當(dāng)前位置： 當(dāng)前位置：首頁 > 知識 > 歐亞大陸中生代蛾類標本中發(fā)現(xiàn)2億年前昆蟲結(jié)構(gòu)色的確切證據(jù)正文

化石復(fù)原圖

德國標本上的鱗片細節(jié)

英國標本
（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)中國科學(xué)報（袁一雪）：古代生物的顏色對于現(xiàn)代人來說是個謎，雖然它們的大陸代蛾的確外形和體態(tài)可以通過化石中發(fā)現(xiàn)的骨骼判斷，但是中生它們的顏色卻只能依靠猜測。近日，類標中科院南京地質(zhì)古生物研究所王博團隊在歐亞大陸中生代蛾類標本中發(fā)現(xiàn)了2億年前昆蟲結(jié)構(gòu)色的本中確切證據(jù)，這是發(fā)現(xiàn)已知最早的昆蟲顏色，為昆蟲鱗片和顏色演化提供了新證據(jù)。億年
漂洋過海尋標本
新證據(jù)來自一塊1985年發(fā)現(xiàn)的前昆切證蛾類昆蟲的翅膀化石——Archaeolepis mane。雖然發(fā)現(xiàn)時間不短，蟲結(jié)但是構(gòu)色因為當(dāng)時研究手段受限，所以科學(xué)家們除了知道它是歐亞全球最古老的蛾類化石外，并沒有找到更多信息。大陸代蛾的確
三十年后的中生某天，中科院南京地質(zhì)古生物研究所（以下簡稱南古所）的類標研究人員將這塊標本小心翼翼地從英國自然歷史博物館的標本盒中取出，放在顯微鏡下尋找著他們渴望找到的本中蛛絲馬跡。雖然在光學(xué)顯微鏡下，他們并未有太多發(fā)現(xiàn)。但在掃描電鏡下，化石的細微結(jié)構(gòu)無所遁形，研究人員一直尋找的蛾類翅膀的鱗片結(jié)構(gòu)赫然出現(xiàn)在眼前。得到鱗片化石表面的三維光學(xué)結(jié)構(gòu)后，研究人員通過數(shù)學(xué)模型計算，和現(xiàn)代存活于世的蛾類翅膀鱗片對比，還原了這塊距今1.95億年的英國化石的“結(jié)構(gòu)色”及其原貌。“它是金黃色，與現(xiàn)存澳大利亞的小翅蛾的顏色接近?！蓖醪└嬖V《中國科學(xué)報》記者。
其實，Archaeolepis mane不是他們查找線索的唯一的化石，也不是唯一一個發(fā)現(xiàn)翅膀鱗片的化石。在哈薩克斯坦和德國保存的兩塊化石中，王博等人也有類似發(fā)現(xiàn)。其中，德國保存的距今約1.8億年的蛾類的“結(jié)構(gòu)色”與英國的化石顏色類似，也呈金黃色。
“因為蛾類翅膀鱗片的結(jié)構(gòu)色非常復(fù)雜，所以是現(xiàn)代生物學(xué)和仿生學(xué)一個重要的研究熱點，但學(xué)界對其起源和演化過程了解很少。我們就考慮是否能從化石中觀察到納米級的超微結(jié)構(gòu)?！蹦瞎潘芯繂T王博在談及研究初衷時說。
曾經(jīng)有國外學(xué)者研究過約4700萬年前的蛾類標本，并復(fù)原了該化石的結(jié)構(gòu)色。但這次，王博等人則將年代向前推進了1.3億多年。
不僅翅膀鱗片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且昆蟲也是地球上物種數(shù)量最多的生物。在光的照射下，光線照射在蟲體表面的微觀結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生折射、衍射及干擾，這些光進入人類的眼睛就讓人看到了顏色豐富的“結(jié)構(gòu)色”。有些昆蟲翅膀的鱗片內(nèi)部是中空的，被稱為鏤空型，有些鱗片則被填實，屬于融合型。曾經(jīng)，科學(xué)家認為鏤空型的鱗片是最原始的，但在此次研究中，王博等人卻發(fā)現(xiàn)融合型的鱗片才是最原始的。
“因為在最原始的蛾子以及最原始蛾子的近親飄翅目當(dāng)中，它都是融合型的鱗片?！蓖醪┱f。這項研究還證實了納米級的光學(xué)結(jié)構(gòu)可以保存在中生代的琥珀、壓痕以及印模化石標本中，為復(fù)原遠古動物和植物的結(jié)構(gòu)色打開了新的窗口。
2億年前的“色誘”
