Treenimata silmale tundub, et enamik fossiile pole värvi lõhkev. Esimene fossiilsete värvide teaduslik analüüs avaldati alles kümmekond aastat tagasi ja kuni viimase ajani tundus eelajaloolise maailma värvipaleti määramine ületamatu ülesanne.
Iirimaa University College Corki paleontoloog Maria McNamara üritab fossiilseid tõendeid kokku panna, et maalida värvikas pilt minevikust. Kui inimesed mõtlevad paleontoloogiale, mõtlevad nad sageli kõvade hammaste ja luude peale, kuid ka fossiilide registris saab säilitada loomade pehmemaid osi, nagu nahk, lihaskude ja siseorganid. See on muidugi palju haruldasem, sest räpane kraam mädaneb tavaliselt ära, kuid pehmed koed on täpselt sellised isendid, mida McNamara otsib. Ta uurib putukate ja selgroogsete kudesid, et näha, millised need kriitikud välja nägid ja kuidas nad keskkonnaga suhtlesid - millised olid nende kiskjad, kus nad elasid, millised võisid olla nende paaritumisharjumused ja palju muud.
McNamara arutab oma tööd fossiilide värvijäänuste leidmiseks Smithsoniani loodusmuuseumi sümpoosionil "Elu suurimad hitid: evolutsiooni võtmesündmused" Smithsoniani rahvusmuuseumis reedel, 29. märtsil Washingtonis. Oma jutuajamise eel rääkis Smithsonian.com McNamaraga, et õppida rohkem tundma muinasmaailma värve.
Mis on värv ja kuidas seda mõõdetakse teaduslikult?
Värv on lihtsalt nähtav valgus. Mida kõike, mis hajutab energiat 400–700 nanomeetri lainepikkuste vahel, nimetavad teadlased nähtavaks valguseks. Inimsilm on koolitatud tajuma selles aknas peeneid energia erinevusi. Teised loomad näevad selle akna tagant värvi. Näiteks on lindudel tundlikkus ultraviolettvalguse suhtes, nii et nad suudavad tajuda lühemat energia lainepikkust. Paljud putukad näevad ultraviolettvalgust ka potentsiaalselt infrapunas, mille lainepikkus on pikem. See, mida te värviks nimetate, sõltub tegelikult sellest, milline loom olete.
Kõige lihtsamalt öeldes on värv energia vorm, mida me võime tajuda, ja erinevad lainepikkused loovad erinevaid värve.
Kuidas looduses värv areneb?
Värvi saab toota kahel erineval viisil. Paljud kaasaegsed organismid, sealhulgas loomad, annavad värvi pigmentide abil. Pigmendid on kemikaalid, mis neelavad valikuliselt konkreetse lainepikkusega valgust. Näiteks näevad taime lehed rohelised, kuna lehtede sees olevad klorofülli molekulid neelavad spektri kõiki punase ja sinise osa lainepikkusi ning need peegeldavad rohelisi ja kollaseid, mida me võime näha.
Putukad on Maa elus domineeriv vorm, kus on enam kui miljon kirjeldatud liiki ja võimalik, et tundmatuid on koguni 15 korda rohkem. Putukate seas on mardikad osutunud üheks edukamaks ja värvikamaks rühmaks, moodustades 40 protsenti kõigist putukate liikidest ja 30 protsenti kõigist loomaliikidest. (Chip Clarki / Smithsoni institutsioon) Taimede kõige levinum pigment on klorofüll, kuid loomadel on mõned kõige tavalisemad pigmendid melaniinid. Nad annavad meie juuste värvi. Nad tekitavad näiteks seentes pruuni värvi ja linnu sulgede tumedat värvi värve.
Meil on ka tavalisi pigmente, mida nimetatakse karotenoidideks ja neid toodavad eranditult taimed. Kuid paljud loomad söövad oma dieedis karotenoide ja nad kasutavad neid kudede värvimiseks. Nii tekitavad näiteks Ameerika Ühendriikide idarannikul levinud kardinali punast värvi karotenoidid, mida linnud tarbivad puuviljade ja marjade söömisel. Flamingode roosad suled on saadud vetikates sisalduvatest karotenoididest, mida pisikesed krevetid söövad, mis on lindude lemmiktoit.
