Pro netrénované oko se zdá, že většina fosílií nepronikne barvou. První vědecká analýza fosilní barvy byla zveřejněna teprve před deseti lety a donedávna se určování palety barev prehistorického světa zdálo nepřekonatelným úkolem.
Maria McNamara, paleontologka z University College Cork v Irsku, se snaží spojit fosilní důkazy a namalovat barevný obraz minulosti. Když lidé uvažují o paleontologii, často uvažují o tvrdých zubech a kostech, ale ve fosilních záznamech lze zachovat i měkčí části zvířat, jako je kůže, svalová tkáň a vnitřní orgány. Je to samozřejmě mnohem vzácnější, protože šupinaté věci obvykle hnijí, ale měkké tkáně jsou přesně tím druhem, který McNamara hledá. Studuje tkáně od hmyzu a obratlovců, aby si představila, jak tito tvorové vypadají a jak reagují na své prostředí - jaké byly jejich predátoři, kde žili, jaké byly jejich návyky páření a další.
McNamara bude v pátek 29. března ve Washingtonu DC diskutovat o své práci na nalezení barevných zbytků ve fosiliích na sympoziu „Největší hity života v životě: klíčové události ve vývoji“ Smithsonianova Národního muzea. Před její řečí Smithsonian.com mluvila s McNamarou, aby se dozvěděla více o barvách starověkého světa.
Co je vědecky řečeno, co je barva a jak se měří?
Barva je jednoduše viditelné světlo. Vědci nazývají viditelným světlem cokoli, co rozptyluje energii mezi vlnovými délkami 400 a 700 nanometrů. Lidské oko je vyškoleno, aby v tomto okně vnímalo jemné rozdíly v energii. Ostatní zvířata mohou vidět barvu za tímto oknem. Například ptáci mají citlivost na ultrafialové světlo, takže mohou vnímat kratší vlnové délky energie. Mnoho hmyzů může také vidět ultrafialové světlo a potenciálně v infračerveném světle, které má delší vlnové délky. To, čemu říkáte barvu, záleží na tom, jaké zvíře jste.
Jednoduše řečeno, barva je forma energie, kterou můžeme vnímat, a různé vlnové délky vytvářejí různé barvy.
Jakým způsobem se barva vyvíjí v přírodě?
Barva může být vyráběna dvěma různými způsoby. Mnoho moderních organismů, včetně zvířat, produkuje barvu pomocí pigmentů. Pigmenty jsou chemikálie, které selektivně absorbují světlo o specifických vlnových délkách. Například, listy rostlin vypadají zeleně, protože molekuly v chlorofylu uvnitř listů absorbují všechny vlnové délky v červené a modré části spektra a odrážejí zelené a žluté barvy, které vidíme.
Hmyz je dominantní formou živočišného života na Zemi s více než 1 miliónem popsaných druhů a možná až 15krát více neznámých. Mezi hmyzem se brouci ukázali jako jedna z nejúspěšnějších - a nejbarevnějších - skupin, které představují 40 procent všech druhů hmyzu a 30 procent všech druhů zvířat. (Chip Clark / Smithsonian Institution) Nejběžnějším pigmentem v rostlinách je chlorofyl, ale u zvířat jsou nejběžnějšími pigmenty melaniny. Vytvářejí barvu našich vlasů. Produkují například hnědé barvy v plísních a tmavě zbarvené ptačí peří.
Máme také běžné pigmenty zvané karotenoidy, které se vyrábějí výhradně rostlinami. Mnoho zvířat však přijímá karotenoidy ve své stravě a používá je k barvení tkání. Tak například červená barva kardinála, která je běžná na východním pobřeží Spojených států, je produkována karotenoidy, které ptáci berou v potravě ovoce a bobulovin. Růžové peří plameňáků pochází z karotenoidů v řasách, které jedí malé krevety, což je oblíbené jídlo ptáků.
Ale ve skutečnosti existuje celý tento odlišný způsob výroby barev, který se nazývá strukturální barva. Strukturální barva vůbec nepoužívá pigmenty a místo toho používá velmi zdobené tkáňové struktury v nanoměřítku. Tkáně některých zvířat se v podstatě skládají do vysoce složitých struktur na úrovni nanometrů - nebo jinými slovy, ve stejném měřítku jako vlnová délka světla. Tyto struktury ovlivňují způsob, jakým světlo prochází biologickými tkáněmi, takže mohou v podstatě odfiltrovat určité vlnové délky a vytvářet opravdu silné barvy. A vlastně strukturální barvy jsou nejjasnější a nejintenzivnější barvy, které dostáváme v přírodě.
Jaké různé typy barev nebo různé struktury, které vytvářejí barvu, hledáte při studiu těchto fosilií?
Když jsem začal studovat barvu, pracoval jsem se strukturální barvou u fosilního hmyzu. Začal jsem se dívat na tento kovový hmyz. Vykazovali jasně modré, červené, zelené a žluté, ale nikdo nikdy studoval, co tyto barvy produkuje - existovala pouze jediná studie fragmentu jednoho kusu brouka.
