Voor het ongetrainde oog lijken de meeste fossielen niet te barsten van kleur. De eerste wetenschappelijke analyse van fossiele kleuren werd pas tien jaar geleden gepubliceerd en tot voor kort leek het bepalen van het kleurenpalet van de prehistorische wereld een onoverkomelijke taak.
Maria McNamara, paleontoloog aan het University College Cork in Ierland, probeert het fossiele bewijsmateriaal samen te voegen om een kleurrijk beeld van het verleden te schetsen. Wanneer mensen aan paleontologie denken, denken ze vaak aan harde tanden en botten, maar de zachtere delen van dieren, zoals huid, spierweefsel en inwendige organen, kunnen ook in het fossielenbestand worden bewaard. Het is natuurlijk veel zeldzamer, omdat de squishy dingen meestal wegrotten, maar zachte weefsels zijn precies het soort specimens waar McNamara naar op zoek is. Ze bestudeert weefsels van insecten en gewervelde dieren om zich voor te stellen hoe deze beestjes eruit zagen en hoe ze omgingen met hun omgeving - wat hun roofdieren waren, waar ze leefden, wat hun paringsgewoonten zijn geweest en meer.
McNamara bespreekt haar werk om de kleurresten in fossielen te vinden in het symposium "Life's Greatest Hits: Key Events in Evolution" van het Smithsonian's National Museum of Natural History op vrijdag 29 maart in Washington DC. Voorafgaand aan haar lezing sprak Smithsonian.com met McNamara om meer te weten te komen over de kleuren van de oude wereld.
Wetenschappelijk gezien, wat is kleur en hoe wordt het gemeten?
Kleur is eenvoudig zichtbaar licht. Alles wat energie verstrooit tussen de golflengtes van 400 en 700 nanometer is wat wetenschappers zichtbaar licht noemen. Het menselijk oog is getraind om subtiele verschillen in energie binnen dat venster waar te nemen. Andere dieren kunnen achter dat venster kleur zien. Vogels hebben bijvoorbeeld gevoeligheden voor het ultraviolette licht, zodat ze kortere golflengten van energie kunnen waarnemen. Veel insecten kunnen ook ultraviolet licht zien en mogelijk in het infrarood, dat langere golflengtes heeft. Wat je kleur noemt, hangt echt af van wat voor dier je bent.
Om het simpel te zeggen: kleur is een vorm van energie die we kunnen waarnemen en verschillende golflengtes creëren verschillende kleuren.
Op welke manieren ontwikkelt kleur zich in de natuur?
Kleur kan op twee verschillende manieren worden geproduceerd. Veel moderne organismen, waaronder dieren, produceren kleur met behulp van pigmenten. Pigmenten zijn chemicaliën die selectief licht van specifieke golflengten absorberen. De bladeren van planten zien er bijvoorbeeld groen uit omdat de moleculen in chlorofyl in de bladeren alle golflengtes in het rode en blauwe deel van het spectrum absorberen, en ze reflecteren de groene en gele kleuren die we kunnen zien.
Insecten zijn de dominante vorm van dierenleven op aarde met meer dan 1 miljoen beschreven soorten en mogelijk maar liefst 15 keer meer onbekend. Onder insecten hebben kevers bewezen een van de meest succesvolle - en kleurrijke - groepen te zijn, die 40 procent van alle insectensoorten en 30 procent van alle diersoorten vertegenwoordigen. (Chip Clark / Smithsonian Institution) Het meest voorkomende pigment in planten is chlorofyl, maar bij dieren zijn enkele van de meest voorkomende pigmenten melanines. Ze produceren de kleur van ons haar. Ze produceren bijvoorbeeld de bruine kleuren in schimmels en de donker getinte kleuren van vogelveren.
