamara, παλαιοντολόγος στο University College Cork της Ιρλανδίας, προσπαθεί να βάλει μαζί τα απολιθωμένα στοιχεία για να ζωγραφίσει μια πολύχρωμη εικόνα του παρελθόντος. Όταν οι άνθρωποι σκέφτονται την παλαιοντολογία, συχνά σκέφτονται τα σκληρά δόντια και τα οστά, αλλά τα πιο ήπια μέρη των ζώων, όπως το δέρμα, ο μυϊκός ιστός και τα εσωτερικά όργανα, μπορούν να διατηρηθούν και στα απολιθώματα. Είναι πολύ πιο σπάνιο, βέβαια, επειδή το σκουριασμένο υλικό συνήθως αποκολλάται, αλλά οι μαλακοί ιστοί είναι ακριβώς το είδος των δειγμάτων που ψάχνει ο McNamara. Μελετά ιστούς από έντομα και σπονδυλωτά για να καταλάβει τι έμοιαζαν αυτά τα critters και πώς αλληλεπίδραζαν με το περιβάλλον τους - τι ήταν οι θηρευτές τους, πού ζούσαν, ποιες ήταν οι συνήθειες των ζευγαριών τους και πότε.
Η McNamara θα συζητήσει την εργασία της για να βρει τα κατάλοιπα χρώματος σε απολιθώματα στο συμπόσιο του Εθνικού Μουσείου Φυσικής Ιστορίας του Smithsonian's "Η μεγαλύτερη έκρηξη της ζωής: Βασικά γεγονότα σε εξέλιξη" την Παρασκευή 29 Μαρτίου στην Washington DC. Προτού μιλήσει, ο Smithsonian.com μίλησε στο McNamara για να μάθει περισσότερα για τα χρώματα του αρχαίου κόσμου.
Από επιστημονική άποψη, ποιο είναι το χρώμα και πώς μετράται;
Το χρώμα είναι απλά ορατό φως. Οτιδήποτε διασκορπίζει την ενέργεια ανάμεσα στα μήκη κύματος 400 και 700 νανομέτρων είναι αυτό που οι επιστήμονες ονομάζουν ορατό φως. Το ανθρώπινο μάτι εκπαιδεύεται να αντιλαμβάνεται τις λεπτές διαφορές στην ενέργεια μέσα σε αυτό το παράθυρο. Άλλα ζώα μπορούν να δουν χρώμα πέρα από αυτό το παράθυρο. Για παράδειγμα, τα πουλιά έχουν ευαισθησίες στο υπεριώδες φως, έτσι ώστε να μπορούν να αντιλαμβάνονται βραχύτερα μήκη κύματος ενέργειας. Πολλά έντομα μπορούν επίσης να δουν το υπεριώδες φως και ενδεχομένως στο υπέρυθρο, το οποίο έχει μακρύτερα μήκη κύματος. Αυτό που αποκαλείτε χρώμα εξαρτάται πραγματικά από το είδος του ζώου που είστε.
Για να το θέσουμε με τους απλούστερους όρους, το χρώμα είναι μια μορφή ενέργειας που μπορούμε να αντιληφθούμε και διαφορετικά μήκη κύματος δημιουργούν διαφορετικά χρώματα.
Με ποιους τρόπους αναπτύσσεται το χρώμα στη φύση;
Το χρώμα μπορεί να παραχθεί με δύο διαφορετικούς τρόπους. Πολλοί σύγχρονοι οργανισμοί, συμπεριλαμβανομένων των ζώων, παράγουν χρώμα χρησιμοποιώντας χρωστικές ουσίες. Οι χρωστικές είναι χημικά που απορροφούν επιλεκτικά το φως συγκεκριμένων μηκών κύματος. Για παράδειγμα, τα φύλλα των φυτών φαίνονται πράσινα επειδή τα μόρια χλωροφύλλης μέσα στα φύλλα απορροφούν όλα τα μήκη κύματος στο κόκκινο και το μπλε τμήμα του φάσματος και αντανακλούν τα πράσινα και τα κίτρινα που μπορούμε να δούμε.