Studoval jsem tedy asi 600 těchto hmyzů z mnoha různých fosilních lokalit a společně s několika spolupracovníky jsme dostali povolení odebrat vzorky drobných fosilií. Když jsme to udělali, bez ohledu na to, na jaký druh jsme se dívali, byly všechny tyto struktury v těchto barevných hmyzích vytvořeny strukturou zvanou vícevrstvý reflektor. Mikroskopicky vypadá v podstatě jako sendvič se spoustou opravdu tenkých vrstev, možná jen 100 nanometrů tlustých. Mnoho moderního hmyzu je má ve svém vnějším obalu. Čím více vrstev je, tím jasnější je rozptýlená barva.
Fotografie tří taxonů scarab brouka, které byly použity v tafonomických studiích k replikaci fosilizačního procesu v laboratoři. Během tohoto procesu se barvy brouků změnily. (G. Odin, M. McNamara a kol. / Journal of The Royal Society Interface 1742-5662) Zajímalo nás, proč jsme nenašli jiné struktury, jako jsou trojrozměrné fotonické krystaly, což jsou malé, komplexní, vrstvené struktury, které narušují světelné částice zvané fotony. Struktury mohou být zkrouceny na diamantovou strukturu, krychlovou strukturu, hexagonální strukturu a ještě složitější struktury. Mnoho moderního hmyzu a motýlů to zobrazuje. Například moderní motýl Morpho je tento báječný modrý tropický motýl s váhami, které obsahují 3D fotonické krystaly. Tak jsme se divili: „Proč jsme je nikdy nenašli v fosilních záznamech?“
Proč si myslíte, že jste viděli pouze vícevrstvé struktury reflektorů ve fosiliích, zatímco v moderním hmyzu existují jiné struktury produkující barvu?
Udělali jsme experimentální fosilizaci, která se nazývá tafonomie. Replikovali jsme aspekty fosilizačního procesu tím, že jsme umožnili degradaci vícevrstvých reflektorů i 3D fotonických krystalů v laboratoři. Oba z nich přežili experiment, který nám řekl, že tyto 3D fotonické krystaly měly stejný fosilizační potenciál jako vícevrstvé reflektory - musí tedy někde být ve fosilním záznamu.
Začali jsme se dívat před několika lety a oznámili jsme první případ 3D fotonických krystalů ve fosilním hmyzu. Příklad, kde jsme je našli v terénu, je velmi malý, takže v mnoha případech je lze přehlédnout.
Může se v procesu fosilizace změnit barva?
Otázka, na kterou narazíme, je, zda zachovaná barva je skutečná barva. Původně jsme studovali chemii struktury tím, že jsme předpokládali, že je to stejné jako moderní hmyz - nebo jinými slovy jsme předpokládali, že by to světlo ohýbalo stejně. Když však tyto hodnoty vložíme do našich počítačových modelů, nefungovaly. Modely nám řekly, že barvy našich fosilií se během fosilizace skutečně změnily.
Našimi experimenty jsme dokázali zjistit, že změna byla způsobena přetlakem a co je důležitější, stálou teplotou. Zjistili jsme, že teplota skutečně způsobuje změnu barvy těchto strukturálních barev, protože fyzická struktura se zmenšuje.
Které druhy zanechávají při studiu barvy vyhynulých rostlin a zvířat nejlepší důkaz?
Nejedná se o případ konkrétního druhu, jde o to, aby se věci uchovaly správným způsobem.
Většina studií, které byly dosud provedeny, byla provedena na peřích, buď peřích u ptáků nebo dinosaurů, a všechny byly zachovány jako karbonační komprese: fosílie vytvořené v sedimentární hornině pod obrovským tlakem. To je problematické, protože nezachováváte části peří, které jsou zodpovědné za barvy ne-melaninu.
U existujících ptáků je melanin téměř všudypřítomný a účinky melaninu jsou modifikovány přítomností dalších pigmentů. Pokud tedy znovu vezmete červené peří kardinála, vypadají červeně, ale uvnitř obsahují karotenoidy a také melanosomy. Pokud toto ptačí pírko prochází fosilizací, karotenoidy se degradují a vše, co vám zbude, jsou melanosomy (a nevíte, že kardinál byl červený).
Existuje velmi skutečné nebezpečí, že mnoho rekonstrukcí, které jsme pozorovali u fosilních ptáků a pernatých dinosaurů, nemusí představovat barvy organismů, jak bychom si mohli myslet. Pokud v fosiliích najdete důkazy o melaninu, může to naznačovat vzorec, ale ne skutečný odstín. Tvrdíme tedy, že tyto fosilní karbonace pravděpodobně nejsou ideální pro studium fosilních barev.
