霍云吉
翻開一本滅絕動物圖集,你能看到許多長相奇特的動物:身懷巨鉗的紅色奇蝦、長著螺旋狀牙齒的藍(lán)色旋齒鯊、兩對翅膀的亮黑色小盜龍等。在感嘆它們的神奇外貌的同時,你有沒有想過,它們真的長這樣嗎?科學(xué)家們怎么知道的呢?
從化石中尋找色彩
奇蝦的大鉗子、旋齒鯊的螺旋齒和小盜龍的兩對翅膀雖然很不可思議,不過這確實是有事實依據(jù)的,畢竟這些結(jié)構(gòu)都栩栩如生地保存在化石中。但是,化石都是灰撲撲的,科學(xué)家們怎么從中看出了奇蝦的紅色、旋齒鯊的藍(lán)色和小盜龍的“五彩斑斕的黑色”呢?
這些遠(yuǎn)古的滅絕動物,我們自然是找不到繪畫作品和影像資料了,那么只能直接參考現(xiàn)代動物。比如現(xiàn)代鯊魚多是灰藍(lán)色的,這是它們在海洋中的保護(hù)色,因此科學(xué)家推測旋齒鯊是藍(lán)色的。奇蝦是蝦蟹類的祖先,想象圖中常將它繪成帝王蟹的顏色——紅色。當(dāng)然,這種方法是不那么準(zhǔn)確的,直到本世紀(jì)初,科學(xué)家們才找到了推測古生物膚色的靠譜方法。
如果問你,植物的葉子為什么是綠色的?你可能馬上會告訴我,因為它們具有葉綠體。動物雖然沒有葉綠體,但是卻有另一種色素體——黑素體。2006年,英國布里斯托大學(xué)的生物學(xué)家雅各布·文特爾首次發(fā)現(xiàn)了這種色素體。在研究一塊2億歲的烏賊墨囊化石時,文特爾看到烏賊細(xì)胞中有一個個含有許多黑色顆粒的液泡,他將之命名為黑素體。這些黑素體中裝的就是烏賊的墨汁,因為黑素體的存在,整個墨囊都呈黑色。文特爾又觀察了許多鳥類的羽毛,同樣在細(xì)胞中找到了類似的液泡,經(jīng)過認(rèn)真觀察,文特爾將黑素體分為兩種:一種為卵圓形,制造黑色色素;一種為球形,制造鐵銹紅色的色素。在鳥羽中,這些不同的黑色素相互混合,最終調(diào)配成灰、棕、白等顏色。
既然兩億年前的烏賊化石中還能清楚看到黑素體的結(jié)構(gòu),那么其他動物的化石是不是也能看到黑素體呢?答案是肯定的,2010年,包括文特爾在內(nèi)的多位古生物學(xué)家首次在中華龍鳥(一種小型食肉恐龍)的羽毛化石上發(fā)現(xiàn)了黑素體。為了還原中華龍鳥的顏色,科學(xué)家們需要在動物化石的頭部、背部、腹部、四肢等各個部位取樣,分析黑素體的形狀和各處的分布密度等,然后再與現(xiàn)存鳥類的黑素體結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比,如果吻合比較多就是顏色大多一致。比如,現(xiàn)代鳥類的黑色羽毛中的黑素體是長軸黑素體,如果化石中某處的羽毛也具有這樣的黑素體,就說明該部位羽毛的顏色跟現(xiàn)代鳥類的黑羽類似。這樣,科學(xué)家們最終還原出中華龍鳥的樣子,它的毛發(fā)呈現(xiàn)粟色或紅棕色,尾巴則是橙白兩色相間,整體“膚色”與松鼠類似。
除了黑素體,動物體內(nèi)還有一些其他的色素,比如血紅素和胡蘿卜素等,可是這些色素沒有專門的細(xì)胞結(jié)構(gòu)儲存,在化石形成過程中很容易降解,而且一旦降解就幾乎無法復(fù)原,所以在化石中幾乎看不到這些彩色色素。不過,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),很多色素都與某些金屬原子有關(guān),比如血紅素的中心元素是鐵,合成真黑色素的酶需要銅元素等。因此如果在化石中發(fā)現(xiàn)了相關(guān)元素,也可以據(jù)此推測該部位的體色。
“五彩斑斕的黑”是什么黑
其實,如果你認(rèn)真觀察,你會發(fā)現(xiàn)生物的體色并不是單一的顏色。在光線照射下,生物體色往往是深淺不一的,這是因為,體色并不完全由色素決定,還與身體結(jié)構(gòu)有關(guān)。不同的身體部位的微結(jié)構(gòu)會影響光線的穿透路徑和反射程度,過濾或反射特定波長的光線,這樣我們就會看到不同的色彩??茖W(xué)家們將這種由于身體結(jié)構(gòu)不同而產(chǎn)生的顏色稱為結(jié)構(gòu)色,結(jié)構(gòu)色比色素色的色彩要鮮艷和豐富很多。
