Für das ungeübte Auge scheinen die meisten Fossilien nicht voller Farbe zu sein. Die erste wissenschaftliche Analyse fossiler Farben wurde erst vor einem Jahrzehnt veröffentlicht. Bis vor kurzem schien es eine unüberwindliche Aufgabe, die Farbpalette der prähistorischen Welt zu bestimmen.
Maria McNamara, eine Paläontologin am University College Cork in Irland, versucht, die Fossilien zusammenzufügen, um ein farbenfrohes Bild der Vergangenheit zu zeichnen. Wenn Menschen an Paläontologie denken, denken sie oft an harte Zähne und Knochen, aber auch die weicheren Teile von Tieren wie Haut, Muskelgewebe und innere Organe können im Fossilienbestand erhalten bleiben. Es ist natürlich viel seltener, weil das matschige Zeug normalerweise verrottet, aber Weichgewebe sind genau die Art von Exemplaren, nach denen McNamara sucht. Sie untersucht Gewebe von Insekten und Wirbeltieren, um sich ein Bild davon zu machen, wie diese Tiere aussahen und wie sie mit ihrer Umwelt umgingen - wie ihre Raubtiere waren, wo sie lebten, wie ihre Paarungsgewohnheiten gewesen sein könnten und mehr.
McNamara wird am Freitag, dem 29. März, in Washington DC auf dem Symposium "Die größten Erfolge des Lebens: Schlüsselereignisse der Evolution" des Smithsonian National Museum of Natural History über ihre Arbeit diskutieren, um Farbreste in Fossilien zu finden. Im Vorfeld ihres Vortrags sprach Smithsonian.com mit McNamara, um mehr über die Farben der Antike zu erfahren.
Wissenschaftlich gesehen, was ist Farbe und wie wird sie gemessen?
Farbe ist einfach sichtbares Licht. Alles, was Energie zwischen den Wellenlängen von 400 und 700 Nanometern streut, wird von Wissenschaftlern als sichtbares Licht bezeichnet. Das menschliche Auge ist darauf trainiert, subtile Unterschiede in der Energie innerhalb dieses Fensters wahrzunehmen. Andere Tiere können hinter diesem Fenster Farbe sehen. Zum Beispiel haben Vögel Empfindlichkeiten gegenüber ultraviolettem Licht, so dass sie kürzere Wellenlängen von Energie wahrnehmen können. Viele Insekten können auch ultraviolettes Licht und möglicherweise Infrarotlicht mit längeren Wellenlängen sehen. Was du Farbe nennst, hängt wirklich davon ab, was für ein Tier du bist.
Einfach ausgedrückt ist Farbe eine Form von Energie, die wir wahrnehmen können, und unterschiedliche Wellenlängen erzeugen unterschiedliche Farben.
Wie entwickelt sich Farbe in der Natur?
Farbe kann auf zwei verschiedene Arten erzeugt werden. Viele moderne Organismen, einschließlich Tiere, produzieren Farbe unter Verwendung von Pigmenten. Pigmente sind Chemikalien, die Licht bestimmter Wellenlängen selektiv absorbieren. Zum Beispiel sehen die Blätter von Pflanzen grün aus, weil die Moleküle im Chlorophyll in den Blättern alle Wellenlängen im roten und blauen Teil des Spektrums absorbieren und die Grün- und Gelbtöne reflektieren, die wir sehen können.
Insekten sind die dominierende Form des Tierlebens auf der Erde mit mehr als 1 Million beschriebenen Arten und möglicherweise bis zu 15-mal mehr unbekannten Arten. Unter den Insekten haben sich Käfer als eine der erfolgreichsten - und farbenfrohsten - Gruppen erwiesen, die 40 Prozent aller Insektenarten und 30 Prozent aller Tierarten ausmachen. (Chip Clark / Smithsonian Institution) Das in Pflanzen am häufigsten vorkommende Pigment ist Chlorophyll, in Tieren sind einige der am häufigsten vorkommenden Pigmente Melanine. Sie produzieren die Farbe unserer Haare. Sie produzieren zum Beispiel die braunen Farben in Pilzen und die dunkel gefärbten Farben von Vogelfedern.