Τα έντομα είναι η κυρίαρχη μορφή της ζωής των ζώων στη Γη με περισσότερα από 1 εκατομμύριο είδη που έχουν περιγραφεί και ενδεχομένως ακόμη και 15 φορές περισσότερα άγνωστα. Μεταξύ των εντόμων, τα σκαθάρια έχουν αποδειχθεί ότι είναι μια από τις πιο επιτυχημένες και πολύχρωμες ομάδες, που αντιπροσωπεύουν το 40% όλων των ειδών εντόμων και το 30% όλων των ζωικών ειδών. (Ίδρυμα Chip Clark / Smithsonian) Η πιο συνηθισμένη χρωστική στα φυτά είναι η χλωροφύλλη, αλλά σε ζώα, μερικές από τις πιο κοινές χρωστικές είναι οι μελανίνες. Παράγουν το χρώμα των μαλλιών μας. Παράγουν τα καφέ χρώματα στους μύκητες, για παράδειγμα, και τα σκούρα χρώματα των φτερών πουλιών.
Έχουμε επίσης κοινές χρωστικές ουσίες που ονομάζονται καροτενοειδή, και αυτές παράγονται αποκλειστικά από φυτά. Αλλά πολλά ζώα καταναλώνουν καροτενοειδή στη διατροφή τους και τα χρησιμοποιούν για να χρωματίζουν τους ιστούς τους. Έτσι, για παράδειγμα, το κόκκινο χρώμα ενός καρδινάλου, που είναι κοινά στην ανατολική ακτή των Ηνωμένων Πολιτειών, παράγεται από καροτενοειδή, τα οποία τα πουλιά παίρνουν στη διατροφή τους με φρούτα και μούρα. Τα ροζ φτερά φλαμίνγκο προέρχονται από καροτενοειδή στα φύκια που τρώνε μικροσκοπικές γαρίδες, που είναι το αγαπημένο γεύμα των πουλιών.
Αλλά υπάρχει πραγματικά ολόκληρος αυτός ο διαφορετικός τρόπος παραγωγής χρώματος, και αυτό ονομάζεται δομικό χρώμα. Το δομικό χρώμα δεν χρησιμοποιεί καθόλου χρωστικές και αντ 'αυτού χρησιμοποιεί πολύ περίτεχνα δομές ιστών στην νανοκλίμακα. Βασικά, οι ιστοί ορισμένων ζώων θα αναδιπλωθούν σε πολύπλοκες δομές σε επίπεδο νανομέτρου - ή με άλλα λόγια, στην ίδια κλίμακα με το μήκος κύματος του φωτός. Αυτές οι δομές επηρεάζουν τον τρόπο που το φως περνά μέσα από τους βιολογικούς ιστούς, έτσι ώστε να μπορούν να φιλτράρουν ορισμένα μήκη κύματος και να παράγουν πραγματικά δυνατά χρώματα. Και πραγματικά τα δομικά χρώματα είναι τα φωτεινότερα και τα πιο έντονα χρώματα που παίρνουμε στη φύση.
Ποιοι διαφορετικοί τύποι χρωμάτων, ή διαφορετικές δομές που παράγουν χρώμα, αναζητάτε όταν μελετάτε αυτά τα απολιθώματα;
Όταν άρχισα να μελετά το χρώμα, δούλευα με το δομικό χρώμα στα απολιθωμένα έντομα. Άρχισα να κοιτάζω αυτά τα μεταλλικά έντομα. Έδειξαν φωτεινά μπλε, κόκκινα, πράσινα και κίτρινα, αλλά κανείς δεν είχε μελετήσει ποτέ τι παράγει αυτά τα χρώματα - υπήρξε μόνο μία μελέτη ενός θραύσματος ενός σκαθάρι.
