恐龙究竟是啥颜色?基于化石的推测可能都是错的

古生物的颜色该怎么推断?化石肯定是研究古生物颜色的一手资料。而自然界产生颜色有两种途径,第一种是色素,第二种是结构色。但遗憾的是,通过化石来推测这两种颜色,都不太靠谱。

前几天,我的小外甥不知道从哪里搞到一个专门给恐龙涂色的APP,涂了个花花绿绿的恐龙给我看,然后问我:舅舅,你看这个恐龙美不美?

图 | 涂色APP“可爱恐龙的秘密花园”

在违心地夸奖小外甥之余,我不禁陷入了沉思:我们复原了那么多恐龙骨架,推断出各种恐龙的外形,类似《侏罗纪公园》的电影里也有很多震撼的镜头。但我们看到的恐龙的颜色究竟是怎么来的?难道这只是纯粹的艺术想象?

为此,我做了一番功课,发现这个问题还真没有那么简单。

什么是颜色?

当我们讨论颜色,其实讨论的是可见光。对人类来说,可见光就是波长在400纳米到700纳米之间的光,不同的波长会呈现不同的颜色。

光谱 | buzzle.com

那么自然界是怎么产生颜色的呢?有两种途径。

第一种是色素。色素是一种能够选择性吸收特定光线的化学物质。例如植物的叶子看上去是绿色,是因为叶片中的叶绿素分子将光谱中的红光和蓝光全部吸收了,所以反射出来的光线就剩下绿色和黄色被我们看到。

植物中最常见的色素就是叶绿素,但是在动物中最常见的一种色素是黑色。我们头发的黑色、菌类的棕色、鸟类羽毛的暗黑色,都是来自于此。另一种常见的色素是类胡萝卜素。植物中比较多,但是很多动物在日常饮食中也摄入了大量类胡萝卜素,它们用它来给各种组织“染色”。比如主红雀(也叫“红衣主教”,美国东海岸常见的一种鸟类),其红色羽毛就是由于它们的饮食结构中包含水果和浆果。

第二种产生颜色的途径则完全不同,叫结构色。结构色完全不使用色素,而是会有许多在纳米级尺度上非常复杂的组织结构——和光线的波长一个数量级。因此,这些结构会影响光线通过生物组织的路径。于是这些生物可以滤掉特定波长的光线并产生强烈的颜色。事实上结构色是我们从自然界中发现的最明亮也最浓烈的色彩。

图 | Chip Clark / Smithsonian Institution

古生物的颜色该怎么推断?

化石肯定是研究古生物颜色的一手资料。但化石这种东西,对于非专业人士而言,看上去都是黑乎乎的一坨,色素分子也根本无法存在这么久而不被破坏,所以,在千万年的时光面前,“美色”毫无力量。这也是为什么关于化石颜色研究的文献非常之少,十多年前才有第一篇关于化石颜色研究的文献发表,直到最近,判定史前生物的颜色才变得有那么一点儿可能

联想到化石,大部分人的第一反应就是坚硬的牙齿和骨骼。但事实上,动物的某些软组织,比如皮毛、肌肉组织和内脏等等,也是能够通过化石保存下来的。当然,这种化石非常稀有,毕竟黏糊糊的东西通常很快就腐烂了。

但对于爱尔兰科克大学的古生物学家玛利亚·麦克纳马拉(Maria McNamara)来说,这就是她一直在寻找的东西。她通过研究昆虫和脊椎动物的组织来预想,这些生物会是什么样子,它们如何同它们生活的环境交互——它们的天敌、栖息地和交配习惯是什么等等,并在此基础之上,进一步对古生物的颜色进行尽可能科学地推断

白垩纪时期的蜻蜓的化石 | Picswe

什么样的颜色,或者什么样的结构,

是能够通过化石来研究的呢?

前面提到,产生颜色有两种机制,一种色素,一种是特殊结构。很显然,色素分子难以保留,所以一开始,麦克纳马拉研究的是昆虫化石中的结构色。她从寻找金属色的昆虫开始,这些昆虫呈现出明亮的蓝色、红色、绿色和黄色,但是没人知道为什么——仅仅只有一项研究分析了单个甲虫的一个碎片。

而麦克纳马拉与合作者们研究了不同化石聚集地的大约600种昆虫化石,他们获取了这些化石的样本。他们发现,不管是什么物种,所有这些有色昆虫的结构都产生于同一种结构,他们称之为“多层反射器”。从显微镜观察,这种结构看上去像是一个三明治,有大量很薄很薄的层状结构,这些层状结构厚度大概只有100纳米。许多现代昆虫在甲壳中也有这样的结构,层数越多,所显示出的颜色也越亮。

图 | G. Odin, M. McNamara et al. / Journal of The Royal Society Interface 1742-5662

但奇怪的是,600多种昆虫,居然都是同一种结构,为什么没有发现其他的结构呢?