Wir haben auch gängige Pigmente namens Carotinoide, die ausschließlich von Pflanzen hergestellt werden. Aber viele Tiere nehmen Carotinoide in ihrer Nahrung auf und verwenden sie, um ihre Gewebe zu färben. So wird zum Beispiel die rote Farbe eines Kardinals, die an der Ostküste der Vereinigten Staaten häufig vorkommt, von Carotinoiden erzeugt, die die Vögel bei ihrer Ernährung mit Früchten und Beeren zu sich nehmen. Die rosafarbenen Flamingofedern stammen von Carotinoiden in den Algen, die winzige Garnelen fressen, was das Lieblingsessen der Vögel ist.
Aber es gibt tatsächlich eine ganz andere Art, Farbe zu erzeugen, und das nennt man Strukturfarbe. Strukturelle Farben verwenden überhaupt keine Pigmente und stattdessen sehr reich verzierte Gewebestrukturen im Nanobereich. Grundsätzlich falten sich die Gewebe einiger Tiere im Nanometerbereich zu hochkomplexen Strukturen - also im gleichen Maßstab wie die Wellenlänge des Lichts. Diese Strukturen beeinflussen die Art und Weise, wie Licht durch biologisches Gewebe gelangt, sodass sie im Wesentlichen bestimmte Wellenlängen herausfiltern und wirklich kräftige Farben erzeugen können. Und tatsächlich sind Strukturfarben die hellsten und intensivsten Farben, die wir in der Natur erhalten.
Nach welchen unterschiedlichen Farbtypen oder Strukturen, die Farbe erzeugen, suchen Sie, wenn Sie diese Fossilien untersuchen?
Als ich anfing, Farbe zu studieren, beschäftigte ich mich mit der Strukturfarbe fossiler Insekten. Ich fing an, mir diese metallischen Insekten anzuschauen. Sie zeigten helle Blau-, Rot-, Grün- und Gelbtöne, aber niemand hatte jemals wirklich untersucht, was diese Farben hervorbrachte - es gab nur eine einzige Untersuchung eines Fragmentes eines Käferstücks.
Also habe ich ungefähr 600 dieser Insekten aus vielen verschiedenen fossilen Fundorten untersucht und zusammen mit einigen Mitarbeitern die Erlaubnis erhalten, Proben der winzigen Fossilien zu entnehmen. Dabei wurden alle diese Strukturen in diesen farbigen Insekten von einer Struktur erzeugt, die als Mehrschichtreflektor bezeichnet wurde, unabhängig davon, um welche Spezies es sich handelte. Mikroskopisch sieht es im Grunde wie ein Sandwich mit vielen wirklich dünnen Schichten aus, die vielleicht nur 100 Nanometer dick sind. Viele moderne Insekten haben diese in ihrer äußeren Hülle. Je mehr Schichten vorhanden sind, desto heller ist die gestreute Farbe.
Fotos von drei der Skarabäus-Käfer-Taxa, die in Taphonomiestudien verwendet wurden, um den Fossilisierungsprozess im Labor zu replizieren. Während des Prozesses änderten sich die Farben der Käfer. (G. Odin, M. McNamara et al. / Zeitschrift der Royal Society Interface 1742-5662) Wir waren daran interessiert herauszufinden, warum wir keine anderen Strukturen fanden, wie zum Beispiel dreidimensionale photonische Kristalle, die winzige, komplexe Schichtstrukturen sind, die Lichtteilchen stören, die Photonen genannt werden. Die Strukturen könnten zu einer Diamantstruktur, einer kubischen Struktur, einer hexagonalen Struktur und noch komplexeren Strukturen verdreht sein. Viele moderne Insekten und Schmetterlinge zeigen dies. Zum Beispiel ist der moderne Morpho-Schmetterling dieser fabelhafte blaue tropische Schmetterling mit Schuppen, die photonische 3D-Kristalle enthalten. Also fragten wir uns: "Warum haben wir diese nie in den Fossilienbeständen gefunden?"
Warum glaubst du, hast du in den Fossilien nur mehrschichtige Reflektorstrukturen gesehen, während es in modernen Insekten andere farbgebende Strukturen gibt?
Wir haben eine experimentelle Fossilisierung durchgeführt, die man Taphonomie nennt. Wir haben die Aspekte des Fossilisierungsprozesses nachgebildet, indem wir im Labor sowohl Mehrschichtreflektoren als auch photonische 3D-Kristalle abbauen ließen. Beide überlebten das Experiment, aus dem hervorgeht, dass diese photonischen 3D-Kristalle dasselbe Fossilisierungspotential wie die Mehrschichtreflektoren aufweisen - sie müssen also irgendwo im Fossilienbestand sein.