Έτσι σπούδασα περίπου 600 από αυτά τα έντομα από πολλές διαφορετικές ορυκτές τοποθεσίες και μαζί με κάποιους συνεργάτες πήραμε την άδεια να πάρουμε δείγματα από τα μικροσκοπικά απολιθώματα. Όταν το κάναμε αυτό, ανεξάρτητα από το είδος στο οποίο είδαμε, όλες αυτές οι δομές σε αυτά τα έγχρωμα έντομα παράγονται από μια δομή που ονομάζεται πολυστρωματικός ανακλαστήρας. Μικροσκοπικά, βασικά μοιάζει με ένα σάντουιτς με πολλά πολύ λεπτά στρώματα, ίσως μόνο 100 νανόμετρα. Πολλά σύγχρονα έντομα έχουν αυτά στο εξωτερικό τους κέλυφος. Όσο περισσότερα στρώματα υπάρχουν, τόσο πιο φωτεινό είναι το χρώμα που είναι διάσπαρτα.
Φωτογραφίες από τρία από τα taxa σκαθαριού σκαραβαίων που χρησιμοποιήθηκαν σε μελέτες ταφνομίας για την αναπαραγωγή της διαδικασίας απολιθωμάτων στο εργαστήριο. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας άλλαξαν τα χρώματα των σκαθαριών. (G. Odin, Μ. McNamara et al., Journal of The Royal Society Interface 1742-5662) Μας άρεσε να ανακαλύψουμε γιατί δεν βρήκαμε άλλες δομές, όπως οι τρισδιάστατοι φωτονικοί κρύσταλλοι, οι οποίοι είναι μικροσκοπικές, πολύπλοκες, στρωματοποιημένες δομές που παρεμβαίνουν στα ελαφρά σωματίδια που ονομάζονται φωτόνια. Οι δομές μπορεί να είναι στριμωγμένες σε μια δομή διαμαντιού, μια κυβική δομή, μια εξαγωνική δομή και ακόμη πιο σύνθετες δομές. Πολλά σύγχρονα έντομα και πεταλούδες το εμφανίζουν. Για παράδειγμα, η σύγχρονη πεταλούδα Morpho είναι αυτή η υπέροχη μπλε τροπική πεταλούδα με κλίμακες που περιέχουν 3D φωτονικούς κρυστάλλους. Έτσι αναρωτήσαμε, "γιατί δεν τις βρήκαμε ποτέ στο απολιθωμένο αρχείο;"
Γιατί νομίζετε ότι βλέπετε μόνο τις πολυστρωματικές δομές ανακλαστήρα στα απολιθώματα ενώ άλλες δομές παραγωγής χρωμάτων υπάρχουν στα σύγχρονα έντομα;
Κάναμε πειραματικά απολιθώματα, τα οποία ονομάζονται ταχονομία. Αντιγράψαμε τις πτυχές της διεργασίας απολιθωμάτων, επιτρέποντας τόσο σε πολυστρωματικούς ανακλαστήρες όσο και σε 3D φωτονικούς κρυστάλλους να αποικοδομούνται στο εργαστήριο. Και οι δύο επέζησαν από το πείραμα, που μας είπε ότι αυτοί οι τρισδιάστατοι φωτονικοί κρύσταλλοι είχαν την ίδια δυνατότητα απολιθωμάτων με τους πολυστρωματικούς ανακλαστήρες - έτσι πρέπει να βρίσκονται κάπου στο απολιθωμένο αρχείο.
Αρχίσαμε να κοιτάζουμε πριν από μερικά χρόνια και αναφέρθηκε στην πρώτη περίπτωση των τρισδιάστατων φωτονικών κρυστάλλων σε ορυκτά έντομα. Το παράδειγμα στο οποίο τα βρήκαμε στον τομέα είναι πολύ μικρό, έτσι σε πολλές περιπτώσεις θα μπορούσαν απλώς να παραβλεφθούν.
