一億年前我還在恐龍背上，閃耀著金屬光澤

金鳳

從孔雀羽毛的艷光四射，到毒箭蛙的明亮警告色，再到北極熊的白色偽裝，大自然中，生龍活虎的動物用各種體色演示著進化道路上的生存心得。昆蟲作為地球上物種數量最多的動物，更是擁有著極其豐富的色彩。不過，當這種絢爛的色彩融入漫長的時間，成為化石，便從此黯淡無光。

化石中很少保有生物的色彩細節，大多數古生物復原圖中的色彩，其實都是根據藝術家的想象重建出來的。2020 年，來自中國科學院南京地質古生物研究所的研究團隊，揭開了近一億年前的昆蟲真實色彩的秘密，為人們了解白堊紀雨林中與恐龍共存的昆蟲，提供了新的視角。

化石中的古生物顏色難覓蹤跡

自然界中的顏色主要有3個來源：生物發光、色素色和結構色。色素色也被稱為化學色，而結構色也稱物理色，是光照射在物體表面的納米級組織結構上產生反射、折射、衍射及干涉而形成的，是自然界中最純凈、最強烈的顏色。

由于化石保存等因素的局限，上述顏色很容易在長期的化石埋藏作用中丟失。也正因如此，對古生物的顏色復原一直是一項很復雜的工作。

此次研究的第一作者與通訊作者、中國科學院南京地質古生物研究所（以下簡稱中科院南古所）副研究員蔡晨陽介紹，動物的結構色有多種來源，最普遍的是動物體表的多層反射膜，常見于金龜、蒼蠅、吉丁蟲；還有的來自衍射光柵，常見于孔雀羽毛、藍閃蝶；光子晶體是比較少見的一種，例如一些呈現歐寶色的象甲科昆蟲。

“化石中的結構色，可以為生物間的視覺交流和顏色的功能演化等提供重要證據。此前，有學者曾在距今約5000萬年前的始新世的印痕化石（即生物遺體的軟體部分在沉積物中留下的印跡，遺體雖已消失，但印痕得以保存）里，發現過與顏色相關的昆蟲的納米結構。但是，上溯到一億年前的昆蟲，是否已經演化出結構色一直成謎。此前我們也沒有在這個時期的化石中發現過顏色鮮艷的昆蟲。而在之前的研究文獻中，很多學者認為，中生代的結構色也很難保存下來。”蔡晨陽說。

在當時，學術界的普遍觀點認為，不管是色素色還是結構色，在化石中，它們都難覓蹤跡。中科院南古所研究員王博介紹：“色素色是一種化學色，它在動物死后，很快會降解，所以很難保存下來；而結構色雖然有納米結構，但經過高溫高壓的地質演變、腐蝕，結構也會被破壞，導致褪色、變色。”

不過，科學家總能找到古生物顏色的蛛絲馬跡，他們利用動物體表極薄的蠟層、溝、縫以及黑色素體等結構，與現生動物做對比，以此來重建或推測古代動物的顏色。

2018年，王博與德國、英國的科學家團隊聯合刊文稱，他們發現侏羅紀（距今1億9960萬年-1億4550萬年）的蛾類鱗片已經演化出魚骨狀的衍射光柵等光學結構。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計算機，定量計算出化石蛾類產生的結構色，推測出這類蛾的鱗片能夠產生銀色或金黃色。2010年，中國、英國和愛爾蘭等三國科學家，曾在《自然》刊文稱，他們在中國熱河生物群（距今2億-1.4億年前生活在東亞的一個古老生物群）的鳥類和帶毛的恐龍中發現兩種黑色素體，將黑色素體的形狀和排列方式與現代鳥類做對比后推測出，這些帶毛的恐龍和古鳥類的身體已經具有了以灰色、褐色、黃色以及紅色為主要色彩的基礎結構。

多層反射膜讓昆蟲顏色保存億年

如何從結構色中發現遠古昆蟲的顏色演化之謎，對蔡晨陽來說，源自2015年的一次啟發。那年，他在美國一家博物館看到桌上擺放著給小朋友科普用的昆蟲標本，是介紹色素色和結構色的，他頓時被吸引住了。回國之后，他開始整理昆蟲體表有金屬光澤的琥珀樣本。

