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新技術揭示2億年前昆蟲的真實顏色

發布時間:2018-04-19 10:12:00 點擊:
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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. 

新技術揭示2億年前昆蟲的真實顏色

侏羅紀蛾類(A-I)和現生小翅蛾標本(J-M)中的鱗片顯微結構。英國化石標本(A-C);哈薩克斯坦化石標本(D-F);德國化石標本(G-I)

緬甸琥珀中飄翅目昆蟲及其鱗片結構

緬甸琥珀中飄翅目昆蟲及其鱗片結構

化石鱗片建模及其結構色的模擬結果

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白堊紀蛾類生態復原圖

白堊紀蛾類生態復原圖

白堊紀蛾類生態復原圖

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