Μπορεί η αλλαγή χρώματος στη διαδικασία απολιθωμάτων;
Το ερώτημα που αντιμετωπίζουμε είναι εάν το διατηρημένο χρώμα είναι το πραγματικό χρώμα. Αρχικά μελετήσαμε τη χημεία της δομής υποθέτοντας ότι είναι το ίδιο με τα σύγχρονα έντομα - ή με άλλα λόγια, υποθέσαμε ότι θα κάμψει το φως το ίδιο. Αλλά όταν εισάγουμε αυτές τις αξίες στα μοντέλα των υπολογιστών μας, δεν δούλευαν. Τα μοντέλα μας είπαν ότι τα χρώματα των απολιθωμάτων μας είχαν αλλάξει κατά τη διάρκεια της απολίθωσης.
Με τα πειράματά μας μπορέσαμε να διαπιστώσουμε ότι η αλλαγή οφείλεται στην υπερβολική πίεση και, κυρίως, στη σταθερή θερμοκρασία. Θερμοκρασία, βρήκαμε, οδηγεί πραγματικά την αλλαγή χρώματος αυτών των δομικών χρωμάτων επειδή η φυσική δομή συρρικνώνεται.
Όταν μελετάτε το χρώμα των εξαφανισμένων φυτών και ζώων, ποια είδη αφήνουν πίσω τους τα καλύτερα στοιχεία;
Δεν πρόκειται για περίπτωση συγκεκριμένου είδους, είναι μια περίπτωση να διατηρηθούν τα πράγματα με τον σωστό τρόπο.
Οι περισσότερες από τις μελέτες που έγιναν μέχρι τώρα έχουν γίνει σε φτερά, είτε σε φτερά σε πτηνά είτε σε δεινοσαύρους, και όλα έχουν διατηρηθεί ως συμπιέσεις ενανθράκωσης: τα απολιθώματα σχηματίζονται σε ιζηματογενή πετρώματα υπό τεράστια πίεση. Αυτό είναι προβληματικό γιατί δεν διατηρείτε τα μέρη του φτερού που είναι υπεύθυνα για τα χρώματα που δεν έχουν μελανίνη.
Στα υπάρχοντα πουλιά, η μελανίνη είναι σχεδόν πανταχού παρούσα και τα αποτελέσματα της μελανίνης τροποποιούνται από την παρουσία άλλων χρωστικών. Έτσι, αν πάρετε ξανά τα κόκκινα φτερά ενός καρδινάλου, φαίνονται κόκκινα αλλά μέσα, περιέχουν καροτενοειδή και μελανοσώματα. Εάν το φτερό πουλί περάσει από απολιθώματα, τα καροτενοειδή θα υποβαθμιστούν και όλα θα μείνουν μόνο μελανοσώματα, [και δεν θα γνωρίζατε ότι ο καρδινάλιος ήταν κόκκινος].
Υπάρχει πολύ πραγματικός κίνδυνος ότι πολλές από τις ανακατασκευές που εξετάζουμε για τα ορυκτά πτηνά και τους δεινοσαύρους με φτερά μπορεί να μην είναι αντιπροσωπευτικά των χρωμάτων των οργανισμών όπως θα μπορούσαμε να σκεφτούμε. Αν βρείτε αποδείξεις μελανίνης σε απολιθώματα, μπορεί να είναι ενδεικτική της μορφοποίησης, αλλά όχι της πραγματικής απόχρωσης. Συνεπώς, υποστηρίζουμε ότι αυτά τα απολιθώματα αποικοδομήσεως πιθανότατα δεν είναι ιδανικά για μελέτες απολιθωμένου χρώματος.