Kuid tegelikult on see värvitootmise viis täiesti erinev ja seda nimetatakse struktuurvärviks. Struktuurvärv ei kasuta üldse pigmente ja selle asemel kasutatakse nanoskaalas väga kaunist koestruktuuri. Põhimõtteliselt voldib mõne looma kude nanomeetri tasemel või teisisõnu valguse lainepikkusega samal skaalal väga keerulisi struktuure. Need struktuurid mõjutavad valguse liikumist läbi bioloogiliste kudede, seega suudavad nad teatud lainepikkusi põhimõtteliselt välja filtreerida ja tekitada tõeliselt tugevaid värve. Ja tegelikult on struktuurvärvid kõige eredamad ja intensiivsemad värvid, mida looduses saame.
Milliseid erinevaid värvitüüpe või erinevaid struktuure, mis annavad värvi, mida te nende fossiilide uurimisel otsite?
Kui hakkasin värvi õppima, tegelesin fossiilsete putukate struktuurvärviga. Ma hakkasin neid metallilisi putukaid vaatama. Nad näitasid eredaid siniseid, punaseid, rohelisi ja kollaseid, kuid keegi polnud kunagi uurinud, mis neid värve tekitab - ühe mardikatüki fragmendi kohta oli vaid üks uurimus.
Nii et ma uurisin umbes 600 neist putukatest paljudest erinevatest fossiilsetest paikadest ja koos mõne kaastöötajaga saime loa pisikestest fossiilidest proove võtta. Kui me seda tegime, sõltumata sellest, milliseid liike me vaatasime, tekitasid kõik need värvilistes putukates olevad struktuurid mitmekihilise reflektorina kutsutud struktuuri. Mikroskoopiliselt näeb see põhimõtteliselt välja nagu võileib, kus on palju tõeliselt õhukesi, võib-olla vaid 100 nanomeetri paksuseid kihte. Paljudel tänapäevastel putukatel on need väliskesta sees. Mida rohkem kihte on, seda heledam on hajutatud värv.
Fotodest kolmest skarabeuse mardika taksonist, mida kasutati tafonoomia uuringutes laboris kivistumise protsessi korramiseks. Protsessi käigus muutusid mardikate värvid. (G. Odin, M. McNamara jt / The Royal Society Interface ajakiri 1742-5662) Meid huvitas teada saada, miks me ei leidnud teisi struktuure, näiteks kolmemõõtmelisi footonkristalle, mis on pisikesed keerulised kihilised struktuurid, mis segavad footoniteks kutsutavaid valguse osakesi. Konstruktsioonid võivad olla keerutatud teemant-, kuup-, kuusnurkseks ja veelgi keerukamaks struktuuriks. Paljud tänapäevased putukad ja liblikad näitavad seda. Näiteks moodne Morpho liblikas on see vapustav sinine troopiline liblikas, mille kaalud sisaldavad 3D-footonkristalle. Niisiis mõtlesime: “miks me neid fossiilide registrist kunagi ei leidnud?”
Miks arvasite, et nägite fossiilides ainult mitmekihilisi helkurstruktuure, samal ajal kui tänapäevastes putukates eksisteerivad muud värvi tootvad struktuurid?
Tegime katselise kivistumise, mida nimetatakse tafonoomiaks. Kordasime kivistumisprotsessi aspekte, lastes laboratooriumil laguneda nii mitmekihilistel helkuritel kui ka 3D-fotonilistel kristallidel. Mõlemad elasid eksperimendi käigus üle, mis ütles meile, et neil 3D-footonkristallidel on samasugused kivistumisvõimalused kui mitmekihiliste reflektoritega - seega peavad nad kuskil fossiilide registris olema.
