Neobrazovanom oku čini se da većina fosila nema boju. Prva znanstvena analiza fosilne boje objavljena je tek prije desetak godina, a donedavno je utvrđivanje palete boja prapovijesnog svijeta izgledalo nepremostivo.
Maria McNamara, paleontologinja s University Collegea Cork u Irskoj, pokušava sastaviti fosilne dokaze kako bi stvorila živopisnu sliku prošlosti. Kad ljudi razmišljaju o paleontologiji, često misle na tvrde zube i kosti, ali mekši dijelovi životinja, poput kože, mišićnog tkiva i unutarnjih organa, također se mogu sačuvati u zapisu fosila. Dakako, puno je rjeđe, jer se tikvice uglavnom trule, ali meka tkiva su upravo onakvi primjeri koje McNamara traži. Ona proučava tkiva od insekata i kralježnjaka kako bi zamislila kako ti životinji izgledaju i kako su utjecali na njihovo okruženje - što su bili njihovi grabežljivci, gdje su živjeli, kakve su navike parenja možda bile i još mnogo toga.
McNamara će raspravljati o svom radu na pronalaženju ostataka boje u fosilima na simpoziju "Životni najveći hitovi: ključni događaji u evoluciji" Smithsonian's National Natural Nature's History u petak, 29. ožujka, u Washingtonu. Uoči svog razgovora, Smithsonian.com razgovarao je s McNamara kako bi naučio više o bojama drevnog svijeta.
Znanstveno gledano, što je boja i kako se mjeri?
Boja je jednostavno vidljiva svjetlost. Sve što rasipa energiju između valnih duljina od 400 do 700 nanometara, ono što znanstvenici nazivaju vidljivom svjetlošću. Ljudsko oko je obučeno da opaža suptilne razlike u energiji unutar tog prozora. Ostale životinje mogu vidjeti boju iza tog prozora. Na primjer, ptice imaju osjetljivost na ultraljubičastu svjetlost, tako da mogu opažati kraće valne duljine energije. Mnogi insekti također mogu vidjeti ultraljubičasto svjetlo i potencijalno u infracrvenom, koji ima veće valne duljine. To što zovete bojom stvarno ovisi o tome kakva ste životinja.
Najjednostavnije rečeno, boja je oblik energije koju možemo opaziti, a različite valne duljine stvaraju različite boje.
Na koji se način boja razvija u prirodi?
Boja se može proizvesti na dva različita načina. Mnogi moderni organizmi, uključujući životinje, proizvode boju koristeći pigmente. Pigmenti su kemikalije koje selektivno apsorbiraju svjetlost određene valne duljine. Na primjer, lišće biljke izgleda zeleno jer molekule klorofila unutar lišća apsorbiraju sve valne duljine u crvenom i plavom dijelu spektra, a odražavaju zelenilo i žutost koje možemo vidjeti.
Insekti su dominantan oblik života životinja na Zemlji s više od milijun opisanih vrsta i možda čak 15 puta više preostalih nepoznatih. Među insektima, hrošči su se pokazali kao jedna od najuspješnijih - i živopisnih - skupina koje predstavljaju 40 posto svih vrsta insekata i 30 posto svih životinjskih vrsta. (Chip Clark / Smithsonian Institution) Najčešći pigment u biljkama je klorofil, ali kod životinja su neki od najčešćih pigmenata melanini. Oni proizvode boju naše kose. Na primjer, stvaraju smeđu boju kod gljivica i tamnopute boje perja ptica.
Imamo i uobičajene pigmente koji se nazivaju karotenoidi, a proizvode ih isključivo biljke. No mnoge životinje u svojoj prehrani gutaju karotenoide pa ih koriste za obojenje svojih tkiva. Tako, na primjer, crvenu boju kardinala, koja je uobičajena na istočnoj obali Sjedinjenih Država, proizvode karotenoidi koje ptice uzimaju u svojoj prehrani od voća i bobica. Ružičasto perje flamingosa potječe od karotenoida u algama koje jedu sitne škampe, što je pticama omiljeni obrok.
Ali tu je zapravo potpuno drugačiji način proizvodnje boje, a to se naziva strukturna boja. Strukturna boja uopće ne koristi pigmente i umjesto toga koristi jako ukrašene tkivne strukture na nanocjevčanici. U osnovi će se neka životinjska tkiva presaviti u vrlo složene strukture na nanometrskoj razini - ili drugim riječima, u istoj mjeri kao i valna duljina svjetlosti. Te strukture utječu na način na koji svjetlost prolazi kroz biološka tkiva, tako da u osnovi mogu filtrirati određene valne duljine i stvarati stvarno jake boje. A zapravo su strukturne boje najsvjetlije i najintenzivnije boje koje dobivamo u prirodi.
Koje različite vrste boja ili različite strukture koje proizvode boju tražite kada proučavate ove fosile?