Wir haben vor einigen Jahren mit der Suche begonnen und den ersten Fall von photonischen 3D-Kristallen in fossilen Insekten gemeldet. Das Beispiel, in dem wir sie auf dem Feld gefunden haben, ist sehr klein, sodass sie in vielen Fällen möglicherweise übersehen werden.
Kann sich die Farbe im Fossilisierungsprozess ändern?
Die Frage ist, ob die konservierte Farbe die echte Farbe ist. Zunächst haben wir die Chemie der Struktur untersucht, indem wir davon ausgegangen sind, dass sie mit modernen Insekten identisch ist - oder mit anderen Worten, wir haben angenommen, dass sie das gleiche Licht biegt. Aber als wir diese Werte in unsere Computermodelle eingaben, funktionierten sie nicht. Die Modelle sagten uns, dass sich die Farben unserer Fossilien während der Fossilisierung tatsächlich verändert hatten.
Mit unseren Experimenten konnten wir feststellen, dass die Änderung auf Überdruck und vor allem auf eine konstante Temperatur zurückzuführen ist. Wir haben festgestellt, dass die Temperatur die Farbveränderung dieser Strukturfarben tatsächlich bewirkt, da die physikalische Struktur schrumpft.
Welche Arten hinterlassen bei der Untersuchung der Farbe ausgestorbener Pflanzen und Tiere die besten Beweise?
Es geht nicht um bestimmte Arten, es geht darum, die Dinge auf die richtige Art und Weise zu erhalten.
Die meisten Studien, die bisher durchgeführt wurden, wurden an Federn durchgeführt, entweder Federn von Vögeln oder Dinosauriern, und sie wurden alle als Karbonatisierungskompressionen erhalten: Fossilien, die sich in Sedimentgestein unter immensem Druck gebildet haben. Dies ist problematisch, da Sie nicht die Teile der Feder erhalten, die für die Nicht-Melanin-Farben verantwortlich sind.
In vorhandenen Vögeln ist Melanin fast überall vorhanden, und die Wirkungen von Melanin werden durch die Anwesenheit anderer Pigmente verändert. Wenn Sie also noch einmal die roten Federn eines Kardinals nehmen, sehen sie rot aus, enthalten jedoch Carotinoide und auch Melanosomen. Wenn diese Vogelfeder versteinert wird, werden die Carotinoide abgebaut und Sie würden nur noch Melanosomen zurücklassen [und Sie würden nicht wissen, dass der Kardinal rot ist].
Es besteht die große Gefahr, dass viele der Rekonstruktionen fossiler Vögel und gefiederter Dinosaurier nicht für die Farben der Organismen repräsentativ sind, wie wir vielleicht denken. Wenn Sie Hinweise auf Melanin in Fossilien finden, kann dies auf Muster hinweisen, jedoch nicht auf den tatsächlichen Farbton. Wir argumentieren also, dass diese Karbonatisierungsfossilien wahrscheinlich nicht ideal für Studien der fossilen Farbe sind.
Obwohl Wissenschaftler noch nicht wissen, welche Farbe Dinosaurier haben, können sie die fossilen Spuren von Federn und Fell untersuchen, um eine Vorstellung von der Schattierung zu bekommen. (Z. Yang, B. Jiang, M. McNamara et al. / Nature Ecology & Evolution 3, 24-30 (2019)) Welche Arten von Fossilien bewahren die Farbe am besten?
Wir denken, wir sollten nach Fossilien suchen, die im Mineral Calciumphosphat enthalten sind. Dies war der Fall bei der Schlange, die wir 2016 untersucht haben. Die Farben der Schlange bleiben erhalten; Die gesamte Haut der Schlange ist in Calciumphosphat konserviert. Das Schöne an Calciumphosphat ist, dass es alles konserviert. Die gesamten Pigmente der Haut bleiben erhalten, einschließlich der drei Arten von Pigmenten, die in modernen Reptilien Farbe erzeugen. Es bewahrt die strukturelle Farbe: rot und gelb und die dunkle Farbe.
Diese Arten von Fossilien, bei denen Sie alles in Kalziumphosphat eingeschlossen haben, sind ein viel besseres Ziel für Studien der fossilen Farbe als die Komprimierung der Karbonatisierung.
Welche Farbe hatten die Dinosaurier?
Wir haben verschiedene gefiederte Dinosaurier, für die wir Melanin in diesen Farbmustern haben, und bei modernen Vögeln wird die Melaninfärbung durch andere Pigmente modifiziert. Diese anderen Pigmente sind nicht als Fossilien erhalten, daher können wir uns vorerst nicht sicher sein.