Alustasime otsimist paar aastat tagasi ja teatasime esimesest 3D-fotooniliste kristallide juhtumist fossiilsetes putukates. Näide, kus me nad põllult leidsime, on väga väike, nii et paljudel juhtudel võidakse need lihtsalt kahe silma vahele jätta.
Kas kivistumisprotsessis võib värv muutuda?
Küsimus, millega kokku puutume, on see, kas säilinud värv on tegelik värv. Uurisime algselt struktuuri keemiat, eeldades, et see on sama mis tänapäevased putukad - või teisisõnu, eeldasime, et see painutab sama valgust. Kuid kui need väärtused oma arvutimudelitesse sisestasime, siis need ei töötanud. Mudelid rääkisid meile, et fossiilide käigus olid meie fossiilide värvid tegelikult muutunud.
Oma katsetega saime teada, et muutus oli tingitud ülerõhust ja mis veelgi olulisem - püsivast temperatuurist. Leitud temperatuur juhib tõepoolest nende struktuurvärvide värvimuutust, kuna füüsikaline struktuur kahaneb.
Millised liigid jätavad väljasurnud taimede ja loomade värvi uurimisel parimate tõendite taha?
See ei ole konkreetsete liikide juhtum, vaid asjade õigel viisil säilitamise juhtum.
Enamik seni tehtud uuringuid on tehtud sulgede, kas lindude või dinosauruste sulgede kohta, ja neid kõiki on säilitatud karboniseerimiskompressioonidena: settekivimites tohutu surve all moodustunud fossiilid. See on problemaatiline, kuna te ei säilita sulgi osi, mis vastutavad mittemelaniini värvide eest.
Ülejäänud lindudel on melaniin peaaegu kõikjal ja melaniini toimet muudab muude pigmentide olemasolu. Nii et kui võtta uuesti kardinali punased suled, näevad nad välja punased, kuid seestpoolt sisaldavad karotenoide ja ka melanosoome. Kui see linnusulg fossiiliseerub, lagunevad karotenoidid ja kõik, mis te alles jätate, on melanosoomid, ja te ei tea, et kardinal oli punane.
Seal on väga reaalne oht, et paljud fossiilsete lindude ja suleliste dinosauruste rekonstrueerimised ei pruugi esindada organismide värve, nagu arvame. Kui leiate fossiilides melaniini kohta tõendeid, võib see viidata mustrile, kuid mitte tegelikule toonile. Nii me siis väidame, et need gaseerunud fossiilid pole tõenäoliselt sobivad fossiilide värvuse uurimiseks.
Ehkki teadlased ei tea veel, mis värvi dinosaurused olid, saavad nad varjutamise idee saamiseks uurida sulgede ja karusnaha fossiilseid tõendeid, näiteks sellel pterosaurusel. (Z. Yang, B. Jiang, M. McNamara jt / Nature Ecology & Evolution 3, 24–30 (2019)) Millised fossiilid säilitavad värvi kõige paremini?
Arvame, et peaksime otsima mineraalkaltsiumfosfaadis säilinud fossiile. Nii oli see madu puhul, mida me 2016. aastal uurisime. Madu värvid on säilinud; kogu madu nahk säilib kaltsiumfosfaadis. Kaltsiumfosfaadi ilu seisneb selles, et see säilitab kõik. Säilitatakse kogu naha pigmendid, sealhulgas kolme tüüpi pigmendid, mis annavad värvi tänapäevastes roomajates. See säilitab struktuurvärvi: punase ja kollase ning tumeda värvi.
Need fossiilid, kus olete kõik kaltsiumfosfaadisse lukustanud, on need tegelikult fossiilivärvi uurimiseks palju parem sihtmärk kui gaseerimisega kokkusurumine.
Mis värvi olid dinosaurused?
Meil on mitmesuguseid sulelisi dinosauruseid, mille jaoks on nendes värvimustrites melaniini, ja tänapäevastes lindudes muudavad melaniini värvust muud pigmendid. Neid teisi pigmente ei säilitata fossiilidena, seega ei saa me praegu kindlad olla.