We hebben ook gewone pigmenten die carotenoïden worden genoemd en deze worden uitsluitend door planten geproduceerd. Maar veel dieren nemen carotenoïden in hun dieet op en gebruiken ze om hun weefsels te kleuren. Dus, bijvoorbeeld, de rode kleur van een kardinaal, die gebruikelijk is aan de oostkust van de Verenigde Staten, wordt geproduceerd door carotenoïden, die de vogels in hun dieet van fruit en bessen nemen. De roze veren van flamingo's zijn afgeleid van carotenoïden in de algen die kleine garnalen eten, wat de favoriete maaltijd van de vogels is.
Maar er is eigenlijk een heel andere manier om kleur te produceren, en dat wordt structurele kleur genoemd. Structurele kleuren gebruiken helemaal geen pigmenten en gebruiken in plaats daarvan zeer sierlijke weefselstructuren op nanoschaal. In feite vouwen de weefsels van sommige dieren in zeer complexe structuren op nanometerniveau - of met andere woorden, op dezelfde schaal als de golflengte van licht. Die structuren beïnvloeden de manier waarop licht door biologische weefsels gaat, zodat ze in wezen bepaalde golflengten kunnen filteren en echt sterke kleuren kunnen produceren. En eigenlijk zijn structurele kleuren de helderste en meest intense kleuren die we in de natuur krijgen.
Welke verschillende soorten kleuren, of verschillende structuren die kleur produceren, zoekt u wanneer u deze fossielen bestudeert?
Toen ik kleur ging bestuderen, werkte ik met de structurele kleur in fossiele insecten. Ik begon te kijken naar deze metalen insecten. Ze toonden helder blauw, rood, groen en geel, maar niemand had ooit echt bestudeerd wat deze kleuren produceerde - er was slechts een enkele studie van een fragment van één stuk kever.
Dus bestudeerde ik zo'n 600 van deze insecten uit veel verschillende fossielen, en samen met enkele medewerkers kregen we toestemming om monsters te nemen van de kleine fossielen. Toen we dit deden, ongeacht naar welke soort we keken, werden al deze structuren in deze gekleurde insecten geproduceerd door een structuur die een meerlagige reflector wordt genoemd. Microscopisch ziet het er in feite uit als een sandwich met veel echt dunne lagen, misschien slechts 100 nanometer dik. Veel moderne insecten hebben deze in hun buitenste schil. Hoe meer lagen er zijn, hoe helderder de kleur die wordt verspreid.
Foto's van drie van de scarabee-taxa die werden gebruikt in taphonomiestudies om het fossilisatieproces in het laboratorium te repliceren. Tijdens het proces veranderden de kleuren van de kevers. (G. Odin, M. McNamara et al. / Journal of The Royal Society Interface 1742-5662) We wilden weten waarom we geen andere structuren vonden, zoals driedimensionale fotonische kristallen, kleine, complexe, gelaagde structuren die interfereren met lichtdeeltjes die fotonen worden genoemd. De structuren kunnen worden gedraaid in een diamantstructuur, een kubieke structuur, een zeshoekige structuur en zelfs meer complexe structuren. Veel moderne insecten en vlinders vertonen dit. De moderne Morpho-vlinder is bijvoorbeeld deze fantastische blauwe tropische vlinder met schubben die 3D-fotonische kristallen bevatten. Dus vroegen we ons af: "Waarom hebben we deze nooit in het fossielenbestand gevonden?"
Waarom denk je dat je alleen meerlagige reflectorstructuren in de fossielen zag, terwijl er andere moderne structuren bestaan in moderne insecten?
We hebben wat experimentele fossilisatie gedaan, wat taphonomie wordt genoemd. We repliceerden de aspecten van het fossilisatieproces door zowel meerlagige reflectoren als 3D fotonische kristallen in het laboratorium af te breken. Beiden overleefden het experiment, dat ons vertelde dat deze 3D fotonische kristallen hetzelfde fossilisatiepotentieel hadden als de meerlagige reflectoren - dus ze moeten ergens in het fossielenbestand staan.
We begonnen een paar jaar geleden te kijken en we rapporteerden het eerste geval van 3D-fotonische kristallen in fossiele insecten. Het voorbeeld waar we ze in het veld hebben gevonden, is erg klein, dus in veel gevallen kunnen ze gewoon over het hoofd worden gezien.
