蔡晨陽(yáng)

當(dāng)今自然界五光十色，但是遠(yuǎn)古生物的顏色又是什么樣子的呢？古生物化石能保存它們?cè)镜念伾珕?？基于化石保存住了遠(yuǎn)古生物的皮膚和羽毛，古生物學(xué)家于是開始嘗試從皮膚和羽毛的超微結(jié)構(gòu)著手，尋找參與顏色形成的色素細(xì)胞或色素體，從而重建遠(yuǎn)古動(dòng)物的原始顏色。

2006年秋天，一位名叫Jakob Vinther的丹麥小伙子在做墨魚及其墨囊的特異埋藏學(xué)研究課題時(shí)，觀察到墨魚化石墨囊都以實(shí)體有機(jī)團(tuán)塊的形式保存，并且這些團(tuán)塊是由墨汁中的黑色素（Melanin）組成，與現(xiàn)代墨魚并無(wú)二致。由此觀察他大膽推測(cè)，化石黑色素的化學(xué)性質(zhì)似乎非常穩(wěn)定，能夠在億萬(wàn)年來(lái)長(zhǎng)期穩(wěn)定保存。繼而他聯(lián)想到，既然黑色素能在墨魚中保存，那么是不是也能在其他古生物中保存呢？若是如此，也許就可以恢復(fù)帶羽毛恐龍的顏色了。

有了想法之后，Jakob從丹麥博物館借到了帶毛的鳥化石來(lái)研究，借助掃描電子顯微鏡有了驚人的發(fā)現(xiàn)——在化石鳥羽上發(fā)現(xiàn)了大量排列規(guī)則、呈香腸狀的黑色素體。不久后，他與導(dǎo)師詳細(xì)研究了巴西產(chǎn)的白堊紀(jì)早期的鳥羽化石，利用掃描電子顯微鏡觀察這枚羽毛有黑白相間的橫條紋發(fā)現(xiàn)，黑斑處具有大量香腸狀結(jié)構(gòu)，而白斑處卻沒有，證明了這些香腸狀結(jié)構(gòu)應(yīng)該是含有真黑素（Eumelanin）的黑色素體。隨后，Jakob又研究了德國(guó)梅塞爾油頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)的鳥類羽毛，并發(fā)現(xiàn)了這類羽毛上存在結(jié)構(gòu)色。一系列研究成果發(fā)表之后，古生物學(xué)家都躍躍欲試，試圖在特異埋藏生物群中鳥類或帶毛恐龍的羽毛上發(fā)現(xiàn)黑色素體，進(jìn)而重建古鳥和恐龍的原始顏色。

2010年1月，由中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所周忠和院士和英國(guó)布里斯托大學(xué)Mike Benton會(huì)士領(lǐng)銜的中英科學(xué)家在《自然》（Nature）雜志報(bào)道了數(shù)種恐龍羽毛上保存有黑色素體，發(fā)現(xiàn)中華龍鳥的尾巴可分為深色、淡色兩種區(qū)帶，通過對(duì)羽毛痕跡中的黑色素體的大小、形態(tài)和排列方式的觀察，以及與現(xiàn)代鳥類羽毛中的黑色素體的比對(duì)研究，推測(cè)羽毛黑色素體在生前所代表的顏色呈現(xiàn)粟色或紅棕色。

2010年3月，由Jakob帶領(lǐng)的中美團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》（Science）上報(bào)道了他們利用幾乎一樣的原理和方法，完整恢復(fù)了一種小型獸腳類恐龍——赫氏近鳥龍的全身羽毛顏色。成果一經(jīng)發(fā)表，引起學(xué)界巨大轟動(dòng)，掀起了對(duì)遠(yuǎn)古動(dòng)物黑色素體和顏色重建的研究熱潮，一些恐龍、魚龍、蛇類等遠(yuǎn)古動(dòng)物的顏色很快被重建出來(lái)。

包括恐龍?jiān)趦?nèi)的古脊椎動(dòng)物，一直是古生物研究的明星。在恐龍和古鳥顏色的重建研究浪潮帶動(dòng)下，古生物學(xué)家隨后也開始關(guān)注地球上生物多樣性最高的昆蟲。

與Jakob同屬一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者M(jìn)aria McNamara，于2011年底報(bào)道了在德國(guó)梅塞爾油頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)的一只4700萬(wàn)年前的蛾子。通過對(duì)其翅膀上小鱗片超微結(jié)構(gòu)觀察，他們發(fā)現(xiàn)這些鱗片包含多層反射膜的構(gòu)造，當(dāng)光線以相同的角度在這一結(jié)構(gòu)的不同層面被反射時(shí)，可以產(chǎn)生一種單一的可見光，并推測(cè)翅膀上的顏色能夠幫助蛾子在可能的捕食者（如蝙蝠）面前隱藏起來(lái)，避免被取食。這項(xiàng)研究證明捕食者和被捕食者之間進(jìn)行的“軍備競(jìng)賽”可以追溯到4700萬(wàn)年之前。