結(jié)構(gòu)色的成功復(fù)原，也讓王博等人意識到，蛾類在很早之前就演化出了顏色，可能用于吸引異性之類的生物交流。這樣的推測讓他們暢想了一場發(fā)生在2億年前的蛾類“艷遇”——在2億年前的侏羅紀，一個夏日的午后，在湖邊樹林里，驕陽穿過一棵棵聳入天際的松柏樹的繁枝，灑下一片暖暖的陽光，一只雄蛾扇動著“土豪金”色的薄翼悠哉地閑逛。突然，它被一只雌蛾吸引。兩情相悅一番親熱后，雄蛾抵不住體能的消耗，直直地掉下樹枝，跌入湖中。恰巧的是，它被湖底的淤泥包裹，身上的金色薄翼成為化石，被永久地保存了下來，直到被現(xiàn)代的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。
雖然沉寂了一段時間，所幸的是這塊殘破的化石中保留的細微結(jié)構(gòu)終于被中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，讓絢麗的“土豪金”重現(xiàn)。
“尋找化石的過程是很困難的。我們基本上查看了全世界所有侏羅紀和白堊紀的蛾類化石，大部分都是從國外借閱的。有的標本太珍貴了，無法出借，我們就去當(dāng)?shù)夭┪镳^或者請國外合作者幫忙查看?！蓖醪┙榻B說，“因為蛾類最早的記錄是在侏羅紀最早期，到了白堊紀晚期，大部分鱗片類型都出現(xiàn)了。因此白堊紀以后的標本對于我們的課題意義不大，就沒有查看。”
經(jīng)過近3年的工作，王博與同事們在查看了超過500塊蛾類的標本后，發(fā)現(xiàn)了七八塊保存較好的鱗片結(jié)構(gòu)化石?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)一個有意思的現(xiàn)象，就是盡管有的標本看起來很完整，但細節(jié)結(jié)構(gòu)沒有被保存下來。有的標本看起來很破碎，但在掃描電鏡下，一些細節(jié)結(jié)構(gòu)很清晰?！蓖醪┗貞浾f。
研究在繼續(xù)
被復(fù)原顏色的Archaeolepis mane金光燦燦，與之前昆蟲的顏色不同，這不是靠想象而來，而是屬于它自己的顏色。“現(xiàn)在，我們繼續(xù)利用相同的方法，復(fù)原其他昆蟲和蜘蛛的顏色，同時利用新的測試方法，嘗試復(fù)原昆蟲的色素色，即化學(xué)色?！蓖醪┱f。
色素色是昆蟲著色的基本形式，這類體色是由于蟲體一定部位有某些化合物的存在造成的，這些物質(zhì)吸收長光波，而反射其他光波形成各種顏色。比如黃色的類胡蘿卜素常與藍色四吡咯色素結(jié)合，形成很多昆蟲的綠色?！吧厣拖喈?dāng)于人類穿的衣服，是由化學(xué)物質(zhì)組成的?！蓖醪┙忉屨f。但是與產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的納米級結(jié)構(gòu)不同，化學(xué)物質(zhì)很容易在化石形成過程中降解，而且一旦降解就幾乎無法復(fù)原。
“我們嘗試著用一些難以被降解的特殊元素去尋找線索?！蓖醪┱f。他們最終選擇了銅等幾種元素，“因為在人體中，銅元素的多少與人類頭發(fā)的顏色有密切關(guān)系”。
但這些元素經(jīng)過時間的流逝，在昆蟲體內(nèi)還存在多少，它們與最終呈現(xiàn)的顏色又有何關(guān)系，依然是困擾王博等人的問題?！艾F(xiàn)在，我們的工作已經(jīng)完成了大半，初步的結(jié)果可以通過銅元素復(fù)原昆蟲身上的斑紋。接下來，我們還將通過與現(xiàn)在的昆蟲進行色素比對，再進一步得到新的證據(jù)?！蓖醪┭a充說。
相關(guān)報道：新技術(shù)揭示2億年前昆蟲的真實顏色
（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所：通?；荒鼙４嫔锏慕Y(jié)構(gòu)，對其顏色幾乎都是靠想象。然而，來自中、德和英三國的科學(xué)家們通過對昆蟲化石中結(jié)構(gòu)色的研究，卻揭示了2億年前昆蟲的“真實顏色”。該研究成果將于4月12日在線發(fā)表于美國《科學(xué)》（Science）雜志子刊《科學(xué)進展》（Science Advances）。
昆蟲是地球上物種數(shù)量最多的生物，展現(xiàn)了極其豐富的顏色。昆蟲顏色分為色素色（化學(xué)色）和結(jié)構(gòu)色；其中結(jié)構(gòu)色是光照射在蟲體表面的微觀結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生折射、衍射及干擾而形成的。鱗翅目昆蟲包括各種蛾類和蝴蝶，是人們最熟悉的昆蟲之一。鱗翅目翅膀上鱗片具有極其精巧的三維微觀結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生各種結(jié)構(gòu)色。盡管許多動、植物可以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色，但鱗翅目昆蟲的結(jié)構(gòu)色是所有生物中最復(fù)雜、也是最豐富的。長期以來，學(xué)界對昆蟲化石鱗片的光學(xué)結(jié)構(gòu)知之甚少，也限制了我們對鱗翅目和結(jié)構(gòu)色的起源和早期演化的了解。
