Kouluttamattomalle silmälle suurin osa fossiileista ei näytä räjähtävän värillä. Ensimmäinen fossiilisten värien tieteellinen analyysi julkaistiin vasta kymmenen vuotta sitten, ja viime aikoihin asti esihistoriallisen maailman värivalikoiman määrittäminen vaikutti ylitsepääsemättömältä tehtävältä.
Irlannin University College Corkin paleontologi Maria McNamara yrittää koota fossiilisia todisteita maalatakseen värikkään kuvan menneisyydestä. Kun ihmiset ajattelevat paleontologiaa, he ajattelevat usein kovia hampaita ja luita, mutta eläinten pehmeämmät osat, kuten iho, lihaskudos ja sisäelimet, voidaan myös säilyttää fossiilisten aineiden rekisterissä. Se on tietenkin paljon harvinaisempaa, koska tyylikäs tavara yleensä rota pois, mutta pehmytkudokset ovat juuri sellaisia yksilöitä, joita McNamara etsii. Hän tutkii hyönteisten ja selkärankaisten kudoksia kuvitellakseen, miltä nämä kriittiset näyttivät ja miten ne olivat vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa - millaiset petoeläimet olivat heillä, missä he asuivat, mitkä heidän parittelutapansa ovat saattaneet olla ja paljon muuta.
McNamara keskustelee töistään fossiilien värijäännösten löytämiseksi Smithsonianin kansallisen luonnonhistorian museon "Elämän suurimmat osumat: evoluution tärkeimmät tapahtumat" -symposiumissa perjantaina 29. maaliskuuta Washington DC: ssä. Ennen puhettaan Smithsonian.com puhui McNamaralle oppiakseen lisää muinaisen maailman väreistä.
Mikä on väri tieteellisesti ja miten sitä mitataan?
Väri on yksinkertaisesti näkyvä valo. Mitä tahansa, joka hajottaa energiaa 400–700 nanometrin aallonpituuksien välillä, se on mitä tutkijat kutsuvat näkyväksi valoksi. Ihmisen silmä on koulutettu havaitsemaan hienoiset energian erot tuossa ikkunassa. Muut eläimet näkevät värin sen ikkunan ulkopuolella. Esimerkiksi lintuilla on herkkyys ultraviolettivalolle, joten ne voivat havaita lyhyemmät energian aallonpituudet. Monet hyönteiset voivat myös nähdä ultraviolettivaloa ja mahdollisesti infrapunassa, jonka aallonpituudet ovat pidemmät. Se, mitä väriksi kutsut, riippuu todella siitä, millainen eläin olet.
Yksinkertaisimmin sanottuna, väri on eräänlainen energiamuoto, jonka voimme havaita, ja erilaiset aallonpituudet luovat erilaisia värejä.
Millä tavoin väri kehittyy luonnossa?
Väri voidaan tuottaa kahdella eri tavalla. Monet nykyajan organismit, mukaan lukien eläimet, tuottavat väriä pigmenteillä. Pigmentit ovat kemikaaleja, jotka absorboivat selektiivisesti tiettyjen aallonpituuksien valoa. Esimerkiksi kasvien lehdet näyttävät vihreältä, koska lehtien sisällä olevat klorofyllimolekyylit absorboivat kaikki spektrin punaisen ja sinisen osan aallonpituudet, ja heijastavat vihreitä ja keltaisia, joita voimme nähdä.
Hyönteiset ovat hallitseva eläinmuoto maapallolla. Yli miljoona kuvaa lajia ja mahdollisesti jopa 15 kertaa enemmän tuntemattomia. Hyönteisten joukosta kovakuoriaiset ovat osoittautuneet yhdeksi menestyneimmistä ja värikkäimmistä ryhmistä, jotka edustavat 40 prosenttia kaikista hyönteislajeista ja 30 prosenttia kaikista eläinlajeista. (Chip Clarkin / Smithsonian instituutio) Kasvien yleisin pigmentti on klorofylli, mutta eläimissä jotkut yleisimmistä pigmenteistä ovat melaniineja. Ne tuottavat hiustemme värin. Ne tuottavat esimerkiksi sienten ruskeat värit ja lintujen höyhenten tumman sävyiset värit.
