欧亚大陆中生代蛾类标本中发现2亿年前昆虫结构色的确切证据
2018-05-18 10:20:23   来源:化石网   评论:0 点击:

化石复原图德国标本上的鳞片细节英国标本(化石网报道)据中国科学报(袁一雪):古代生物的颜色对于现代人来说是个谜,虽然它们的外形和体态可以通过化石中发现的骨骼判断,但是它们的颜色却只能依靠猜测。近日


化石复原图



德国标本上的鳞片细节



英国标本
 
(化石网报道)据中国科学报(袁一雪):古代生物的颜色对于现代人来说是个谜,虽然它们的外形和体态可以通过化石中发现的骨骼判断,但是它们的颜色却只能依靠猜测。近日,中科院南京地质古生物研究所王博团队在欧亚大陆中生代蛾类标本中发现了2亿年前昆虫结构色的确切证据,这是已知最早的昆虫颜色,为昆虫鳞片和颜色演化提供了新证据。

漂洋过海寻标本

新证据来自一块1985年发现的蛾类昆虫的翅膀化石——Archaeolepis mane。虽然发现时间不短,但是因为当时研究手段受限,所以科学家们除了知道它是全球最古老的蛾类化石外,并没有找到更多信息。

三十年后的某天,中科院南京地质古生物研究所(以下简称南古所)的研究人员将这块标本小心翼翼地从英国自然历史博物馆的标本盒中取出,放在显微镜下寻找着他们渴望找到的蛛丝马迹。虽然在光学显微镜下,他们并未有太多发现。但在扫描电镜下,化石的细微结构无所遁形,研究人员一直寻找的蛾类翅膀的鳞片结构赫然出现在眼前。得到鳞片化石表面的三维光学结构后,研究人员通过数学模型计算,和现代存活于世的蛾类翅膀鳞片对比,还原了这块距今1.95亿年的英国化石的“结构色”及其原貌。“它是金黄色,与现存澳大利亚的小翅蛾的颜色接近。”王博告诉《中国科学报》记者。

其实,Archaeolepis mane不是他们查找线索的唯一的化石,也不是唯一一个发现翅膀鳞片的化石。在哈萨克斯坦和德国保存的两块化石中,王博等人也有类似发现。其中,德国保存的距今约1.8亿年的蛾类的“结构色”与英国的化石颜色类似,也呈金黄色。

“因为蛾类翅膀鳞片的结构色非常复杂,所以是现代生物学和仿生学一个重要的研究热点,但学界对其起源和演化过程了解很少。我们就考虑是否能从化石中观察到纳米级的超微结构。”南古所研究员王博在谈及研究初衷时说。

曾经有国外学者研究过约4700万年前的蛾类标本,并复原了该化石的结构色。但这次,王博等人则将年代向前推进了1.3亿多年。

不仅翅膀鳞片结构复杂,而且昆虫也是地球上物种数量最多的生物。在光的照射下,光线照射在虫体表面的微观结构上产生折射、衍射及干扰,这些光进入人类的眼睛就让人看到了颜色丰富的“结构色”。有些昆虫翅膀的鳞片内部是中空的,被称为镂空型,有些鳞片则被填实,属于融合型。曾经,科学家认为镂空型的鳞片是最原始的,但在此次研究中,王博等人却发现融合型的鳞片才是最原始的。

“因为在最原始的蛾子以及最原始蛾子的近亲飘翅目当中,它都是融合型的鳞片。”王博说。这项研究还证实了纳米级的光学结构可以保存在中生代的琥珀、压痕以及印模化石标本中,为复原远古动物和植物的结构色打开了新的窗口。

2亿年前的“色诱”

结构色的成功复原,也让王博等人意识到,蛾类在很早之前就演化出了颜色,可能用于吸引异性之类的生物交流。这样的推测让他们畅想了一场发生在2亿年前的蛾类“艳遇”——在2亿年前的侏罗纪,一个夏日的午后,在湖边树林里,骄阳穿过一棵棵耸入天际的松柏树的繁枝,洒下一片暖暖的阳光,一只雄蛾扇动着“土豪金”色的薄翼悠哉地闲逛。突然,它被一只雌蛾吸引。两情相悦一番亲热后,雄蛾抵不住体能的消耗,直直地掉下树枝,跌入湖中。恰巧的是,它被湖底的淤泥包裹,身上的金色薄翼成为化石,被永久地保存了下来,直到被现代的科学家发现。

虽然沉寂了一段时间,所幸的是这块残破的化石中保留的细微结构终于被中国科学家发现,让绚丽的“土豪金”重现。

“寻找化石的过程是很困难的。我们基本上查看了全世界所有侏罗纪和白垩纪的蛾类化石,大部分都是从国外借阅的。有的标本太珍贵了,无法出借,我们就去当地博物馆或者请国外合作者帮忙查看。”王博介绍说,“因为蛾类最早的记录是在侏罗纪最早期,到了白垩纪晚期,大部分鳞片类型都出现了。因此白垩纪以后的标本对于我们的课题意义不大,就没有查看。”

经过近3年的工作,王博与同事们在查看了超过500块蛾类的标本后,发现了七八块保存较好的鳞片结构化石。“我们发现一个有意思的现象,就是尽管有的标本看起来很完整,但细节结构没有被保存下来。有的标本看起来很破碎,但在扫描电镜下,一些细节结构很清晰。”王博回忆说。

研究在继续

被复原颜色的Archaeolepis mane金光灿灿,与之前昆虫的颜色不同,这不是靠想象而来,而是属于它自己的颜色。“现在,我们继续利用相同的方法,复原其他昆虫和蜘蛛的颜色,同时利用新的测试方法,尝试复原昆虫的色素色,即化学色。”王博说。

