來源：科學日報
科學家揭示了琥珀中白垩紀昆蟲的真色
為什麼這些昆蟲在1億年後仍然可以"帶來自己的光"
此前，學者們已經在5000萬年前新大陸之初的化石中發現了與顔色相關的昆蟲納米結構，但昆蟲是否在1億年前進化出結構顔色仍然是一個謎。
從孔雀羽毛的明亮光芒，到毒箭蛙的明亮警告顔色，再到北極熊的白色僞裝。在動物王國中，活龍虎的動物用各種體色來隐藏各種"心機"。
昆蟲是地球上最豐富的物種，并表現出極其豐富的顔色。它們的顔色分為顔料和結構色，金屬甲蟲殼，蝴蝶或飛蛾閃閃發光的鱗片是典型的結構顔色。然而，當這個華麗的融化成化石時，從現在開始它将變得沉悶。
目前，化石很少保留生物的色彩細節，地質史上原始結構色彩證據極為罕見，大多數古生物學修複圖都是基于藝術家的想象。
近日，中國科學院南京地質古生物研究所（以下簡稱中國科學院南谷研究所）的科學團隊，揭開了近1億年前昆蟲真色的秘密。他們對白垩紀緬甸琥珀中金屬昆蟲的系統研究表明，純淨而強烈的顔色可以直接儲存在昆蟲體表中，并且神秘隐藏在昆蟲體表内的特殊納米結構中。這項研究線上發表在《皇家學會會刊》上，為白垩紀雨林中與恐龍共存的昆蟲提供了新的視角。
古生物學的顔色在化石中很難找到
自然界中顔色有三種主要來源，即生物發光，顔料顔色和結構顔色。結構顔色是通過光照射到昆蟲表面的微觀結構上而形成的，産生折射，衍射和幹涉，是自然界中最純淨，最強烈的顔色。
由于化石儲存等因素的限制，古生物學色彩的恢複一直是一項複雜的任務。
該研究的第一作者，中國科學院南谷研究所副研究員蔡晨陽告訴《科技日報》，動物結構顔色也來自各種來源，最常見的是動物表面的多層反射膜，常見于金龜，蒼蠅和食腐昆蟲;
"化石中的結構顔色可以為生物體之間的視覺交流和顔色的功能進化提供重要證據。此前，學者們已經在大約5000萬年前的印度世界印記化石中發現了與顔色有關的昆蟲的納米結構。然而，可追溯到1億年前的昆蟲是否已經進化出結構顔色一直是個謎，我們以前也沒有在這一時期的化石中發現色彩鮮豔的昆蟲，許多學者認為Mesopox的結構顔色很難儲存。"蔡晨陽說。
目前，學術界的普遍觀點是，無論是有色的還是結構性的，都很難在化石中找到痕迹。中國科學院南方古代研究所研究員王波告訴記者："顔料顔色是一種化學顔色，在動物死亡後會迅速降解，是以很難儲存，而且雖然結構顔色具有納米結構，但經過高溫高壓地質演化， 腐蝕，結構也會被破壞，導緻變色，變色。"
然而，科學家總能找到古生物學顔色的線索，使用極薄的蠟層，溝渠，接縫和黑色素體等結構與活體動物進行比較，重建或推測古代動物的顔色。
2018年，王波和一組德國和英國的科學家表示，他們發現侏羅紀鱗片已經進化出魚骨狀衍射光栅等光學結構。利用化石鱗片資料，研究小組重建了鱗片微觀結構的三維光學模型，最終利用光學模拟軟體和計算機量化計算出化石胴體産生的結構顔色，并推測鱗片的鱗片會産生銀或金。
2010年，來自中國、英國和愛爾蘭的科學家在《自然》雜志上報道，他們在中國熱河生物群和毛茸茸的恐龍的鳥類中發現了兩種黑色素，并将近戰的形狀和排列方式與現代鳥類進行了比較，推測這些毛茸茸的恐龍和古鳥類的身體已經有了灰色的基底， 棕色，黃色和紅色。
多層反射膜使昆蟲的顔色可以儲存數億年