Kui leiaksime dinosauruste naha, mis oli tõesti hästi säilinud, oleks meil hea võimalus värvi üksikasjalikumalt taastada. Probleem on selles, et enamik dinosauruste nahka säilitatakse muljetena. On mitmeid näiteid, kus õhuke orgaaniline või mineraliseeritud kile säilib tegelikult, kuid kuigi mõnda neist on uuritud, pole ükski neist pigmentide üksikasju andnud.
Täna näeme eredaid värve sageli kiskjate mürgise hoiatusena või tüürimehena kaaslase meelitamiseks või muid peent värve kamuflaažina. Mis eesmärki teenis värv esimeste värvikate loomade jaoks?
Paljudel dinosaurustel, mida me näeme, on varjutatud, see tähendab siis, kui selja ja küljed on tumedama värvusega ja kõht on heledama värvusega. See on strateegia, mida paljud kaasaegsed loomad kasutavad keha piirjoonte lagundamiseks tugeva valguse korral [ja kamuflaažiks].
Uuritud sulelises dinosauruses on sabal väga silmatorkav vööt. Seda tüüpi triibutamine on tänapäeval loomadel väga levinud ja kui see esineb muudes kehapiirkondades, kasutatakse seda tavaliselt kamuflaažiks. Kuid selles konkreetses dinosauruses on see lokaliseeritud sabale. Nii et kaasaegsete loomade saba suurt värvide kontrasti kasutatakse seksuaalsignaalide tegemisel sageli ka ekraanide paaritamiseks.
Fossiilne madu, mida me uurisime, kasutas peaaegu kindlasti kamuflaažiks värvi. Sellel pikkusel olid üsna silmatorkavad laigud ja need laigud toimisid tõenäoliselt jälle häiriva kamuflaažina, et tugevas valguses keha piirjooned katkestada.
Elav sinine Morpho peleides liblikas, millel on 3D- fotonilised kristallstruktuurid, et saada oma hele toon. (Marka / UIG / Getty Images) Fossiilsed koi ja mõned fossiilsed putukad, mida me struktuurvärvidega uurisime - saime aru, et nende värvidel oli kahesugune funktsioon, kuna neil oli väga silmatorkav roheline värv. Selline värv on krüptiline, kui putukas varjab taimestikku, kuid kui need liblikad oleksid peremeestaimedele toitu andnud, oleks olnud õite kroonlehtedega terav värvikontrast. Paljud putukad kasutavad seda hoiatussignaalina, et reklaamida, et kiskja on lähedal.
Milliseid uusi vahendeid on meil pehmete kudede uurimiseks ja mida võiksime teada saada sellest, et me pole seni fossiilidest õppinud?
Kümme aastat tagasi oli kogu arusaam, et fossiilid suudavad värvi säilitada, vaevalt radaril - oli vaid üks uuring. Kaksteist aastat tagasi ei teadnud keegi isegi, et see on võimalik.
On mitmeid massispektromeetria tehnikaid, mis vaatavad teie materjali pinnal olevaid molekulaarfragmente, kuid mitte kõik fragmendid pole diagnostilised. On olemas keemilisi tehnikaid, mis tekitavad melaniini molekulide ainulaadseid fragmente, nii et te ei saa neid segi ajada millegi muuga. Inimesed vaatavad ka fossiilide anorgaanilist keemiat ja üritavad taastada tõendeid värvuse kohta.
Seega on tõesti oluline arvestada tafonoomia, koekeemia ja värvitõenditega ning üks tõeliselt tore viis bioloogia kivistumise mõjudest eemaldamiseks on katsete tegemine.
29. märtsil 2019 toimuv sümpoosion „Elu suurimad hitid: evolutsiooni võtmesündmused“ toimub kella 10–16.30 Rahvuslikus loodusloomuuseumis ja sellel on esindatud 10 rahvusvaheliselt tunnustatud evolutsioonibioloogi ja paleontoloogi. Piletiga saab tutvuda siin.