Meillä on myös yleisiä pigmenttejä, nimeltään karotenoideja, ja niitä tuottavat yksinomaan kasvit. Mutta monet eläimet nauttivat ruokavaliossaan karotenoideja ja he käyttävät niitä kudosten värjämiseen. Joten esimerkiksi kardinaalin punainen väri, joka on yleinen Yhdysvaltojen itärannikolla, tuotetaan karotenoideilla, joita linnut käyttävät hedelmä- ja marjaruokavaliossaan. Flamingosten vaaleanpunaiset höyhenet ovat peräisin karotenoideista levässä, jota pienet katkaravut syövät, mikä on lintujen suosikki ateria.
Mutta oikeastaan on tämä aivan erilainen tapa tuottaa väriä, ja sitä kutsutaan rakenneväreksi. Rakenneväri ei käytä pigmenttejä ollenkaan, vaan käyttää sen sijaan erittäin koristeellisia kudosrakenteita nanomittakaavassa. Periaatteessa joidenkin eläinten kudokset taittuvat erittäin monimutkaisiksi rakenteiksi nanometrin tasolla - tai toisin sanoen, samalla mittakaavalla kuin valon aallonpituus. Nämä rakenteet vaikuttavat valon kulkemiseen biologisten kudosten läpi, joten ne voivat olennaisesti suodattaa tiettyjä aallonpituuksia ja tuottaa todella vahvoja värejä. Ja itse asiassa rakennevärit ovat kirkkaimpia ja voimakkaimpia värejä, joita saamme luonnossa.
Mitä erityyppisiä värejä tai väriä tuottavia rakenteita etsit, kun tutkit näitä fossiileja?
Kun aloin tutkimaan väriä, työskentelin fossiilisten hyönteisten rakennevärin kanssa. Aloin tutkia näitä metallisia hyönteisiä. He näyttivät kirkkaan sinisen, punaisen, vihreän ja keltaisen, mutta kukaan ei ollut koskaan oikeasti tutkinut, mikä tuottaa näitä värejä - oli vain yksi tutkimus yhdestä kovakuoriaiskappaleesta.
Joten tutkin noin 600 näistä hyönteisistä monista eri fossiilisista paikoista, ja saimme yhdessä joidenkin yhteistyökumppaneiden kanssa luvan ottaa näytteitä pienistä fossiileista. Kun teimme tämän, riippumatta siitä, mitä lajeja tarkastelimme, kaikki nämä värillisten hyönteisten rakenteet tuottivat monikerroksisen heijastimen kutsuman rakenteen. Mikroskooppisesti se näyttää periaatteessa voileipältä, jossa on paljon todella ohuita kerroksia, ehkä vain 100 nanometriä paksu. Monilla nykyaikaisilla hyönteisillä on nämä ulkokuoressaan. Mitä enemmän kerroksia on, sitä kirkkaampi väri on hajallaan.
Valokuvia kolmesta skaraabien kovakuoriaisen taksosta, joita käytettiin tafononomiatutkimuksissa replikoimaan fossiilisoitumisprosessia laboratoriossa. Prosessin aikana kovakuoriaisten värit muuttuivat. (G. Odin, M. McNamara et ai. / The Royal Society Interface -lehti 1742-5662) Olimme kiinnostuneita selvittämään, miksi emme löytäneet muita rakenteita, kuten kolmiulotteisia fotonisia kiteitä, jotka ovat pieniä, monimutkaisia, kerrosrakenteita, jotka häiritsevät fotoneiksi kutsuttuja valohiukkasia. Rakenteet voidaan kiertää vinoneliörakenteeksi, kuutiomaiseksi rakenteeksi, kuusikulmaiseksi rakenteeksi ja vielä monimutkaisemmiksi rakenteiksi. Monet nykyajan hyönteiset ja perhoset näyttävät tämän. Esimerkiksi moderni Morpho-perhonen on tämä upea sininen trooppinen perhonen vaaka, joka sisältää 3D-fotonisia kiteitä. Joten ihmetelimme: "miksi emme koskaan löytäneet näitä fossiilitiedotteesta?"
Miksi luulet näkeväsi fossiileissa vain monikerroksisia heijastinrakenteita, kun taas nykyaikaisissa hyönteisissä on muita väriä tuottavia rakenteita?
Teimme jonkin verran kokeellista fossiilisuutta, jota kutsutaan taphonomyksi. Toistimme fossiilimisprosessin näkökohdat sallimalla sekä monikerroksisten heijastimien että 3D-fotonisten kiteiden hajoavan laboratoriossa. Molemmat heistä selvisivät kokeilusta, joka kertoi meille, että näillä 3D-fotoniikiteillä oli sama fossiilipotentiaali kuin monikerroksisilla heijastimilla - joten niiden on oltava fossiilitiedoissa jossain.