Wenn wir eine wirklich gut erhaltene Dinosaurierhaut finden würden, hätten wir eine gute Chance, die Farbe detaillierter zu rekonstruieren. Das Problem ist, dass die meisten Dinosaurierhäute als Impressionen erhalten bleiben. Es gibt eine Reihe von Beispielen, bei denen Sie tatsächlich einen dünnen organischen oder mineralisierten Film behalten, aber obwohl einige untersucht wurden, hat keiner tatsächlich Details der Pigmente ergeben.
Heutzutage sehen wir helle Farben oft als giftige Warnungen für Raubtiere oder als verschwenderische Darstellung, um einen Partner anzuziehen, oder als andere subtilere Farben, um als Tarnung zu dienen. Welchen Zweck hatte die Farbe für die ersten bunten Tiere?
Viele der Dinosaurier, die wir sehen, haben eine Gegenschattierung. Dies ist der Fall, wenn der Rücken und die Seiten dunkler und der Bauch blasser sind. Dies ist eine Strategie, die von vielen modernen Tieren angewendet wird, um die Körperkonturen in Umgebungen mit starkem Licht aufzubrechen [und für Tarnung zu sorgen].
Bei einem von uns untersuchten gefiederten Dinosaurier weist der Schwanz ein sehr auffälliges Band auf. Diese Art von Streifenbildung ist heutzutage bei Tieren sehr verbreitet, und wenn sie in anderen Bereichen des Körpers auftritt, wird sie typischerweise zur Tarnung verwendet. Bei diesem speziellen Dinosaurier ist er jedoch auf den Schwanz beschränkt. So wird der hohe Farbkontrast im Schwanz bei modernen Tieren häufig zur sexuellen Signalgebung, also zur Paarung von Displays, verwendet.
Die von uns untersuchte fossile Schlange verwendete mit ziemlicher Sicherheit Farbe zur Tarnung. Es hatte ziemlich auffällige Flecken entlang seiner Länge, und diese Flecken dienten wahrscheinlich wieder als störende Tarnung, um die Körperkonturen bei starkem Licht aufzubrechen.
Ein leuchtend blauer Morpho-Peleides- Schmetterling, der über photonische 3D-Kristallstrukturen verfügt, um seinen hellen Farbton zu erzeugen. (Marka / UIG / Getty Images) Die fossile Motte und einige fossile Insekten, die wir mit Strukturfarben untersucht haben - wir haben das Gefühl, dass ihre Farben eine Doppelfunktion haben, weil sie eine sehr auffällige grüne Farbe haben. Eine solche Farbe ist kryptisch, wenn sich das Insekt in der Vegetation versteckt, aber wenn diese Schmetterlinge sich von den Wirtspflanzen ernährt hätten, hätte es einen scharfen Farbkontrast zu den Blütenblättern der Blume gegeben. Viele Insekten verwenden dies als Warnsignal, um anzuzeigen, dass ein Raubtier in der Nähe ist.
Welche neuen Werkzeuge haben wir, um Weichgewebe zu untersuchen, und was können wir lernen, dass wir bisher nicht aus Fossilien lernen konnten?
Vor zehn Jahren war die Vorstellung, dass Fossilien Farbe bewahren könnten, kaum auf dem Radar - es gab nur eine Studie. Vor zwölf Jahren hätte noch niemand gewusst, dass dies möglich ist.
Es gibt verschiedene Massenspektrometrietechniken, die die Molekülfragmente auf der Oberfläche Ihres Materials untersuchen, aber nicht alle Fragmente sind diagnostisch. Es gibt chemische Techniken, die einzigartige Fragmente der Melaninmoleküle produzieren, so dass Sie sie nicht mit irgendetwas anderem verwechseln können. Die Menschen beschäftigen sich auch mit der anorganischen Chemie von Fossilien und versuchen, unterstützende Farbnachweise wiederzugewinnen.
Es ist also sehr wichtig, die Taphonomie, die Gewebechemie und die Farbnachweise zu berücksichtigen. Eine sehr gute Möglichkeit, die Biologie von den Auswirkungen der Fossilisierung zu befreien, besteht darin, Experimente durchzuführen.
Das Symposium „Die größten Erfolge des Lebens: Schlüsselereignisse der Evolution“ am 29. März 2019 findet von 10 bis 16.30 Uhr im Nationalen Museum für Naturkunde statt und umfasst 10 international anerkannte Evolutionsbiologen und Paläontologen. Ticket gibt es hier.