Kan kleur veranderen in het fossilisatieproces?
De vraag die we tegenkomen is of de behouden kleur de echte kleur is. We hebben aanvankelijk de scheikunde van de structuur bestudeerd door aan te nemen dat het hetzelfde is als moderne insecten - of met andere woorden, we namen aan dat het licht hetzelfde zou buigen. Maar toen we die waarden in onze computermodellen invoerden, werkten ze niet. De modellen vertelden ons dat de kleuren van onze fossielen tijdens de fossilisatie daadwerkelijk waren veranderd.
Met onze experimenten konden we erachter komen dat de verandering te wijten was aan overdruk en, nog belangrijker, constante temperatuur. We vonden dat temperatuur de kleurverandering van deze structurele kleuren echt drijft, omdat de fysieke structuur krimpt.
Welke soorten laten bij het bestuderen van de kleur van uitgestorven planten en dieren het beste bewijs achter?
Het gaat niet om bepaalde soorten, het gaat erom dingen op de juiste manier te behouden.
De meeste studies die tot nu toe zijn gedaan, zijn uitgevoerd op veren, hetzij veren in vogels of dinosaurussen, en ze zijn allemaal bewaard gebleven als koolzuurcompressies: fossielen gevormd in afzettingsgesteente onder enorme druk. Dit is problematisch omdat u niet de delen van de veer bewaart die verantwoordelijk zijn voor de niet-melaninekleuren.
In bestaande vogels is melanine bijna overal aanwezig en de effecten van melanine worden gemodificeerd door de aanwezigheid van andere pigmenten. Dus als je opnieuw de rode veren van een kardinaal neemt, zien ze er rood uit maar binnenin bevatten ze carotenoïden en ook melanosomen. Als die vogelveer door fossilisatie gaat, zullen de carotenoïden degraderen en blijven alleen melanosomen over, [en je zou niet weten dat de kardinaal rood was].
Het gevaar is reëel dat veel van de reconstructies waar we naar hebben gekeken van fossiele vogels en gevederde dinosauriërs misschien niet representatief zijn voor de kleuren van de organismen zoals we misschien denken. Als u bewijs vindt van melanine in fossielen, kan dit wijzen op patronen, maar niet op de werkelijke tint. Dus we beweren dan dat deze carbonatatiefossielen waarschijnlijk niet ideaal zijn voor onderzoek naar fossiele kleuren.
Hoewel wetenschappers nog niet weten welke kleur dinosaurussen waren, kunnen ze het fossiele bewijsmateriaal van veren en bont, zoals op deze pterosaurus, bestuderen om een idee van schaduw te krijgen. (Z. Yang, B. Jiang, M. McNamara, et al. / Nature Ecology & Evolution 3, 24-30 (2019)) Welke soorten fossielen behouden de kleur het best?
We denken dat we op zoek moeten gaan naar fossielen die in het mineraal calciumfosfaat zijn bewaard. Dat was het geval met de slang die we in 2016 hebben bestudeerd. De kleuren van de slang zijn behouden; de hele huid van de slang is bewaard in calciumfosfaat. Het mooie van calciumfosfaat is dat het alles bewaart. De volledige pigmenten van de huid zijn bewaard gebleven, inclusief de drie soorten pigmenten die kleur produceren in moderne reptielen. Het behoudt de structurele kleur: rood en geel en de donkere kleur.
Dat soort fossielen waar je alles in calciumfosfaat hebt opgesloten, ze zijn eigenlijk een veel beter doelwit voor onderzoek naar fossiele kleuren dan carbonatatiecompressie.
Dus welke kleur hadden de dinosaurussen?
We hebben verschillende gevederde dinosaurussen waarvoor we melanine in deze kleurpatronen hebben, en in moderne vogels wordt de kleur van melanine gewijzigd door andere pigmenten. Deze andere pigmenten worden niet bewaard als fossielen, dus we kunnen het nu niet zeker weten.