Aloimme etsiä muutama vuosi sitten, ja ilmoitimme ensimmäisestä 3D-fotonisten kiteiden tapauksesta fossiilisissa hyönteisissä. Esimerkki siitä, missä löysimme heidät kentältä, on hyvin pieni, joten monissa tapauksissa ne saatetaan vain unohtaa.
Voiko väri muuttua fossiilimisprosessissa?
Kysymykseni on, onko säilynyt väri todellinen väri. Tutkimme alun perin rakenteen kemiaa olettamalla, että se on sama kuin nykyaikaiset hyönteiset - tai toisin sanoen oletimme, että se taivuttaa valoa samalla tavalla. Mutta kun syötimme nämä arvot tietokonemalleihimme, ne eivät toimineet. Mallit kertoivat meille, että fossiiliemme värit olivat tosiasiallisesti muuttuneet fossiilisoitumisen aikana.
Kokeillamme pystyimme selvittämään, että muutos johtui ylipaineesta ja mikä tärkeintä, tasaisesta lämpötilasta. Lämpötila, havaitsimme, todella ohjaa näiden rakennevärejen värinmuutosta, koska fysikaalinen rakenne kutistuu.
Mitkä lajit jättävät parhaiden todisteiden jälkeen sukupuuttoon kuolleiden kasvien ja eläinten väriä tutkittaessa?
Kyse ei ole tietyistä lajeista, vaan tapauksesta, jolla asiat säilytetään oikealla tavalla.
Suurin osa tähän mennessä tehdyistä tutkimuksista on tehty höyhenillä, joko lintujen höyhenillä tai dinosauruksilla, ja ne kaikki on säilytetty hiilihappomurskeina: fossiilit, jotka muodostuivat settekiviin valtavan paineen alla. Tämä on ongelmallista, koska et säilytä höyhen niitä osia, jotka ovat vastuussa muista kuin melaniiniväristä.
Nykyisissä linnuissa melaniini on melkein kaikkialla esiintyvää, ja melaniinin vaikutuksia muuttaa muiden pigmenttien läsnäolo. Joten jos otat uudelleen kardinalin punaiset höyhenet, ne näyttävät punaisilta, mutta sisältävät karotenoideja ja myös melanosomeja. Jos tuon linnun höyhen läpi fossiilisoituu, karotenoidit hajoavat ja kaikki, mitä sinä jäät, ovat melanosomeja, [ja et tiedä, että kardinaali oli punainen].
On olemassa todellinen vaara, että monet fossiilisten lintujen ja höyhenten dinosaurusten rekonstruoinnista, joita olemme tarkastelleet, eivät välttämättä edusta edustavia organismien värejä, kuten voimme ajatella. Jos löydät todisteita melaniinista fossiileissa, se saattaa olla osoitus kuvioinnista, mutta ei todellisesta värisävystä. Joten väitämme sitten, että nämä hiilihapolliset fossiilit eivät todennäköisesti ole ihanteellisia fossiilivärin tutkimuksille.
Vaikka tutkijat eivät vielä tiedä, mitä väridinosaurukset olivat, he voivat tutkia höyhenien ja turkisten fossiilisia todisteita, kuten tällä pterosauruksella, saadakseen kuvan varjostumisesta. (Z. Yang, B. Jiang, M. McNamara, et ai. / Nature Ecology & Evolution 3, 24–30 (2019)) Millaiset fossiilit säilyttävät värin parhaiten?
Mielestämme meidän pitäisi etsiä fossiileja, jotka ovat säilyneet mineraalikalsiumfosfaatissa. Näin oli käärme, jota tutkimme vuonna 2016. Käärmeen värit säilyvät; käärmeen koko iho säilyy kalsiumfosfaatissa. Kalsiumfosfaatin kauneus on, että se säilyttää kaiken. Ihon koko pigmentti säilyy, mukaan lukien kolmen tyyppiset pigmentit, jotka tuottavat väriä nykyaikaisissa matelijoissa. Se säilyttää rakennevärin: punaisen ja keltaisen sekä tumman värin.
Sellaiset fossiilit, joissa olet lukinnut kaiken kalsiumfosfaattiin, ne ovat itse asiassa paljon parempi kohde fossiilin värin tutkimuksille kuin hiilihappopuristus.
Mitä väriä dinosaurukset olivat?
Meillä on erilaisia höyhenpeiteisiä dinosauruksia, joille melaniini on näissä värikuvioissa, ja nykyaikaisissa linnuissa melaniinin väri muuttuu muilla pigmenteillä. Näitä muita pigmenttejä ei säilytetä fossiileina, joten emme voi olla varmoja toistaiseksi.
