一亿年前我还在恐龙背上，闪耀着金属光泽

金凤

从孔雀羽毛的艳光四射，到毒箭蛙的明亮警告色，再到北极熊的白色伪装，大自然中，生龙活虎的动物用各种体色演示着进化道路上的生存心得。昆虫作为地球上物种数量最多的动物，更是拥有着极其丰富的色彩。不过，当这种绚烂的色彩融入漫长的时间，成为化石，便从此黯淡无光。

化石中很少保有生物的色彩细节，大多数古生物复原图中的色彩，其实都是根据艺术家的想象重建出来的。2020 年，来自中国科学院南京地质古生物研究所的研究团队，揭开了近一亿年前的昆虫真实色彩的秘密，为人们了解白垩纪雨林中与恐龙共存的昆虫，提供了新的视角。

化石中的古生物颜色难觅踪迹

自然界中的颜色主要有3个来源：生物发光、色素色和结构色。色素色也被称为化学色，而结构色也称物理色，是光照射在物体表面的纳米级组织结构上产生反射、折射、衍射及干涉而形成的，是自然界中最纯净、最强烈的颜色。

由于化石保存等因素的局限，上述颜色很容易在长期的化石埋藏作用中丢失。也正因如此，对古生物的颜色复原一直是一项很复杂的工作。

此次研究的第一作者与通讯作者、中国科学院南京地质古生物研究所（以下简称中科院南古所）副研究员蔡晨阳介绍，动物的结构色有多种来源，最普遍的是动物体表的多层反射膜，常见于金龟、苍蝇、吉丁虫；还有的来自衍射光栅，常见于孔雀羽毛、蓝闪蝶；光子晶体是比较少见的一种，例如一些呈现欧宝色的象甲科昆虫。

“化石中的结构色，可以为生物间的视觉交流和颜色的功能演化等提供重要证据。此前，有学者曾在距今约5000万年前的始新世的印痕化石（即生物遗体的软体部分在沉积物中留下的印迹，遗体虽已消失，但印痕得以保存）里，发现过与颜色相关的昆虫的纳米结构。但是，上溯到一亿年前的昆虫，是否已经演化出结构色一直成谜。此前我们也没有在这个时期的化石中发现过颜色鲜艳的昆虫。而在之前的研究文献中，很多学者认为，中生代的结构色也很难保存下来。”蔡晨阳说。

在当时，学术界的普遍观点认为，不管是色素色还是结构色，在化石中，它们都难觅踪迹。中科院南古所研究员王博介绍：“色素色是一种化学色，它在动物死后，很快会降解，所以很难保存下来；而结构色虽然有纳米结构，但经过高温高压的地质演变、腐蚀，结构也会被破坏，导致褪色、变色。”

不过，科学家总能找到古生物颜色的蛛丝马迹，他们利用动物体表极薄的蜡层、沟、缝以及黑色素体等结构，与现生动物做对比，以此来重建或推测古代动物的颜色。

2018年，王博与德国、英国的科学家团队联合刊文称，他们发现侏罗纪（距今1亿9960万年-1亿4550万年）的蛾类鳞片已经演化出鱼骨状的衍射光栅等光学结构。团队利用化石鳞片数据，重建了鳞片微結构的三维光学模型，最终利用光学模拟软件和计算机，定量计算出化石蛾类产生的结构色，推测出这类蛾的鳞片能够产生银色或金黄色。2010年，中国、英国和爱尔兰等三国科学家，曾在《自然》刊文称，他们在中国热河生物群（距今2亿-1.4亿年前生活在东亚的一个古老生物群）的鸟类和带毛的恐龙中发现两种黑色素体，将黑色素体的形状和排列方式与现代鸟类做对比后推测出，这些带毛的恐龙和古鸟类的身体已经具有了以灰色、褐色、黄色以及红色为主要色彩的基础结构。

多层反射膜让昆虫颜色保存亿年

如何从结构色中发现远古昆虫的颜色演化之谜，对蔡晨阳来说，源自2015年的一次启发。那年，他在美国一家博物馆看到桌上摆放着给小朋友科普用的昆虫标本，是介绍色素色和结构色的，他顿时被吸引住了。回国之后，他开始整理昆虫体表有金属光泽的琥珀样本。

