青蜂化石表面结构颜色变化前后的对比图

来源:科技日报

白垩纪缅甸琥珀中具有金属色结构色的昆虫 受访者供图

青蜂化石表面结构颜色变化前后的对比图 受访者供图

此前，一些学者在5000万年前的新世印记化石中发现了与颜色相关的昆虫纳米结构，但1亿年前昆虫是否演变出结构颜色一直是个谜。

从孔雀羽毛的明亮，到毒箭蛙的明亮警告色，再到北极熊的白色伪装。在动物王国里，活泼的动物用各种体色来掩盖各种体色“心机”。

昆虫是地球上物种最多的生物，颜色极其丰富。它们的颜色分为色素色和结构色。具有金属光泽的甲虫壳、蝴蝶或飞蛾闪闪发光的鳞片是典型的结构色。然而，当这种华丽融化成化石时，它就会变得暗淡。

目前，生物的颜色细节很少保存在化石中，地质史上原始结构颜色的证据极为罕见。大多数古生物恢复图片都是根据艺术家的想象力重建的。

近日，中国科学院南京地质古生物研究所(以下简称中国科学院南古研究所)科研团队揭露了近1亿年前昆虫真实色彩的秘密。在系统地研究了白垩纪缅甸琥珀中的金属昆虫后，他们发现纯净而强烈的颜色可以直接保存在昆虫的表面，奥秘隐藏在昆虫表面的特殊纳米结构中。相关研究最近在英国皇家学会在线发表—B这为白垩纪雨林中与恐龙共存的昆虫提供了新的视角。

化石中很难找到古生物的颜色

自然界中的颜色主要有三种来源，即生物发光、色素颜色和结构颜色。结构颜色是光照射在昆虫表面的微观结构上的折射、衍射和干扰，是自然界中最纯净、最强烈的颜色。

由于化石保存等因素的限制，古生物的色彩恢复一直是一项非常复杂的工作。

中国科学院南古研究所第一作者、通讯作者、副研究员蔡晨阳告诉《科技日报》，动物结构颜色也有多种来源，最常见的是动物表面的多层反射膜，常见于龟、苍蝇、吉丁虫；衍射光栅，孔雀羽毛、蓝蝴蝶；光子晶体是一种罕见的，如欧宝象甲。

“化石中的结构色可以为生物之间的视觉交流和颜色的功能演变提供重要证据。此前，一些学者在大约5000万年前的始新世印记化石中发现了与颜色相关的昆虫的纳米结构。然而，追溯到1亿年前的昆虫，它们是否已经演变成结构颜色已经成为一个谜。在此期间，我们在化石中没有发现明亮的昆虫。在以往的研究文献中，许多学者认为中生代的结构颜色很难保存。”蔡晨阳说。

目前，学术界普遍认为，无论是色素色还是结构色，都很难在化石中找到痕迹。中国科学院南古研究所研究员王波向记者介绍：“色素颜色是一种化学颜色，在动物死亡后迅速降解，难以保存；虽然结构颜色有纳米结构，但经过高温高压地质演变和腐蚀后，结构也会被破坏，导致褪色和变色。”

然而，科学家总能找到古生物颜色的线索。他们利用动物表面的薄蜡层、沟渠、接缝和黑色素体与现代动物进行比较，重建或推测古代动物的颜色。

2018年，王波与德国和英国的科学家团队联合发表了一篇文章，称他们发现侏罗纪的蛾鳞已经演变成了鱼骨衍射光栅和其他光学结构。该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，最终使用光学模拟软件和计算机定量计算了化石蛾产生的结构颜色，并推测该蛾的鳞片将产生银色或金黄色。

2010年，中国、英国、爱尔兰等三国科学家在《自然》一文中表示，他们在中国热河生物群的鸟类和毛发恐龙中发现了两种黑色素体，并将黑色素体的形状和排列与现代鸟类进行了比较，推测这些毛发恐龙和古鸟的身体已经以灰色、棕色、黄色和红色为主要颜色。