古代昆蟲如何在結構顔色中進化的奧秘受到蔡晨陽2015年的一項研究的啟發。那一年，當他在美國一家博物館的兒童科學桌上看到昆蟲标本時，他突然被吸引，這些标本引入了顔料和結構顔色。回來後，他開始整理琥珀中昆蟲屍體的金屬樣本。
多年來，他和他的團隊在中國科學院南谷研究所的燕虹研究人員的帶領下，從白垩紀中期的約4萬顆琥珀中挑選了35塊化石，這些化石可以追溯到9900萬年前。這些化石全部來自緬甸北部的一個礦井，那裡的昆蟲保留了細膩的金屬光澤。
在顯微鏡下，研究小組發現，包括膜鳍、翅眼和雙鳍在内的35種琥珀化石昆蟲至少有七個分支，其中絕大多數屬于膜翅蜂，少數屬于有翅眼隐居、蠟斑甲蟲和雙翅水獺。
"我們用50nm刀制作了幾微米的兩片琥珀超薄切片，并使用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡發現，綠色蜂蟲胸面上的藍綠色是由多層反複出現的納米級結構組成的，即多層反射膜。蔡說，在顯微鏡下，他們發現了一個藍色的峰體，上面有六層反射膜，每層約100納米厚。
"根據每層薄膜的厚度和折射率等參數，可以計算出這六層的反射波長約為514納米，即綠色，類似于我們在顯微鏡下肉眼看到的化石綠蜂的綠色。在另一片琥珀中，體面沒有金屬光澤的黑色，我們在顯微鏡下發現，這隻綠蜂的多層反光膜出現了褶皺，即結構被破壞，這證明了多層反光膜是直接原因造成的結構顔色，而昆蟲體表的顔色可能是原來的顔色， 但也不排除顔色的微小變化。"蔡晨陽說。
在這批琥珀中，昆蟲的整個身體或其身體結構的一部分呈現出強烈的金屬綠色，藍色，藍綠色，黃綠色或藍紫色。通過将這些化石昆蟲與古今物種進行比較，研究小組發現這些化石昆蟲的現存屬也具有相似的金屬色。這一發現直接證明了可以保留同種性昆蟲明亮的眼睛結構顔色。
"這一發現直接證明了多層反射膜在長期地質史上是可以穩定儲存的，否定了以往昆蟲金屬色不能在中層化石中儲存的信念，對了解早期昆蟲結構生态功能的演化具有重要意義。"蔡晨陽說。
古代昆蟲的色彩形成機制有待探索
值得一提的是，這群緬甸琥珀昆蟲的彩色金屬結構，似乎永久儲存下來，并不是恒定的。蔡晨陽說，如果琥珀蟲的結構在預制備過程中有任何一小部分被破壞，比如切割、抛光、抛光，使其與空氣或水分接觸，其顔色很快就會變成單一的銀色，但金屬光澤仍然可以保留下來，變化是不可逆轉的。這一發現對于揭示緬甸琥珀和其他琥珀中銀蟲形成的原因，以及識别和描述早期昆蟲的特征具有重要的參考價值。
"不過，現代有一種金龜，體表也呈現為銀，但其多層反光膜卻由内而外逐漸變厚，這與我們研究中昆蟲變成銀的形成機理不同，是什麼原因造成了這些機制，多層反光膜的厚度和折射率不會随着年齡的增長而改變， 需要繼續探索。蔡說，琥珀色昆蟲的結構顔色具有重要的生态意義，更常見的綠色很可能是茂密森林環境中的隐藏顔色，有助于昆蟲隐藏自己免受捕食者的侵害。此外，不能完全排除結構顔色參與昆蟲熱調節的可能性。是以，不同種類的昆蟲出現不同顔色的結構顔色，在一定程度上表明，白垩紀中期的森林中已經存在複雜的生态關系。
蔡說，未來，他們還将觀察較老的昆蟲化石，看看它們的體表是否已經進化出結構顔色，比如侏羅紀甲蟲是否也有多層反射膜，為發現和重建老蟲的顔色提供了原始依據。
在他看來，結構色彩的發現和使用，對于當下的生活也具有參考意義，"例如，3D列印可以指結構彩色印刷的結構，無需使用顔料，以節約資源，減少環境污染。"