一年之后，Maria團(tuán)隊(duì)又報(bào)道了一批距今4700萬(wàn)—1500萬(wàn)年前的甲蟲化石，通過掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，這種原始的帶有金屬光澤的顏色歸功于位于昆蟲外表皮的多層反射膜上的納米結(jié)構(gòu)，它們形成了一種典型的結(jié)構(gòu)色。這種結(jié)構(gòu)的存在正是金屬光澤顏色能夠在地質(zhì)歷史時(shí)期長(zhǎng)期保存的原因。但是，他們模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，甲蟲化石比它們?cè)镜念伾约t一些（波長(zhǎng)更長(zhǎng)）。因此化石甲蟲并沒有完全保存原始顏色。

2018年4月，中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物所研究員王博團(tuán)隊(duì)報(bào)道了來(lái)自英國(guó)、德國(guó)、哈薩克斯坦和中國(guó)的侏羅紀(jì)蛾類標(biāo)本，以及白堊紀(jì)緬甸琥珀中飄翅目（蝴蝶、蛾的遠(yuǎn)祖）昆蟲。利用多種顯微成像技術(shù)、三維光學(xué)建模等技術(shù)方法，分析了這批化石中鱗片的微觀結(jié)構(gòu)和可能的結(jié)構(gòu)色。研究發(fā)現(xiàn)，侏羅紀(jì)的蛾類鱗片已演化出魚骨狀的納米光學(xué)結(jié)構(gòu)，形成了衍射光柵，類似于現(xiàn)生小翅蛾。結(jié)合鱗片的形貌數(shù)據(jù)和模型模擬計(jì)算出化石蛾類的結(jié)構(gòu)色，它們可以產(chǎn)生銀色或金黃色。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)代表了已知最古老的昆蟲結(jié)構(gòu)色，并將該記錄提前了至少1.3億年。

近些年，筆者研究團(tuán)隊(duì)對(duì)距今約一億年前白堊紀(jì)緬甸琥珀中大量的具金屬色彩的昆蟲進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)純凈而強(qiáng)烈的顏色可直接在多種昆蟲體表保存下來(lái)。

此外，還通過光學(xué)理論模型，證明其反射波長(zhǎng)與肉眼觀察到的昆蟲顏色的波長(zhǎng)接近，說明琥珀昆蟲身體顯現(xiàn)的顏色可能是原始顏色，證明了超微納米級(jí)的光學(xué)結(jié)構(gòu)是可以在地質(zhì)歷史時(shí)期中穩(wěn)定保存下來(lái)的，否定了前人所說的昆蟲金屬色不能在中生代化石中保存的觀點(diǎn)。

同時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象：一億年前琥珀中看似能夠永久保存的結(jié)構(gòu)色并不是保持不變的。琥珀昆蟲在前期加工（如切割、打磨和拋光等）過程中，其中任一小部分結(jié)構(gòu)受到損壞，導(dǎo)致其與空氣或水分接觸，它的色彩便會(huì)在短期內(nèi)（幾天或幾周）變成純銀色，但金屬光澤仍可保留，并且這種變化是不可逆轉(zhuǎn)的。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)解釋了緬甸琥珀乃至其他琥珀中銀色昆蟲的形成原因，以及對(duì)琥珀昆蟲形態(tài)特征的正確描述均有借鑒意義。

琥珀昆蟲的結(jié)構(gòu)色有什么用呢？一般認(rèn)為，較常見的綠色很可能是身處茂密森林環(huán)境中的昆蟲的隱蔽色，它幫助昆蟲隱匿自身，從而躲避捕食者。另外，結(jié)構(gòu)色還能參與昆蟲的熱調(diào)節(jié)。因此，不同種類昆蟲身上發(fā)現(xiàn)的不同色彩的結(jié)構(gòu)色在一定程度上表明了白堊紀(jì)中期森林中已經(jīng)存在復(fù)雜的生態(tài)關(guān)系。

以恐龍為代表的遠(yuǎn)古脊椎動(dòng)物羽毛顏色的重建是當(dāng)今古生物學(xué)研究的熱點(diǎn)，而人們對(duì)古無(wú)脊椎動(dòng)物顏色的研究還不夠深入和廣泛。作為一種非常特殊的化石保存形式，琥珀為我們了解遠(yuǎn)古昆蟲原始結(jié)構(gòu)色提供了獨(dú)一無(wú)二的窗口。隨著更多保存精美化石的發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)、新方法在琥珀化石研究中的應(yīng)用，相信更多遠(yuǎn)古動(dòng)物顏色的奧秘會(huì)被揭開。