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生物颜色的科普:科学家如何确定史前动物的颜色?

时间:2019-11-25 来源:果妈的小确幸
生物颜色的科普:科学家如何确定史前动物的颜色?

在未经训练的大部分人看来,化石不是褐色就是土黄色,似乎是没有鲜艳的颜色。

十年前,科学家们首次发表了对化石颜色的研究,至今,科学家们仍然一直在研究史前动物的颜色。这个课题似乎还是一项不可逾越的任务,直到最近才慢慢揭开史前动物颜色的神奇面纱。

玛丽亚·麦克纳马拉(Maria McNamara),爱尔兰科克大学的古生物学家,正试图将化石证据拼凑起来,描绘出一幅多彩的史前颜色图景。

生物颜色的科普:科学家如何确定史前动物的颜色?

化石

当我们想到古生物学的时候,通常会想到坚硬的牙齿和骨头,但是动物较软的部分,比如皮肤、肌肉组织和内脏,也可以在化石记录中保存下来。

当然,这要难得多,因为粘糊糊的东西通常会腐烂,麦克纳马拉正在寻找这种软组织化石标本。她研究昆虫和脊椎动物的组织,以此为根据来描绘这些动物的外貌,它们如何与环境互动,包括它们的捕食者是什么,它们生活在哪里,它们的交配习是什么等等。

生物颜色的科普:科学家如何确定史前动物的颜色?

从科学的角度来说,什么是颜色?如何测量颜色?

颜色就是可见光。可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分,可见光谱没有精确的范围;一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400~760nm之间,但还有一些人能够感知到波长大约在380~780nm之间的电磁波。

人类的眼睛只有在可见光范围内感知能量,而其他动物可以感知我们看不到的电磁波。例如,鸟类对紫外线很敏感,所以它们能感知较短波长的能量。许多昆虫也可以看到紫外光,甚至可感受到波长更长且人类无法看到的红外线。

简单地说,颜色是我们感知的能量的一种形式,不同的波长的能量产生不同的颜色。

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颜色在自然界中是怎样发展的?

许多现代生物,包括动物,都使用色素来产生颜色。色素是选择性吸收特定波长光的化学物质。例如,植物的叶子看起来是绿色的,因为叶绿素分子吸收光谱中红色和蓝色部分的所有波长的光,反射出我们能看到的绿色和黄色。

在植物中最常见的色素是叶绿素,但在动物中,一些最常见的色素是黑色素。它们决定了我们头发的颜色,也造就了真菌的棕色和鸟类羽毛的深色。

还有一种常见色素叫做类胡萝卜素,是植物独有的。许多动物在饮食中摄取类胡萝卜素,并用它们来给身体组织着色。在美国东海岸很常见的红雀,以红色的水果和浆果为食,它们羽毛的红色就是由类胡萝卜素产生的。

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火烈鸟

火烈鸟羽毛呈现粉红色,是来自它们最喜欢的食物——小虾,而小虾喜欢吃的藻类中含有类胡萝卜素。

另一种完全不同的颜色产生方式,就是结构色。结构色是在纳米尺度上使用非常华丽的组织结构使光发生反射或散射作用,从而产生特殊的颜色。

一些动物的组织会在纳米级折叠成高度复杂的结构,这些结构会影响光穿过生物组织的方式,可以过滤掉某些波长,产生非常强烈的颜色。结构色是自然界中最亮最强烈的颜色产生方式。

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美丽的昆虫颜色

不同结构会产生不同的颜色

在得到政府允许的情况下,科学家们采集了很多昆虫化石,并对来自不同化石产地的600多种昆虫化石进行研究,发现金属昆虫的颜色多呈现出明亮的蓝色、红色、绿色和黄色。

科学家们发现,这些颜色都是由一种叫做多层反射结构产生。显微镜下,它看起来像三明治,很多很薄的结构层层叠加,这些层结构可能只有100纳米厚。正是因为如此,许多现代昆虫的外壳颜色非常艳丽,而且层数越多,散射的颜色就越亮

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三维光子晶体,这是一种微小、复杂、分层的结构,会干扰光粒子。其结构可能被扭曲成金刚石结构、立方结构、六角形结构,甚至更复杂的结构。

许多现代昆虫和蝴蝶的颜色在很大程度上与光子晶体有关。现代闪蝶是一种神奇的蓝色热带蝴蝶,它的鳞片中含有三维光子晶体,可光子晶体从来没有在化石记录中出现。

为什么我们从来没有在化石记录中发现光子晶体?

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光子晶体

通过允许多层反射器和三维光子晶体在实验室中降解,科学家复制了石化过程的各个方面。这两种结构都在实验中幸存下来,这告诉我们,这些三维光子晶体具有与多层反射结构相同的石化潜能,所以它们一定在化石记录的某处,只是我们没有发现。

几年前昆虫化石中发现了第一例三维光子晶体,在这个领域中确实发现的概率很小,所以在许多情况下它们被被忽略了。

在石化过程中颜色会改变吗?

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化石保存下来的颜色是否是其真正的颜色,这一直是科学家最大的疑惑。

科学家做了一系列的实验验证,证实颜色会发生改变。改变颜色的主要因素是压力和温度,特别是温度,温度的改变会让物理结构收缩,然后推动这些结构颜色的变化。

什么类型的化石保存颜色最好?

化石中有时候只保留了黑色素,但是很多其他颜色有可能已经被降解,因此科学家认为这些碳酸类化石可能不适合用来研究化石的颜色。

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2016年,科学家发现了一块蛇的化石,整个皮肤都保存在磷酸钙中,皮肤的色素都被保存下来,保留了其结构色:红色、黄色和深色,就是现代爬行动物身上的三种色素。

可见,磷酸钙化石比碳酸类化石更好得保存了动物原先的颜色,是研究化石最好的类型。

颜色对于最早的动物有什么作用?

我们看到的很多恐龙都有“反荫蔽”效果,也就是背部和两侧颜色较深,腹部颜色较浅。这是许多现代动物使用的一种策略,在强光环境下隐藏身体轮廓,能够伪装自己。

生物颜色的科普:科学家如何确定史前动物的颜色?

科学家研究了一种有羽毛的恐龙,其尾巴上有非常引人注目的条纹。这种条纹在现在的动物身上很常见,条纹发生在身体的其他部位时,通常用于伪装。但在这只恐龙身上,也许和现代动物尾巴的颜色一样,尾巴颜色是一种性信号,用于交配展示。

对于以前的蛇来说,颜色是用来来伪装的。它的身体上有一些非常显眼的斑点,这些斑点很可能就是为了伪装,能在强光下破坏了身体的轮廓。

科学家也研究了飞蛾化石和一些昆虫化石,它们有非常引人注目的绿色,它们的颜色具有双重功能。当昆虫躲藏在植被中时,这种颜色可以很好的隐蔽自己;当昆虫发现捕食者在附近时,就会用这种颜色来作为警示同类。

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有羽毛的恐龙

那么恐龙是什么颜色的呢?

各种各样的有羽毛的恐龙中,目前遗留下来的化石普遍呈现黑色素,其他颜色的色素并没有作为化石保存下来,大多数恐龙的皮肤都是作为印痕保存下来的。很多化石,实际上只保留了一层薄薄的有机膜,没有展现颜色,所以目前我们还不能确定恐龙的颜色。

时至今日,对于史前动物的颜色,科学的研究脚步从未停止过!