比如三维光子晶体,一种很小、很复杂的层状结构,能够与光子相互干涉。这种结构也许会被拧成金刚石结构、立方体结构、六方晶结构,甚至更复杂的结构。许多昆虫中都存在这种结构。例如大闪蝶,就是一种很漂亮的蓝色热带蝴蝶,其翅膀上的鳞片中就有这样的三维光子晶体结构。但麦克纳马拉的团队在研究中却从来没有发现这一结构。

大闪蝶 | 图虫

她们做了一些化石化的实验(俗称埋葬学,是研究古生物死亡后埋葬规律的学科)。研究内容涉及生物遗体的搬运、堆积、埋葬以及之后的成岩、风化、剥蚀等等。她们重复了化石化的过程,让多层反射器和三维光子晶体在化石化过程中同时退化,发现这两种结构都能够保存下来。因此,三维光子晶体是可以通过化石保存下来的,这种结构一定能在化石中找到记录。

于是她们推断,肯定有一些化石之中,存在着除了“多层反射器”以外的其他结构。几年前她们开始寻找这样的化石,并且成功发现了第一例存在三维光子晶体的昆虫化石。她们所发现的样本,其尺寸极其微小。因此,在之前的化石中很可能也存在这种结构,只是被忽略了。

通过化石推断出的结构色靠谱吗?

答案是不完全靠谱。

麦克纳马拉一开始假设,上面那些结构的化学性能和现代昆虫中的相同结构的化学性能是一样的,也就是说它们对光线的扭曲程度也是一样的。

她们利用计算机对这些结构进行了建模,并导入了初始参数,结果发现并不是这样,这些结构会在化石化的过程中发生改变,也就是说化石化的过程会改变生物组织的微观结构,所以根据化石结构所推断出的颜色并不一定是原本的颜色。

艺术家理查德·比兹利(Richard Bizley)创作的史前动物插画 | Richard Bizley

通过这些实验,麦克纳马拉还发现,这种变化是由于极高的压力以及恒定的温度带来的。并且,温度的影响更为显著,因为温度会让这些微小的结构收缩。

通过化石来推断颜色还有一个问题。目前为止,很多研究都是通过研究鸟类或者恐龙的羽毛来进行,这些羽毛化石都处于碳化压缩的状态:被保存在沉积岩中,然后在巨大的压力下形成化石。

如果观察主红雀的羽毛:它看起来是红色,但是在内部,其实同时存在类胡萝卜素和黑素体。然而,经过化石化这样一个过程,类胡萝卜素会降解,只剩下黑素体,于是如果你没有见过主红雀,只见过它的化石,你就会以为主红雀是黑色的,你根本不会知道它其实是红色的。

主红雀 | 图虫

所以,尽管我们根据鸟类或者有羽毛的恐龙的化石,对它们进行了重构,但是这些很可能并不像我们以为的那样,能够代表这些生物的颜色。如果你在化石中发现了黑色素存在的证据,它可能只表明有某种图案,而并不代表真正的颜色。

并非所有化石都适合用来研究颜色

众多化石中,只有磷酸钙化石是最佳的研究对象。在2016年的一次研究中,麦克纳马拉的团队发现了一条保存在磷酸钙矿物中的蛇,那条蛇的整个蛇皮都被保存在磷酸钙中。磷酸钙的优点是它几乎能够保存任何东西,整个蛇皮的全部色素都得到了保留,他们发现了三种在现代爬行物种中也能发现的色素。并且这个化石还保留了结构色:红色和黄色,以及某些暗色。

所以,磷酸钙化石几乎能够“锁住”任何东西,是理想的研究对象。如果有盆友发现这样的化石,恭喜你捡到宝了。

恐龙究竟是什么颜色?

麦克纳马拉团队通过对大量有羽毛恐龙的研究,发现了黑色素,并且这些黑色素有被其他色素影响的痕迹。但那些色素并没能被保留下来。

翼龙 | Z. Yang, B. Jiang, M. McNamara, et al. / Nature Ecology & Evolution 3, 24–30 (2019)

如果我们能够获得保存得很好的恐龙皮肤,将能够更好地还原颜色细节。但问题在于,大部分的恐龙皮肤保存下来只剩了一些印痕。目前也有一些样本,可以得到一点薄薄的有机组织或者矿化膜,但相关的研究相当之少,更别说给出色素的具体细节了。所以,我们目前仍旧无法确定恐龙的颜色。

但十年之前,我们还根本不知道化石能够保存颜色信息——与之相关的研究只有一个,还不怎么为人所知。而12年前,也没人认为研究史前生物的颜色其实是可能的。

目前,已经有一些新工具可以进一步帮助我们研究古生物的颜色。比如有好几种质谱分析技术可以只看表层的色素分子,而不是整个物体所有的色素。还有很多化学技术可以制造黑素体分子断片,这样你就不会将它们与其他东西搞混。同时,人们也在研究化石中的无机化学过程,并且试图还原关于颜色的相关证据。

因此,尽管漫长的时光会湮灭原本“光彩夺目”的信息,我们还是有希望看到很多古生物可能的样貌——哪怕只是其中很微小的一部分。

作者:Rachael Lallensack

编译:Bearkiii

编辑:EON、odette

编译来源: Smithsonian, How Do Scientists Know What Colors Prehistoric Animals Were?

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