历经多年，他和中科院南古所泮（pàn）燕红研究员带领的研究团队从距今9900万年的白垩纪中期的约4万枚琥珀中，挑选出了35枚化石。这些化石全部来自缅甸北部的一处矿山，其中的昆虫都保存着精美的金属光泽。

在显微镜下，研究团队发现，这35块琥珀化石中的昆虫，包括膜翅目、鞘翅目和双翅目，至少有7个科，其中绝大部分标本属于膜翅目青蜂科，少部分属于鞘翅目隐翅虫科、蜡斑甲科，以及双翅目的水虻科。“我们用50纳米的刀，对其中的两块琥珀做了几微米的超薄切片，又用扫描电子显微镜和透射电子显微镜分析发现，一种青蜂科昆虫胸部表面的蓝绿色是由多层重复出现的纳米级构造组成的，也就是多层反射膜。”蔡晨阳说。在显微镜下，他们发现一只青蜂体表有6层反射膜，每一层的厚度约为100纳米。

“根据每层膜的厚度和折射率等参数可以计算出，这6层膜的反射波长在514纳米左右，也就是绿色，这与我们在显微镜下肉眼看到的化石青蜂的绿色是接近的。而在另一块切片琥珀中的青蜂，体表是没有金属光泽的黑色，我们在显微镜下发现，这只青蜂的多层反射膜出现了褶皱，也就是结构被破坏了，这证实了多层反射膜是产生结构色的直接原因，且昆虫体表的颜色可能就是原始颜色，但也不排除颜色发生过微小变化。”蔡晨阳说。

这批琥珀中，大部分昆虫的全身或是部分身体结构呈现出强烈的具金属光泽的绿色、蓝色、蓝绿色、黄绿色或蓝紫色。通过与古生、现生物种的对比研究，研究团队发现，这些化石昆虫对应的现生属种有类似的带有金属光泽的颜色。“这次发现直接证明了多层反射膜能够在长期地质历史中稳定保存，否定了前人关于昆虫金属色不能在中生代化石中保存的观点，并对我们认识早期昆虫结构色生态功能的演化，具有重要意义。”蔡晨阳说。

古老昆虫颜色的形成机制还需探究

值得一提的是，这批缅甸琥珀昆虫中，看似能永久保存的彩色金属结构色，并不是恒定不变的。

蔡晨阳说，若琥珀昆虫在切割、打磨和抛光等前期准备过程中，任一小部分结构受到损坏，使其与空气或水分接触，其颜色便会在短期内变成单一的银色，但金属光泽仍可保存，而且这种变化是不可逆转的。这一发现为揭示缅甸琥珀乃至其他琥珀中银色昆虫的形成原因，以及对早期昆虫特征的认定和描述，均具有重要的参考价值。

“不过，现代有一种金龟子，体表也呈现为银色，它的多层反射膜是由内而外逐渐变厚的，这与我们此次研究中昆虫变成银色的形成机制不同。这两种机制分别是由什么原因造成的，多层反射膜的厚度和折射率会不会随着时间的推移而变化，还需要继续探究。”蔡晨阳说。

琥珀昆虫的结构色有着重要的生态意义。比如其中较为常见的绿色，很可能是在茂密森林环境中的一种隐蔽色，能帮助昆虫隐匿自身从而躲避捕食者。另外还有一种可能性，那就是结构色参与了昆虫的热调节。因此，不同色彩的结构色出现在不同种类的昆虫中，在一定程度上暗示着，白垩纪中期的森林中已经存在着复杂的生态关系。

蔡晨阳说，未来他们还将关注更古老的昆虫化石，去了解它们的体表是否已经进化出结构色——例如侏罗纪甲虫是否也有多层反射膜，由此为发现、重建更古老昆虫的颜色提供原始依据。在他看来，发现并运用结构色对当下的生活也有借鉴意义。“例如3D 打印，就可以参照结构色的结构进行打印，不使用颜料就能呈现多种色彩，既节省资源，又能减少对环境的污染。”

本文内容来自《科技日报》