化石復原圖

德國標本上的鱗片細節

英國標本
（神秘的地球uux.cn報道）據中國科學報（袁一雪）：古代生物的顏色對于現代人來說是個謎，雖然它們的大陸代蛾的確外形和體態可以通過化石中發現的骨骼判斷，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古生物研究所王博團隊在歐亞大陸中生代蛾類標本中發現了2億年前昆蟲結構色的本中確切證據，這是發現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。億年
漂洋過海尋標本
新證據來自一塊1985年發現的前昆切證蛾類昆蟲的翅膀化石——Archaeolepis mane。雖然發現時間不短，蟲結但是構色因為當時研究手段受限，所以科學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。雖然在光學顯微鏡下，他們并未有太多發現。但在掃描電鏡下，化石的細微結構無所遁形，研究人員一直尋找的蛾類翅膀的鱗片結構赫然出現在眼前。得到鱗片化石表面的三維光學結構后，研究人員通過數學模型計算，和現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“結構色”及其原貌。“它是金黃色，與現存澳大利亞的小翅蛾的顏色接近。”王博告訴《中國科學報》記者。
其實，Archaeolepis mane不是他們查找線索的唯一的化石，也不是唯一一個發現翅膀鱗片的化石。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現。其中，德國保存的距今約1.8億年的蛾類的“結構色”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構色非常復雜，所以是現代生物學和仿生學一個重要的研究熱點，但學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構。”南古所研究員王博在談及研究初衷時說。
曾經有國外學者研究過約4700萬年前的蛾類標本，并復原了該化石的結構色。但這次，王博等人則將年代向前推進了1.3億多年。
不僅翅膀鱗片結構復雜，而且昆蟲也是地球上物種數量最多的生物。在光的照射下，光線照射在蟲體表面的微觀結構上產生折射、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“結構色”。有些昆蟲翅膀的鱗片內部是中空的，被稱為鏤空型，有些鱗片則被填實，屬于融合型。曾經，科學家認為鏤空型的鱗片是最原始的，但在此次研究中，王博等人卻發現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中，它都是融合型的鱗片。”王博說。這項研究還證實了納米級的光學結構可以保存在中生代的琥珀、壓痕以及印模化石標本中，為復原遠古動物和植物的結構色打開了新的窗口。
2億年前的“色誘”
結構色的成功復原，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，直到被現代的科學家發現。
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構終于被中國科學家發現，讓絢麗的“土豪金”重現。
“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，我們就去當地博物館或者請國外合作者幫忙查看。”王博介紹說，“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，發現了七八塊保存較好的鱗片結構化石。“我們發現一個有意思的現象，就是盡管有的標本看起來很完整，但細節結構沒有被保存下來。有的標本看起來很破碎，但在掃描電鏡下，一些細節結構很清晰。”王博回憶說。
研究在繼續
被復原顏色的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。“現在，我們繼續利用相同的方法，復原其他昆蟲和蜘蛛的顏色，同時利用新的測試方法，嘗試復原昆蟲的色素色，即化學色。”王博說。
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合，形成很多昆蟲的綠色。“色素色就相當于人類穿的衣服，是由化學物質組成的。”王博解釋說。但是與產生結構色的納米級結構不同，化學物質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原。
“我們嘗試著用一些難以被降解的特殊元素去尋找線索。”王博說。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的顏色有密切關系”。
但這些元素經過時間的流逝，在昆蟲體內還存在多少，它們與最終呈現的顏色又有何關系，依然是困擾王博等人的問題。“現在，我們的工作已經完成了大半，初步的結果可以通過銅元素復原昆蟲身上的斑紋。接下來，我們還將通過與現在的昆蟲進行色素比對，再進一步得到新的證據。”王博補充說。
相關報道：新技術揭示2億年前昆蟲的真實顏色
（神秘的地球uux.cn報道）據中國科學院南京地質古生物研究所：通常化石只能保存生物的結構，對其顏色幾乎都是靠想象。然而，來自中、德和英三國的科學家們通過對昆蟲化石中結構色的研究，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日在線發表于美國《科學》（Science）雜志子刊《科學進展》（Science Advances）。
昆蟲是地球上物種數量最多的生物，展現了極其豐富的顏色。昆蟲顏色分為色素色（化學色）和結構色；其中結構色是光照射在蟲體表面的微觀結構上產生折射、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構，可以產生各種結構色。盡管許多動、植物可以產生結構色，但鱗翅目昆蟲的結構色是所有生物中最復雜、也是最豐富的。長期以來，學界對昆蟲化石鱗片的光學結構知之甚少，也限制了我們對鱗翅目和結構色的起源和早期演化的了解。
近期，中國科學院南京地質古生物研究所“現代陸地生態系統起源與早期演化研究團隊”利用新的分析技術，從歐亞大陸中生代蛾類標本中發現了結構色的確切證據，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調查。盡管這些標本先前已經報道并被研究過，但其中的鱗片結構卻被忽視了。團隊成員利用光學顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、激光共聚焦顯微鏡、三維光學建模等技術首次分析了這些化石中鱗片的微觀結構和可能的結構色。
本研究發現飄翅目昆蟲具有單層的融合型鱗片，外形為窄葉性，其形態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、超微結構以及排列方式上與現生最原始的鱗翅目（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。現生的鱗翅目高等類群多具有鏤空型鱗片：上、下分為兩層，中間有復雜的三維結構，而呈扁囊狀。
本研究發現侏羅紀的蛾類鱗片已經演化出魚骨狀的納米級光學結構，類似的精細結構只見于現生小翅蛾科部分種類。研究團隊利用化石鱗片數據，重建了鱗片微結構的三維光學模型，最終利用光學模擬軟件和大型機定量計算出化石蛾類產生的結構色。綜合證據表明，侏羅紀早期（約1.95億年前）的蛾類與現生小翅蛾非常類似，它們的翅膀鱗片已經具有較復雜的光學結構，可以產生銀色或金黃色的結構色。這不僅是已知最早的昆蟲真實顏色，也是最古老的昆蟲結構色，并將該記錄提前了至少1.3億年。
先前經典的發育生物學理論認為鏤空型鱗片是最原始的狀態，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為鱗翅目的基本構型特征。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于非鳥類恐龍。與之類似，本研究表明具結構色的翅膀鱗片（包括一些未知的鱗片類型）在鱗翅目出現之前就已經在一些原始類群（例如飄翅目）廣泛存在。
本研究也證實了納米級的光學結構可以保存在中生代的琥珀、壓痕以及印模化石標本中，為復原遠古動物和植物的結構色打開了新的窗口。
本項研究得到中國科學院和國家自然科學基金委的資助。南京地質古生物所繪圖師楊定華繪制了復原圖。
相關論文：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.

(責任編輯：休閑)