Ačkoli vědci ještě nevědí, jaké barevné dinosaury byly, mohou studovat fosilní důkazy peří a kožešin, například na tomto pterosauru, aby získali představu o stínování. (Z. Yang, B. Jiang, M. McNamara a kol. / Nature Ecology & Evolution 3, 24–30 (2019)) Jaké typy fosilií si zachovávají barvu nejlépe?
Myslíme si, že bychom měli hledat fosílie uchované v minerálním fosforečnanu vápenatém. To byl případ hada, který jsme studovali v roce 2016. Barvy hada jsou zachovány; celá kůže hada je zachována ve fosforečnanu vápenatém. Krása fosforečnanu vápenatého spočívá v tom, že zachovává vše. Zachovávají se všechny pigmenty na kůži, včetně tří typů pigmentů, které vytvářejí barvu v moderních plazech. Zachovává strukturální barvu: červenou a žlutou a tmavou barvu.
Tyto druhy fosilií, kde jste zamkli všechno v fosforečnanu vápenatém, jsou ve skutečnosti mnohem lepším cílem pro studium fosilních barev než komprese karbonací.
Jakou barvu tedy měli dinosauři?
V různých barevných vzorcích máme různé pernaté dinosaury, pro které máme melanin au moderních ptáků je melaninové zbarvení modifikováno jinými pigmenty. Tyto další pigmenty se nezachovávají jako fosílie, takže si zatím nemůžeme být jisti.
Pokud bychom našli dinosaurovou kůži, která byla opravdu dobře zachována, měli bychom dobrou šanci na podrobnější rekonstrukci barvy. Problém je v tom, že většina dinosaurů je zachována jako dojmy. Existuje řada příkladů, ve kterých si vlastně zachováváte tenký organický nebo mineralizovaný film, ale i když několik z nich bylo studováno, žádný z nich ve skutečnosti neposkytl podrobnosti o pigmentech.
Dnes často vidíme jasné barvy jako toxická varování pro predátory nebo jako bohatý displej, který přitahuje partnera, nebo jiné jemnější barvy, které slouží jako maskování. Jaký účel sloužila barva pro první barevná zvířata?
Spousta dinosaurů, které vidíme, mají protivíní, což je, když jsou zadní a boční stěny tmavší a břicho je bledší. Toto je strategie, kterou používá mnoho moderních zvířat, aby pomohla rozbít obrys těla v silném světelném prostředí [a poskytnout kamufláž].
U opeřeného dinosaura, kterého jsme studovali, má ocas velmi nápadné pruhy. Tento typ bandáže je dnes u zvířat velmi běžný a když se vyskytuje na jiných částech těla, obvykle se používá pro maskování. Ale u tohoto specifického dinosaura je lokalizován do ocasu. Tak, že vysoký barevný kontrast v ocasu u moderních zvířat je často používán v sexuální signalizaci, tak pro páření displeje.
Fosilní had, který jsme studovali, téměř jistě používal k maskování barvu. Po celé délce měl docela nápadné skvrny a tyto skvrny pravděpodobně znovu sloužily jako rušivá kamufláž, aby rozbily obrys těla za silného světla.
Živý modrý motýl Morpho peleides, který má 3D fotonické krystalové struktury, aby vytvořil svůj jasný odstín. (Marka / UIG / Getty Images) Fosilní můra a nějaký fosilní hmyz, který jsme studovali se strukturálními barvami - dostali jsme pocit, že jejich barvy plní dvojí funkci, protože mají velmi nápadnou zelenou barvu. Taková barva je kryptická, když se hmyz skrývá v vegetaci, ale když by se tito motýli živili hostitelskými rostlinami, byl by ostrý barevný kontrast s okvětními lístky květin. Mnoho hmyzu to používá jako varovný signál k inzerci, že dravec je blízko.
Jaké nové nástroje musíme studovat měkké tkáně a co se můžeme naučit, že jsme se až do tohoto bodu nemohli poučit z fosilií?
Před deseti lety byla celá představa, že fosílie dokážou zachovat barvu, stěží na radaru - byla jen jedna studie. Před dvanácti lety nikdo nevěděl, že je to možné.
Existuje několik technik hmotnostní spektrometrie, které se dívají na molekulární fragmenty na povrchu vašeho materiálu, ale ne všechny fragmenty jsou diagnostické. Existují chemické techniky, které produkují jedinečné fragmenty molekul melaninu, takže je nemůžete zaměnit s ničím jiným. Lidé se také dívají na anorganickou chemii fosilií a snaží se získat zpět podpůrné důkazy o barvě.
Je tedy opravdu důležité zvážit tafonomii, chemii tkání a důkaz o barvě. Jedním z opravdu příjemných způsobů, jak škádlit biologii z účinků fosilizace, je provádět experimenty.
Sympozium „Největší hity života: klíčové události ve vývoji“ 29. března 2019 se koná od 10.00 do 16.30 hodin v Národním muzeu přírodní historie a představuje 10 mezinárodně uznávaných evolučních biologů a paleontologů. Vstupenky jsou k dispozici zde.