Kad sam počeo proučavati boju, radio sam sa strukturnom bojom u fosilnim insektima. Počeo sam gledati ove metalne insekte. Pokazali su svijetlu plavu, crvenu, zelenu i žutu, ali nitko nikada nije stvarno proučavao što proizvodi ove boje - postojala je samo jedna studija fragmenta jednog komada buba.
Dakle, proučavao sam oko 600 tih insekata iz mnogih različitih fosilnih lokaliteta, a zajedno s nekim suradnicima dobili smo dozvolu za uzimanje uzoraka sitnih fosila. Kad smo to učinili, bez obzira na to koje smo vrste gledali, sve ove strukture u tim obojenim insektima nastale su strukturom koja se naziva višeslojni reflektor. Mikroskopski, u osnovi izgleda kao sendvič s puno stvarno tankih slojeva, možda debeo samo 100 nanometara. Mnogi moderni insekti imaju ih u svojoj vanjskoj ljusci. Što je više slojeva, to je svjetlija boja razbacana.
Fotografije triju vrsta takse skabab beetle koje su korištene u tafonomiji za ponavljanje procesa fosilizacije u laboratoriju. Tijekom procesa mijenjale su se boje buba. (G. Odin, M. McNamara i dr. / Journal of The Royal Society Interface 1742-5662) Zanimalo nas je zašto nismo pronašli druge strukture, poput trodimenzionalnih fotonskih kristala, koji su sitne, složene slojevite strukture koje interferiraju sa svjetlosnim česticama zvanim fotoni. Strukture mogu biti upletene u dijamantsku strukturu, kubičnu strukturu, šesterokutnu strukturu i još složenije strukture. Mnogi moderni insekti i leptiri prikazuju to. Na primjer, moderni leptir Morpho je ovaj fenomenalni plavi tropski leptir s vagama koji sadrže 3D fotonske kristale. Pa smo se pitali, "zašto ih nikad nismo pronašli u zapisima o fosilima?"
Zašto mislite da ste u fosilima vidjeli samo višeslojne strukture reflektora, dok druge strukture koje proizvode boju postoje u modernim insektima?
Napravili smo eksperimentalnu fosilizaciju, koja se zove tafonomija. Umnožili smo aspekte procesa fosilizacije dopustivši kako višeslojni reflektori, tako i 3D fotonski kristali da se u laboratoriji degradiraju. Oboje su preživjeli eksperiment, koji nam je rekao da ovi 3D fotonski kristali imaju isti potencijal fosilizacije kao višeslojni reflektori - tako da moraju negdje biti u zapisu fosila.
Počeli smo gledati prije nekoliko godina, a izvijestili smo o prvom slučaju 3D fotonskih kristala u fosilnim insektima. Primjera gdje smo ih pronašli na terenu vrlo je mali, pa bi ih u mnogim slučajevima mogli jednostavno previdjeti.
Može li se boja promijeniti u procesu fosilizacije?
Pitanje s kojim se susrećemo je da li je sačuvana boja prava boja. U početku smo proučavali kemiju strukture pretpostavljajući da je ona ista kao i moderni insekti - ili drugim riječima, pretpostavili smo da će ona saviti i svjetlost. Ali kad te vrijednosti unesemo u naše računalne modele, one nisu radile. Modeli su nam rekli da su se boje naših fosila zapravo mijenjale tijekom fosilizacije.
Pomoću naših eksperimenata uspjeli smo utvrditi da je promjena nastala zbog prekomjernog tlaka i, što je još važnije, stalne temperature. Otkrili smo da temperatura stvarno utječe na promjenu boje tih strukturnih boja jer se fizička struktura smanjuje.
Kada proučavate boju izumrlih biljaka i životinja, koje vrste ostavljaju iza sebe najbolje dokaze?
To nije slučaj određene vrste, to je slučaj da se stvari sačuvaju na pravi način.
Većina dosad rađenih studija provedena je na perju, bilo na perju ptica ili dinosaura, a sve su sačuvane kao karbonatni kompresije: fosili formirani u sedimentnoj stijeni pod ogromnim pritiskom. Ovo je problematično jer ne čuvate dijelove perja koji su odgovorni za ne-melaninske boje.
U postojećih ptica melanin je gotovo sveprisutan, a učinci melanina modificirani su prisutnošću drugih pigmenata. Ako uzmete ponovno crveno perje kardinala, oni izgledaju crveno, ali iznutra, sadrže karotenoide i također melanosom. Ako to ptičje perje prođe kroz fosilizaciju, karotenoidi će se razgraditi i sve što vam preostaje jesu melanosomi, [a ne biste znali da je kardinal crven].
Postoji vrlo realna opasnost da mnoge rekonstrukcije koje smo gledali fosilnih ptica i pernatih dinosaura možda ne predstavljaju boju organizama kao što možda mislimo. Ako nađete dokaze o melaninu u fosilima, to može biti znak uzoraka, ali ne i stvarne nijanse. Stoga tvrdimo da ti fosili karbonacije vjerojatno nisu idealni za studije boje fosila.