歷經多年，他和中科院南古所泮（pàn）燕紅研究員帶領的研究團隊從距今9900萬年的白堊紀中期的約4萬枚琥珀中，挑選出了35枚化石。這些化石全部來自緬甸北部的一處礦山，其中的昆蟲都保存著精美的金屬光澤。

在顯微鏡下，研究團隊發現，這35塊琥珀化石中的昆蟲，包括膜翅目、鞘翅目和雙翅目，至少有7個科，其中絕大部分標本屬于膜翅目青蜂科，少部分屬于鞘翅目隱翅蟲科、蠟斑甲科，以及雙翅目的水虻科。“我們用50納米的刀，對其中的兩塊琥珀做了幾微米的超薄切片，又用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡分析發現，一種青蜂科昆蟲胸部表面的藍綠色是由多層重復出現的納米級構造組成的，也就是多層反射膜。”蔡晨陽說。在顯微鏡下，他們發現一只青蜂體表有6層反射膜，每一層的厚度約為100納米。

“根據每層膜的厚度和折射率等參數可以計算出，這6層膜的反射波長在514納米左右，也就是綠色，這與我們在顯微鏡下肉眼看到的化石青蜂的綠色是接近的。而在另一塊切片琥珀中的青蜂，體表是沒有金屬光澤的黑色，我們在顯微鏡下發現，這只青蜂的多層反射膜出現了褶皺，也就是結構被破壞了，這證實了多層反射膜是產生結構色的直接原因，且昆蟲體表的顏色可能就是原始顏色，但也不排除顏色發生過微小變化。”蔡晨陽說。

這批琥珀中，大部分昆蟲的全身或是部分身體結構呈現出強烈的具金屬光澤的綠色、藍色、藍綠色、黃綠色或藍紫色。通過與古生、現生物種的對比研究，研究團隊發現，這些化石昆蟲對應的現生屬種有類似的帶有金屬光澤的顏色。“這次發現直接證明了多層反射膜能夠在長期地質歷史中穩定保存，否定了前人關于昆蟲金屬色不能在中生代化石中保存的觀點，并對我們認識早期昆蟲結構色生態功能的演化，具有重要意義。”蔡晨陽說。

古老昆蟲顏色的形成機制還需探究

值得一提的是，這批緬甸琥珀昆蟲中，看似能永久保存的彩色金屬結構色，并不是恒定不變的。

蔡晨陽說，若琥珀昆蟲在切割、打磨和拋光等前期準備過程中，任一小部分結構受到損壞，使其與空氣或水分接觸，其顏色便會在短期內變成單一的銀色，但金屬光澤仍可保存，而且這種變化是不可逆轉的。這一發現為揭示緬甸琥珀乃至其他琥珀中銀色昆蟲的形成原因，以及對早期昆蟲特征的認定和描述，均具有重要的參考價值。

“不過，現代有一種金龜子，體表也呈現為銀色，它的多層反射膜是由內而外逐漸變厚的，這與我們此次研究中昆蟲變成銀色的形成機制不同。這兩種機制分別是由什么原因造成的，多層反射膜的厚度和折射率會不會隨著時間的推移而變化，還需要繼續探究。”蔡晨陽說。

琥珀昆蟲的結構色有著重要的生態意義。比如其中較為常見的綠色，很可能是在茂密森林環境中的一種隱蔽色，能幫助昆蟲隱匿自身從而躲避捕食者。另外還有一種可能性，那就是結構色參與了昆蟲的熱調節。因此，不同色彩的結構色出現在不同種類的昆蟲中，在一定程度上暗示著，白堊紀中期的森林中已經存在著復雜的生態關系。

蔡晨陽說，未來他們還將關注更古老的昆蟲化石，去了解它們的體表是否已經進化出結構色——例如侏羅紀甲蟲是否也有多層反射膜，由此為發現、重建更古老昆蟲的顏色提供原始依據。在他看來，發現并運用結構色對當下的生活也有借鑒意義。“例如3D 打印，就可以參照結構色的結構進行打印，不使用顏料就能呈現多種色彩，既節省資源，又能減少對環境的污染。”

本文內容來自《科技日報》