近期，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所“現(xiàn)代陸地生態(tài)系統(tǒng)起源與早期演化研究團隊”利用新的分析技術(shù)，從歐亞大陸中生代蛾類標本中發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)色的確切證據(jù)，為昆蟲鱗片和顏色的演化提供了全新的觀點。
南京古生物所博士生張青青和博士后任笑吟在王博和張海春研究員指導(dǎo)下對英國、德國、哈薩克斯坦和中國的侏羅紀蛾類標本以及白堊紀緬甸琥珀中飄翅目昆蟲進行了系統(tǒng)調(diào)查。盡管這些標本先前已經(jīng)報道并被研究過，但其中的鱗片結(jié)構(gòu)卻被忽視了。團隊成員利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、激光共聚焦顯微鏡、三維光學(xué)建模等技術(shù)首次分析了這些化石中鱗片的微觀結(jié)構(gòu)和可能的結(jié)構(gòu)色。
本研究發(fā)現(xiàn)飄翅目昆蟲具有單層的融合型鱗片，外形為窄葉性，其形態(tài)比已知鱗翅目鱗片所有類型都原始。而侏羅紀的蛾類標本的翅膀鱗片在形狀、超微結(jié)構(gòu)以及排列方式上與現(xiàn)生最原始的鱗翅目（小翅蛾科）非常相似。它們的鱗片都是融合型，即鱗片上下層均被表皮填充，不成網(wǎng)格狀。鱗片排列方式為一型雙層鱗片，即一層大的融合型鱗片（覆鱗）覆蓋一層小的融合型鱗片（基鱗），排列成覆瓦狀?，F(xiàn)生的鱗翅目高等類群多具有鏤空型鱗片：上、下分為兩層，中間有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，而呈扁囊狀。
本研究發(fā)現(xiàn)侏羅紀的蛾類鱗片已經(jīng)演化出魚骨狀的納米級光學(xué)結(jié)構(gòu)，類似的精細結(jié)構(gòu)只見于現(xiàn)生小翅蛾科部分種類。研究團隊利用化石鱗片數(shù)據(jù)，重建了鱗片微結(jié)構(gòu)的三維光學(xué)模型，最終利用光學(xué)模擬軟件和大型機定量計算出化石蛾類產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色。綜合證據(jù)表明，侏羅紀早期（約1.95億年前）的蛾類與現(xiàn)生小翅蛾非常類似，它們的翅膀鱗片已經(jīng)具有較復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生銀色或金黃色的結(jié)構(gòu)色。這不僅是已知最早的昆蟲真實顏色，也是最古老的昆蟲結(jié)構(gòu)色，并將該記錄提前了至少1.3億年。
先前經(jīng)典的發(fā)育生物學(xué)理論認為鏤空型鱗片是最原始的狀態(tài)，但本研究表明融合型鱗片才是最原始的類型，并且一型雙層鱗片應(yīng)為鱗翅目的基本構(gòu)型特征。另外，昆蟲的翅膀鱗片與羽毛的演化或許有一些共性。先前認為羽毛是鳥類的獨有特征，但我國東北長毛恐龍化石表明羽毛也大量出現(xiàn)于非鳥類恐龍。與之類似，本研究表明具結(jié)構(gòu)色的翅膀鱗片（包括一些未知的鱗片類型）在鱗翅目出現(xiàn)之前就已經(jīng)在一些原始類群（例如飄翅目）廣泛存在。
本研究也證實了納米級的光學(xué)結(jié)構(gòu)可以保存在中生代的琥珀、壓痕以及印模化石標本中，為復(fù)原遠古動物和植物的結(jié)構(gòu)色打開了新的窗口。
本項研究得到中國科學(xué)院和國家自然科學(xué)基金委的資助。南京地質(zhì)古生物所繪圖師楊定華繪制了復(fù)原圖。
相關(guān)論文：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.