甲蟲是結(jié)構(gòu)色的典型代表,幾十只甲蟲放在一處,都幾乎找不到顏色相同的兩只,讓人不敢相信這些“膚色”也是由幾種相同的色素產(chǎn)生的。愛爾蘭考克大學(xué)的古生物學(xué)家瑪利亞·麥克納馬拉及其團(tuán)隊研究了約600種不同昆蟲的化石,發(fā)現(xiàn)這些昆蟲的外骨骼(昆蟲特有的一種覆蓋全身的堅硬的外部結(jié)構(gòu))是由很多僅100納米厚的薄層堆疊而成的。這些薄層對光線的反射程度不同,層數(shù)越多,所顯示出的顏色越鮮亮。因此,盡管色素組成相同,甲蟲的膚色也不會一模一樣。
小盜龍是多彩結(jié)構(gòu)色的另一個代表。在小盜龍的化石中,來自北京大學(xué)、美國得克薩斯大學(xué)等多國的研究者們也只找到了黑素體這一種色素,但是他們認(rèn)為,小盜龍的“黑皮膚”不是單純的黑色,而是一種能反射出多彩色澤的“五彩斑斕的黑色”,這得益于黑素體的納米結(jié)構(gòu)。
研究者們從小盜龍的各個部位取了26個樣品,掃描得到了這些部位的黑素體的結(jié)構(gòu)和分布圖,然后將它們與現(xiàn)代鳥類的彩虹色羽毛的黑素體進(jìn)行對比。數(shù)據(jù)分析表明,彩虹色羽毛部位的黑素體比黑灰色羽毛的黑素體要更加細(xì)長且排布更加規(guī)律,而小盜龍的26個樣本中,排除沒有檢測到黑素體的7個樣本,剩余的19個樣本中有13個都具有與彩虹色羽毛的黑素體相同的形態(tài)和排布方式。據(jù)此,研究者們得出了結(jié)論,小盜龍的黑色羽毛在不同的光照角度下會折射出藍(lán)、綠、紅、黃等多種色彩。
膚色不同,生境不同
看到這里,想必你也看出來了,推測古生物的膚色確實是一個困難的工作,而且很可能因為結(jié)構(gòu)不全而得到錯誤的答案,那么有什么方法能驗證一下結(jié)論嗎?
在對現(xiàn)代生物的研究中,我們發(fā)現(xiàn),生物的膚色與生境有很大的關(guān)系,比如兩極地區(qū)白色的北極熊、熱帶草原上棕色的非洲獅等。因此,可以認(rèn)為,古生物的生境和膚色也有關(guān)系,兩者可以相互驗證。
2016年9月,英國布里斯托大學(xué)的研究人員重現(xiàn)了鸚鵡嘴龍的膚色。它的面部顏色較深,背部為深褐色,腹部膚色逐漸變淺,前肢有黑色斑點,后背皮膚有深淺不一的條紋。生物學(xué)家們稱這種體色分布為“反蔭蔽”。許多現(xiàn)代動物都具有這種體色分布,比如魚類常常具有背部顏色深、腹部顏色淺的特點,這樣從上往下看,深色的背部與海水融為一體,從下往上看,淺色的腹部又與天空顏色相近,不易被發(fā)現(xiàn)。與之相似,生活在光線向四面八方反射的環(huán)境中的生物,也具有這樣的體色,比如森林中的各種鳥類。據(jù)此,研究人員推測,鸚鵡嘴龍也生活在森林中,反蔭蔽的膚色有利于它們在森林中“隱身”,躲開兇猛的食肉恐龍,這也與它們的“小個子”和植食性特征相符。
與鸚鵡嘴龍相反,顏色更加鮮亮的中華龍鳥則可能生活在樹木低矮、植被稀疏的河流附近。英國布里斯托爾大學(xué)的研究團(tuán)隊在重建了中華龍鳥的膚色模型后,進(jìn)行了光照實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在30°的斜射光線、直射光線和漫射光線三種光照狀態(tài)的比較中,斜射光線下中華龍鳥的膚色變化最不明顯,隱蔽效果最好,而漫射光線則最不利于中華龍鳥“隱身”。因此,研究者推測中華龍鳥應(yīng)生活在樹木不那么密集的水邊。在中華龍鳥的胃中發(fā)現(xiàn)的未消化的蜥蜴也能證明這一點,這種蜥蜴與現(xiàn)代生活在水邊的蜥蜴形態(tài)結(jié)構(gòu)很相似。
我們沒人親眼見過億年前滅絕的古生物,它們到底是什么樣子很難說清楚。但是,隨著多種技術(shù)方法的進(jìn)步和協(xié)同運用,我們對它們的認(rèn)識必將越來越準(zhǔn)確。