Αν και οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακόμα ποιες είναι οι δεινόσαυροι χρώματος, μπορούν να μελετήσουν τα απολιθώματα των φτερών και της γούνας, όπως σε αυτόν τον πτερόσαυρο, για να πάρουν μια ιδέα σκίασης. (Ζ. Yang, Β. Jiang, Μ. McNamara, et αϊ., Nature Ecology & Evolution 3, 24-30 (2019)) Ποια είδη απολιθωμάτων διατηρούν το χρώμα καλύτερα;
Νομίζουμε ότι θα πρέπει να ψάχνουμε απολιθώματα που διατηρούνται στο φωσφορικό ασβέστιο. Αυτό συνέβη με το φίδι που μελετήσαμε το 2016. Τα χρώματα του φιδιού σώζονται. ολόκληρο το δέρμα του φιδιού διατηρείται σε φωσφορικό ασβέστιο. Η ομορφιά του φωσφορικού ασβεστίου είναι ότι διατηρεί τα πάντα. Οι ολόκληρες χρωστικές του δέρματος διατηρούνται, συμπεριλαμβανομένων των τριών τύπων χρωστικών που παράγουν χρώμα στα σύγχρονα ερπετά. Διατηρεί το δομικό χρώμα: κόκκινο και κίτρινο, και το σκούρο χρώμα.
Αυτά τα απολιθώματα, όπου έχετε κλειδώσει τα πάντα στο φωσφορικό ασβέστιο, είναι στην πραγματικότητα ένας πολύ καλύτερος στόχος για μελέτες σχετικά με τα ορυκτά χρώματα από τη συμπίεση των ανθρακικών αλάτων.
Ποιο χρώμα ήταν οι δεινόσαυροι;
Έχουμε διάφορους δεινοσαύρους με φτερά που έχουμε μελανίνη σε αυτά τα σχέδια χρωμάτων και, στα μοντέρνα πουλιά, ο χρωματισμός της μελανίνης τροποποιείται από άλλες χρωστικές ουσίες. Αυτές οι άλλες χρωστικές δεν διατηρούνται ως απολιθώματα, επομένως δεν μπορούμε να είμαστε σίγουροι για τώρα.
Αν βρήκαμε δέρμα δεινοσαύρων που ήταν πραγματικά καλά διατηρημένο, θα είχαμε μια καλή πιθανότητα ανακατασκευής του χρώματος με περισσότερες λεπτομέρειες. Το πρόβλημα είναι ότι το μεγαλύτερο μέρος του δέρματος των δεινοσαύρων διατηρείται ως εντυπώσεις. Υπάρχουν ορισμένα παραδείγματα όπου διατηρείτε πραγματικά μια λεπτή οργανική ή μεταλλοποιημένη μεμβράνη, αλλά παρόλο που λίγες έχουν μελετηθεί, κανένας δεν έχει δώσει λεπτομέρειες για τις χρωστικές ουσίες.
Σήμερα, βλέπουμε συχνά τα φωτεινά χρώματα ως τοξικές προειδοποιήσεις στους αρπακτικούς ή ως πλούσια οθόνη για να προσελκύσουν έναν σύντροφο, ή άλλα πιο λεπτές αποχρώσεις που θα χρησιμεύσουν ως καμουφλάζ. Ποιος ήταν ο σκοπός του χρώματος για τα πρώτα ζωηρά ζώα;
Πολλοί δεινόσαυροι που βλέπουμε έχουν αντιστάσεις, που είναι όταν η πλάτη και οι πλευρές είναι πιο σκούρες στο χρώμα και η κοιλιά είναι πιο ανοιχτόχρωμο. Αυτή είναι μια στρατηγική που χρησιμοποιείται από πολλά σύγχρονα ζώα για να βοηθήσει να σπάσει το περίγραμμα του σώματος σε έντονα ελαφρά περιβάλλοντα [και να προσφέρει καμουφλάζ].
Σε έναν φτερωτό δεινόσαυρο που μελετήσαμε, η ουρά έχει πολύ εντυπωσιακή ταινία πάνω του. Αυτός ο τύπος ζωνών είναι πολύ συνηθισμένος στα ζώα σήμερα, και όταν εμφανίζεται σε άλλες περιοχές του σώματος, χρησιμοποιείται συνήθως για καμουφλάζ. Αλλά σε αυτό το συγκεκριμένο δεινόσαυρο, εντοπίζεται στην ουρά. Έτσι, η υψηλή αντίθεση χρώματος στην ουρά στα σύγχρονα ζώα χρησιμοποιείται συχνά σε σεξουαλική σηματοδότηση, επομένως για ζευγαρωτικές οθόνες.