色素色是昆虫着色的基本形式,这类体色是由于虫体一定部位有某些化合物的存在造成的,这些物质吸收长光波,而反射其他光波形成各种颜色。比如黄色的类胡萝卜素常与蓝色四吡咯色素结合,形成很多昆虫的绿色。“色素色就相当于人类穿的衣服,是由化学物质组成的。”王博解释说。但是与产生结构色的纳米级结构不同,化学物质很容易在化石形成过程中降解,而且一旦降解就几乎无法复原。

“我们尝试着用一些难以被降解的特殊元素去寻找线索。”王博说。他们最终选择了铜等几种元素,“因为在人体中,铜元素的多少与人类头发的颜色有密切关系”。

但这些元素经过时间的流逝,在昆虫体内还存在多少,它们与最终呈现的颜色又有何关系,依然是困扰王博等人的问题。“现在,我们的工作已经完成了大半,初步的结果可以通过铜元素复原昆虫身上的斑纹。接下来,我们还将通过与现在的昆虫进行色素比对,再进一步得到新的证据。”王博补充说。

相关报道:新技术揭示2亿年前昆虫的真实颜色

(化石网报道)据中国科学院南京地质古生物研究所:通常化石只能保存生物的结构,对其颜色几乎都是靠想象。然而,来自中、德和英三国的科学家们通过对昆虫化石中结构色的研究,却揭示了2亿年前昆虫的“真实颜色”。该研究成果将于4月12日在线发表于美国《科学》(Science)杂志子刊《科学进展》(Science Advances)。

昆虫是地球上物种数量最多的生物,展现了极其丰富的颜色。昆虫颜色分为色素色(化学色)和结构色;其中结构色是光照射在虫体表面的微观结构上产生折射、衍射及干扰而形成的。鳞翅目昆虫包括各种蛾类和蝴蝶,是人们最熟悉的昆虫之一。鳞翅目翅膀上鳞片具有极其精巧的三维微观结构,可以产生各种结构色。尽管许多动、植物可以产生结构色,但鳞翅目昆虫的结构色是所有生物中最复杂、也是最丰富的。长期以来,学界对昆虫化石鳞片的光学结构知之甚少,也限制了我们对鳞翅目和结构色的起源和早期演化的了解。

近期,中国科学院南京地质古生物研究所“现代陆地生态系统起源与早期演化研究团队”利用新的分析技术,从欧亚大陆中生代蛾类标本中发现了结构色的确切证据,为昆虫鳞片和颜色的演化提供了全新的观点。

南京古生物所博士生张青青和博士后任笑吟在王博和张海春研究员指导下对英国、德国、哈萨克斯坦和中国的侏罗纪蛾类标本以及白垩纪缅甸琥珀中飘翅目昆虫进行了系统调查。尽管这些标本先前已经报道并被研究过,但其中的鳞片结构却被忽视了。团队成员利用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、激光共聚焦显微镜、三维光学建模等技术首次分析了这些化石中鳞片的微观结构和可能的结构色。

本研究发现飘翅目昆虫具有单层的融合型鳞片,外形为窄叶性,其形态比已知鳞翅目鳞片所有类型都原始。而侏罗纪的蛾类标本的翅膀鳞片在形状、超微结构以及排列方式上与现生最原始的鳞翅目(小翅蛾科)非常相似。它们的鳞片都是融合型,即鳞片上下层均被表皮填充,不成网格状。鳞片排列方式为一型双层鳞片,即一层大的融合型鳞片(覆鳞)覆盖一层小的融合型鳞片(基鳞),排列成覆瓦状。现生的鳞翅目高等类群多具有镂空型鳞片:上、下分为两层,中间有复杂的三维结构,而呈扁囊状。

本研究发现侏罗纪的蛾类鳞片已经演化出鱼骨状的纳米级光学结构,类似的精细结构只见于现生小翅蛾科部分种类。研究团队利用化石鳞片数据,重建了鳞片微结构的三维光学模型,最终利用光学模拟软件和大型机定量计算出化石蛾类产生的结构色。综合证据表明,侏罗纪早期(约1.95亿年前)的蛾类与现生小翅蛾非常类似,它们的翅膀鳞片已经具有较复杂的光学结构,可以产生银色或金黄色的结构色。这不仅是已知最早的昆虫真实颜色,也是最古老的昆虫结构色,并将该记录提前了至少1.3亿年。

先前经典的发育生物学理论认为镂空型鳞片是最原始的状态,但本研究表明融合型鳞片才是最原始的类型,并且一型双层鳞片应为鳞翅目的基本构型特征。另外,昆虫的翅膀鳞片与羽毛的演化或许有一些共性。先前认为羽毛是鸟类的独有特征,但我国东北长毛恐龙化石表明羽毛也大量出现于非鸟类恐龙。与之类似,本研究表明具结构色的翅膀鳞片(包括一些未知的鳞片类型)在鳞翅目出现之前就已经在一些原始类群(例如飘翅目)广泛存在。

本研究也证实了纳米级的光学结构可以保存在中生代的琥珀、压痕以及印模化石标本中,为复原远古动物和植物的结构色打开了新的窗口。

本项研究得到中国科学院和国家自然科学基金委的资助。南京地质古生物所绘图师杨定华绘制了复原图。

相关论文:Zhang Qingqing, Mey W., Ansorge J., Starkey T.A., McDonald L.T., McNamara M.E., Jarzembowski E.A., Wichard W., Kelly R., Ren Xiaoying, Chen Jun, Zhang Haichun, Wang Bo* (2018) Fossil scales illuminate the early evolution of lepidopterans and structural colors, Science Advances 4: e1700988. doi:10.1126/sciadv.1700988.

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