多层反射膜保存昆虫色数亿年

对于蔡晨阳来说，如何从结构颜色中发现古代昆虫颜色演化的谜团来自2015年的一个灵感。那一年，他在美国的一家博物馆里看到了一个昆虫标本，用于儿童科学，介绍了色素颜色和结构颜色，他立刻被吸引住了。回到中国后，他开始整理琥珀中昆虫表面的金属光泽样本。

多年后，他和中国科学院南古研究所潘燕红研究员领导的研究团队从9900万年白垩纪中期约4万颗琥珀中挑选了35颗化石。这些化石都来自缅甸北部的一个矿山，昆虫保持着精致的金属光泽。

在显微镜下，研究小组发现，这35种琥珀化石昆虫至少有7个科目，包括膜翅目、鞘翅目和双翅目，其中大部分标本属于膜翅目青蜂科，少数属于鞘翅目隐翅虫科、蜡斑甲科和双翅目水蝇科。

“我们用50纳米刀对其中两个琥珀做了几微米的超薄片，用扫描电子显微镜和透射电子显微镜分析发现，青蜂科昆虫胸部表面的蓝绿色由多层重复纳米结构组成，即多层反射膜。”蔡晨阳说，在显微镜下，他们发现青峰体表有6层反射膜，每层厚度约100纳米。

“根据每层膜的厚度和折射率，这6层膜的反射波长约为514纳米，即绿色，接近我们在显微镜下肉眼看到的绿色化石蜂。另一片琥珀中的青蜂表面是黑色的，没有金属光泽。我们在显微镜下发现，青蜂的多层反射膜起皱，即结构损坏，这证实了多层反射膜是产生结构颜色的直接原因，昆虫表面的颜色可能是原始颜色，但不排除颜色的微小变化。”蔡晨阳说。

在这些琥珀中，大多数昆虫的全身或部分身体结构呈现出强烈的金属光泽绿色、蓝色、蓝绿色、黄绿色或蓝紫色。通过与古生物和现生物种的比较研究，研究小组发现，这些化石昆虫对应的现生物种也有类似的金属光泽颜色。这一发现直接证明了中生代昆虫明亮的结构颜色是可以保存的。

“这一发现直接证明了多层反射膜可以在长期的地质历史中稳定保存，否认了前人对昆虫金属色不能保存在中生代化石中的看法，对了解早期昆虫结构色生态功能的演变具有重要意义。”蔡晨阳说。

还需要探讨古老昆虫的色彩形成机制

值得一提的是，缅甸琥珀昆虫中可以永久保存的彩色金属结构颜色并没有保持不变。蔡晨阳说，如果琥珀昆虫在切割、抛光和抛光的早期准备过程中损坏一小部分结构，接触空气或水，其颜色将在短期内变成单银，但金属光泽仍然可以保存，这种变化是不可逆转的。这一发现对揭示缅甸琥珀甚至其他琥珀中银昆虫的形成、识别和描述早期昆虫特征具有重要的参考价值。

“不过，现代有一种金龟子，体表也呈现为银色，但它的多层反射膜是由内而外逐渐变厚的，这与我们此次研究中昆虫变成银色的形成机制不同，这两种机制各是由什么造成的，多层反射膜的厚度和折射率会不会随着年代而变化，还需要继续探究。”蔡晨阳说，琥珀昆虫的结构颜色具有重要的生态意义，更常见的绿色可能是茂密森林环境中的隐藏颜色，可以帮助昆虫隐藏自己，避免捕食者。此外，结构色参与昆虫热调节的可能性不能完全排除。因此，不同颜色的结构颜色出现在不同种类的昆虫中，这在一定程度上表明白垩纪中期森林中存在着复杂的生态关系。

蔡晨阳说，在未来，他们还将关注更古老的昆虫化石，了解它们的表面是否已经进化出结构颜色，如侏罗纪甲虫是否也有多层反射膜，为发现和重建更古老昆虫的颜色提供原始依据。

在他看来，结构色的发现和运用对当下的生活也有借鉴意义，“例如3D可参照结构色的结构进行打印，而不使用颜料，以节约资源，减少对环境的污染。”