Το απολιθωμένο φίδι που μελετήσαμε σχεδόν χρησιμοποιούσε χρώμα για καμουφλάζ. Είχε εντυπωσιακές κηλίδες κατά μήκος του μήκους και αυτές οι κηλίδες πιθανότατα χρησίμευαν και πάλι ως αποδιοργανωτική καμουφλάζ, για να σπάσουν το περίγραμμα του σώματος σε έντονο φως.
Μια ζωντανή μπλε πεταλούδα πεταλούδων Morpho, η οποία διαθέτει δομές 3D φωτονικών κρυστάλλων για να παράγει την έντονη απόχρωση της. (Marka / UIG / Getty Images) Ο απολιθωμένος σκώρος και μερικά απολιθωμένα έντομα που μελετήσαμε με δομικά χρώματα - έχουμε την αίσθηση ότι τα χρώματα τους εξυπηρετούσαν μια διπλή λειτουργία επειδή είχαν ένα πολύ εντυπωσιακό πράσινο χρώμα. Ένα τέτοιο χρώμα είναι κρυμμένο όταν το έντομο κρύβεται στη βλάστηση, αλλά όταν αυτές οι πεταλούδες θα έτρωγαν στα φυτά του ξενιστή, θα υπήρχε έντονη έγχρωμη αντίθεση με τα πέταλα του λουλουδιού. Πολλά έντομα το χρησιμοποιούν ως προειδοποιητικό σήμα για να διαφημίσουν ότι πλησιάζει ένας αρπακτικός.
Ποια είναι τα νέα εργαλεία που πρέπει να μελετήσουμε για τους μαλακούς ιστούς και τι μπορούμε να μάθουμε ότι μέχρι τώρα δεν μπορούσαμε να μάθουμε από τα απολιθώματα;
Πριν από δέκα χρόνια, όλη η αντίληψη ότι τα απολιθώματα μπορούσαν να διατηρήσουν το χρώμα ήταν δύσκολα στο ραντάρ - υπήρξε μόνο μία μελέτη έξω. Πριν από δώδεκα χρόνια, κανείς δεν θα ήξερε καν ότι αυτό ήταν δυνατό.
Υπάρχουν αρκετές τεχνικές φασματομετρίας μάζας που εξετάζουν τα μοριακά θραύσματα στην επιφάνεια του υλικού σας, αλλά όχι όλα τα θραύσματα είναι διαγνωστικά. Υπάρχουν χημικές τεχνικές που παράγουν μοναδικά θραύσματα των μορίων της μελανίνης, ώστε να μην μπορείτε να τα συγχέουμε με τίποτα άλλο. Οι άνθρωποι εξετάζουν επίσης την ανόργανη χημεία των απολιθωμάτων και προσπαθούν να ανακτήσουν τα αποδεικτικά στοιχεία του χρώματος.
Επομένως, είναι πραγματικά σημαντικό να εξετάσουμε την ταχονομία, τη χημεία των ιστών και την απόδειξη του χρώματος και ένας πολύ ωραίος τρόπος να διώξουμε τη βιολογία από τις συνέπειες της απολίπανσης είναι να κάνουμε πειράματα.
Το συμπόσιο "Οι μεγαλύτερες επιτυχίες της ζωής: Βασικά γεγονότα στην εξέλιξη" στις 29 Μαρτίου 2019 πραγματοποιείται από τις 10 π.μ. έως τις 4:30 μ.μ. στο Εθνικό Μουσείο Φυσικής Ιστορίας και περιλαμβάνει 10 διεθνώς αναγνωρισμένους εξελικτικούς βιολόγους και παλαιοντολόγους. Το εισιτήριο διατίθεται εδώ.