Iako znanstvenici još ne znaju koje su boje dinosaurusa u boji, oni mogu proučiti fosilne dokaze perja i krzna, kao na ovom pterosauru, kako bi dobili predodžbu o sjenčanju. (Z. Yang, B. Jiang, M. McNamara, i dr. / Nature Ecology & Evolution 3, 24–30 (2019)) Koje vrste fosila najbolje čuvaju boju?
Mislimo da trebamo tražiti fosile sačuvane u mineralnom kalcijevom fosfatu. To je bio slučaj sa zmijom koju smo proučavali 2016. Boje zmija su sačuvane; cijela koža zmija sačuvana je u kalcijevom fosfatu. Ljepota kalcijevog fosfata je u tome što on čuva sve. Čuveni su svi pigmenti kože, uključujući tri vrste pigmenata koji stvaraju boju kod modernih gmazova. Očuva strukturalnu boju: crvenu i žutu, i tamnu boju.
Ti fosili u kojima ste zaključali sve u kalcijevom fosfatu, zapravo su mnogo bolji cilj za proučavanje boje fosila od kompresije karbonacije.
Pa koju su boju imali dinosauri?
Imamo razne pernate dinosauruse za koje u tim uzorcima boja imamo melanin, a kod modernih ptica obojenje melanina modificirano je drugim pigmentima. Ovi drugi pigmenti nisu sačuvani kao fosili, tako da zasad ne možemo biti sigurni.
Da smo pronašli kožu dinosaura koja je zaista dobro očuvana, imali bismo dobre šanse rekonstruirati boju detaljnije. Problem je što je većina kože dinosaura sačuvana kao dojmovi. Postoji nekoliko primjera gdje zapravo zadržavate tanki organski ili mineralizirani film, ali iako ih je nekoliko proučavano, niti jedan zapravo nije dao detalje o pigmentima.
Danas često vidimo svijetle boje kao toksična upozorenja grabežljivcima ili kao raskošni prikaz kako bi privukli partnera ili druge suptilnije boje koje će poslužiti kao maskirna. Kakvu je svrhu boja poslužila za prve šarene životinje?
Mnogo dinosaura koje vidimo imaju sjenilo, kad su leđa i stranice tamnije boje, a trbuh blijeđe boje. Ovo je strategija koju koriste mnoge moderne životinje kako bi pomogle razbiti obris tijela u jakom svjetlosnom okruženju [i osigurale kamuflažu].
Kod pernatog dinosaura kojeg smo proučavali, rep ima vrlo upečatljiv pojas. Ova vrsta vezivanja danas je kod životinja vrlo česta, a kada se pojavljuje na drugim dijelovima tijela, obično se koristi za kamuflažu. Ali u ovom specifičnom dinosauru lokaliziran je u repu. Tako da se visoki kontrast boja repa u modernih životinja često koristi u seksualnoj signalizaciji, pa tako i za prikaz parenja.
Fosilna zmija koju smo proučavali gotovo je sigurno koristila boju za kamuflažu. Duž je imao prilično upečatljive mrlje, a te su mrlje vjerojatno opet poslužile kao destruktivna maskirna masa za razbijanje obrisa tijela pri jakom svjetlu.
Živo plavi Morpho peleides leptir, koji ima 3D fotonske kristalne strukture za dobivanje svoje svijetle nijanse. (Marka / UIG / Getty slike) Fosilni moljac i neki fosilni insekti koje smo proučavali sa strukturnim bojama - shvatili smo da njihove boje djeluju dvostruko, jer imaju vrlo upečatljivu zelenu boju. Takva boja je kriptična kada se insekt skriva u vegetaciji, ali kad bi se ti leptiri hranili biljkama domaćicima, postojao bi oštar kontrast boje s laticama cvijeta. Mnogi insekti koriste ovo kao signal upozorenja kako bi reklamirali da je predator u blizini.
Koje nove alate imamo za proučavanje mekih tkiva i što možemo naučiti da do danas nismo mogli naučiti od fosila?
Prije deset godina, cijela predodžba da fosili mogu sačuvati boju teško je postojala na radaru - postojala je samo jedna studija. Prije dvanaest godina, nitko nije ni znao da je to moguće.
Postoji nekoliko tehnika masene spektrometrije koje promatraju molekularne fragmente na površini materijala, ali nisu svi fragmenti dijagnostički. Postoje kemijske tehnike koje proizvode jedinstvene fragmente melaninskih molekula pa ih ne možete brkati sa bilo čim drugim. Ljudi također promatraju anorgansku kemiju fosila i pokušavaju dobiti povratne dokaze o boji.
Dakle, stvarno je važno uzeti u obzir tafonomiju, kemiju tkiva i dokaze o boji, a jedan od zaista lijepih načina izazivanja biologije od učinaka fosilizacije je eksperimentiranje.
Simpozij „Najveći životni hitovi: ključni događaji u evoluciji“ 29. ožujka 2019. godine održava se od 10 do 16:30 u Nacionalnom prirodoslovnom muzeju i na njemu je predstavljeno 10 međunarodno priznatih evolucijskih biologa i paleontologa. Ulaznice su dostupne ovdje.