Jos löysimme dinosaurus-ihon, joka oli todella hyvin säilynyt, meillä olisi hyvät mahdollisuudet palauttaa väri yksityiskohtaisemmin. Ongelmana on, että suurin osa dinosaurus iho säilyy vaikutelmana. On olemassa useita esimerkkejä, joissa todella pidät ohuen orgaanisen tai mineralisoidun kalvon, mutta vaikka muutamaa niistä on tutkittu, yksikään niistä ei ole tosiasiallisesti antanut yksityiskohtia pigmenteistä.
Nykyään kirkkaat värit nähdään usein saalistajien myrkyllisinä varoituksina tai ylenmääräisenä näyttelijänä houkutella toveria, tai muina hienovaraisempina väreinä naamiointiin. Mihin tarkoitukseen väri palveli ensimmäisiä värikkäitä eläimiä?
Monilla dinosauruksilla, joita näemme, on varjostus, eli selkä ja sivut ovat tummempia ja vatsa on vaaleampaa. Tämä on strategia, jota monet nykyajan eläimet käyttävät kehon ääriviivojen hajottamiseen voimakkaassa ympäristössä [ja naamioimiseksi].
Tutkimassamme höyhenteisessä dinosauruksessa häntässä on erittäin silmiinpistävä vyöhyke. Tämäntyyppinen nauhoitus on nykyään hyvin yleistä eläimissä, ja kun sitä esiintyy muilla kehon alueilla, sitä käytetään tyypillisesti naamiointiin. Mutta tässä spesifisessä dinosauruksessa se on lokalisoitunut häntään. Niin, että korkeaa värikontrastia häntässä nykyajan eläimissä käytetään usein seksuaaliseen signalointiin, siis paritukseen.
Tutkittu fossiilinen käärme käytti melkein varmasti väriä naamiointiin. Sillä oli melko silmiinpistävää laikkua koko pituudeltaan, ja nämä tahrat toimivat todennäköisesti jälleen hajottavana naamiointina hajottamaan vartalon ääriviivat voimakkaassa valossa.
Elävä sininen Morpho peleides perhonen, jolla on 3D-fotoniset kiderakenteet kirkkaan sävyn tuottamiseksi. (Marka / UIG / Getty Images) Fossiilinen koi ja jotkut fossiiliset hyönteiset, joita tutkimme rakenneväreillä - saimme käsityksen, että niiden väreillä oli kaksitoiminto, koska niillä oli erittäin silmiinpistävä vihreä väri. Tällainen väri on salaperäinen, kun hyönteinen piiloutuu kasvillisuuteen, mutta kun nämä perhoset olisivat ruokkineet isäntäkasveja, värien kontrasti olisi ollut terävä kukan terälehden kanssa. Monet hyönteiset käyttävät tätä varoitussignaalina mainostaakseen saalistajan olevan lähellä.
Mitä uusia työkaluja meillä on pehmytkudosten tutkimiseksi, ja mitä voimme oppia, että emme ole pystyneet oppimaan fossiileista tähän päivään asti?
Kymmenen vuotta sitten koko käsitys fossiilien säilyttämisestä värin oli tuskin tutkalla - tutkimusta oli vain yksi. Kaksitoista vuotta sitten kukaan ei edes tiennyt, että tämä oli mahdollista.
On olemassa useita massaspektrometriatekniikoita, jotka tarkastelevat materiaalisi pinnalla olevia molekyylie fragmentteja, mutta kaikki fragmentit eivät ole diagnostisia. On kemiallisia tekniikoita, jotka tuottavat ainutlaatuisia sirpaleita melaniinimolekyyleistä, joten et voi sekoittaa niitä mihinkään muuhun. Ihmiset tarkastelevat myös fossiilien epäorgaanista kemiaa ja yrittävät saada takaisin värejä tukevat todisteet.
Joten on todella tärkeää harkita taphonomiaa, kudoskemiaa ja väriä koskevia todisteita, ja yksi todella hieno tapa kiusata biologiaa fossiilisuuden vaikutuksista on tehdä kokeita.
Symposium “Elämän parhaimmat osumat: evoluution avatapahtumat” 29. maaliskuuta 2019 pidetään klo 10–16.30 Kansallisessa luonnonhistoriallisessa museossa, ja siinä on 10 kansainvälisesti arvostettua evoluutiobiologia ja paleontologia. Lippu on saatavana täältä.