Als we een dinosaurushuid zouden vinden die echt goed bewaard is gebleven, hebben we een goede kans om de kleuren in meer detail te reconstrueren. Het probleem is dat de meeste dinosaurushuiden als indrukken worden bewaard. Er zijn een aantal voorbeelden waarbij je eigenlijk een dunne organische of gemineraliseerde film behoudt, maar hoewel er enkele zijn bestudeerd, heeft geen enkele daadwerkelijk details van de pigmenten opgeleverd.
Tegenwoordig zien we felle kleuren vaak als giftige waarschuwingen voor roofdieren of als een weelderige weergave om een partner aan te trekken, of andere subtielere kleuren om als camouflage te dienen. Welk doel diende kleur voor de eerste kleurrijke dieren?
Veel dinosaurussen die we zien hebben een tegengestelde schaduw, wat betekent dat de achterkant en zijkanten donkerder van kleur zijn en de buik een lichtere kleur heeft. Dit is een strategie die door veel moderne dieren wordt gebruikt om de lichaamsomtrek in sterk licht omgevingen te doorbreken [en camouflage te bieden].
In een gevederde dinosaurus die we hebben bestudeerd, heeft de staart een zeer opvallende streep erop. Dat soort strepen is tegenwoordig heel gebruikelijk bij dieren, en wanneer het op andere delen van het lichaam voorkomt, wordt het meestal gebruikt voor camouflage. Maar in deze specifieke dinosaurus is hij gelokaliseerd tot de staart. Dus dat hoge kleurcontrast in de staart bij moderne dieren wordt vaak gebruikt bij seksuele signalering, dus voor parende displays.
De fossiele slang die we bestudeerden, gebruikte vrijwel zeker kleur voor camouflage. Het had behoorlijk opvallende vlekken over zijn lengte, en die vlekken dienden waarschijnlijk opnieuw als verstorende camouflage, om de lichaamsomtrek in sterk licht te verbreken.
Een levendige blauwe Morpho peleides- vlinder, die 3D-fotonische kristalstructuren heeft om zijn heldere tint te produceren. (Marka / UIG / Getty Images) De fossiele mot en enkele fossiele insecten bestudeerden we met structurele kleuren - we kregen het gevoel dat hun kleuren een dubbele functie hadden omdat ze een zeer opvallende groene kleur hadden. Een dergelijke kleur is cryptisch wanneer het insect zich in de vegetatie verbergt, maar wanneer deze vlinders zich zouden hebben gevoed met de waardplanten, zou er een scherp kleurcontrast zijn geweest met de bloemblaadjes van de bloem. Veel insecten gebruiken dit als een waarschuwingssignaal om te adverteren dat een roofdier in de buurt is.
Welke nieuwe hulpmiddelen hebben we om zachte weefsels te bestuderen, en wat kunnen we leren dat we tot nu toe niet van fossielen hebben kunnen leren?
Tien jaar geleden was het hele idee dat fossielen kleur konden behouden nauwelijks op de radar - er was maar één studie uit. Twaalf jaar geleden zou niemand zelfs weten dat dit mogelijk was.
Er zijn verschillende massaspectrometrische technieken die kijken naar de moleculaire fragmenten op het oppervlak van je materiaal, maar niet alle fragmenten zijn diagnostisch. Er zijn chemische technieken die unieke fragmenten van de melaninemoleculen produceren, zodat je ze niet met iets anders kunt verwarren. Mensen kijken ook naar de anorganische chemie van fossielen en proberen ondersteunend bewijs van kleur te achterhalen.
Het is dus echt belangrijk om rekening te houden met de taphonomie, de weefselchemie en het bewijs van kleur, en een heel leuke manier om de biologie te plagen van de effecten van fossilisatie is om experimenten te doen.
Het symposium 'Life's Greatest Hits: Key Events in Evolution' op 29 maart 2019 vindt plaats van 10.00 tot 16.30 uur in het National Museum of Natural History en biedt 10 internationaal befaamde evolutionaire biologen en paleontologen. Ticket is hier verkrijgbaar.
