A un occhio non allenato, la maggior parte dei fossili non sembra esplodere di colore. La prima analisi scientifica del colore fossile è stata pubblicata solo una decina di anni fa e, fino a poco tempo fa, determinare la tavolozza dei colori del mondo preistorico sembrava un compito insormontabile.
Maria McNamara, paleontologa presso l'University College di Cork in Irlanda, sta cercando di mettere insieme le prove fossili per dipingere un'immagine colorata del passato. Quando le persone pensano alla paleontologia, spesso pensano a denti e ossa duri, ma anche le parti più morbide degli animali, come pelle, tessuto muscolare e organi interni, possono essere conservate anche nei reperti fossili. È molto più raro, ovviamente, perché le cose morbide di solito marciscono, ma i tessuti molli sono esattamente il tipo di campioni che McNamara sta cercando. Studia i tessuti di insetti e vertebrati al fine di immaginare come apparivano queste creature e come interagivano con il loro ambiente: quali erano i loro predatori, dove vivevano, quali potevano essere le loro abitudini di accoppiamento e altro ancora.
McNamara discuterà del suo lavoro per trovare i resti di colore nei fossili al simposio "Life's Greatest Hits: Key Events in Evolution" del Museo Nazionale di Storia Naturale Smithsonian venerdì 29 marzo, a Washington DC. Prima del suo intervento, Smithsonian.com ha parlato con McNamara per saperne di più sui colori del mondo antico.
Dal punto di vista scientifico, che cos'è il colore e come viene misurato?
Il colore è semplicemente luce visibile. Tutto ciò che disperde energia tra le lunghezze d'onda di 400 e 700 nanometri è ciò che gli scienziati chiamano luce visibile. L'occhio umano è addestrato a percepire sottili differenze di energia all'interno di quella finestra. Altri animali possono vedere il colore oltre quella finestra. Ad esempio, gli uccelli hanno sensibilità alla luce ultravioletta, quindi possono percepire lunghezze d'onda più brevi di energia. Molti insetti possono anche vedere la luce ultravioletta e potenzialmente nell'infrarosso, che ha lunghezze d'onda più lunghe. Quello che chiami colore dipende davvero dal tipo di animale che sei.
Per dirla in parole povere, il colore è una forma di energia che possiamo percepire e diverse lunghezze d'onda creano colori diversi.
In che modo il colore si sviluppa in natura?
Il colore può essere prodotto in due modi diversi. Molti organismi moderni, inclusi gli animali, producono colore usando i pigmenti. I pigmenti sono sostanze chimiche che assorbono selettivamente la luce di lunghezze d'onda specifiche. Ad esempio, le foglie delle piante sembrano verdi perché le molecole nella clorofilla all'interno delle foglie assorbono tutte le lunghezze d'onda nella parte rossa e blu dello spettro e riflettono i verdi e i gialli che possiamo vedere.
Gli insetti sono la forma dominante di vita animale sulla Terra con oltre 1 milione di specie descritte e forse fino a 15 volte più sconosciute. Tra gli insetti, gli scarafaggi hanno dimostrato di essere uno dei gruppi più riusciti e colorati, che rappresentano il 40 percento di tutte le specie di insetti e il 30 percento di tutte le specie animali. (Chip Clark / Smithsonian Institution) Il pigmento più comune nelle piante è la clorofilla, ma negli animali alcuni dei pigmenti più comuni sono le melanine. Producono il colore dei nostri capelli. Producono i colori marroni nei funghi, per esempio, e i colori scuri delle piume degli uccelli.
Abbiamo anche pigmenti comuni chiamati carotenoidi, che vengono prodotti esclusivamente dalle piante. Ma molti animali ingeriscono i carotenoidi nella loro dieta e li usano per colorare i loro tessuti. Quindi, ad esempio, il colore rosso di un cardinale, che è comune sulla costa orientale degli Stati Uniti, è prodotto dai carotenoidi, che gli uccelli prendono nella loro dieta di frutta e bacche. Le piume rosa dei fenicotteri derivano dai carotenoidi delle alghe che mangiano i piccoli gamberi, che è il pasto preferito dagli uccelli.
Ma in realtà esiste un modo completamente diverso di produrre colore, che si chiama colore strutturale. Il colore strutturale non usa affatto i pigmenti e invece utilizza strutture di tessuto molto elaborate su scala nanometrica. Fondamentalmente i tessuti di alcuni animali si piegheranno in strutture altamente complesse a livello di nanometri, o in altre parole, alla stessa scala della lunghezza d'onda della luce. Queste strutture influenzano il modo in cui la luce attraversa i tessuti biologici, quindi possono essenzialmente filtrare determinate lunghezze d'onda e produrre colori davvero forti. E in realtà i colori strutturali sono i colori più luminosi e più intensi che otteniamo in natura.
Quali diversi tipi di colore, o diverse strutture che producono colore, cerchi quando studi questi fossili?
Quando ho iniziato a studiare il colore, stavo lavorando con il colore strutturale negli insetti fossili. Ho iniziato a guardare questi insetti metallici. Mostravano blu, rossi, verdi e gialli brillanti, ma nessuno aveva mai davvero studiato ciò che produceva questi colori: c'era solo un singolo studio su un frammento di un pezzo di scarabeo.
Così ho studiato circa 600 di questi insetti da diverse località fossili e, insieme ad alcuni collaboratori, abbiamo ottenuto il permesso di prelevare campioni di piccoli fossili. Quando lo abbiamo fatto, indipendentemente dalle specie che stavamo guardando, tutte queste strutture in questi insetti colorati sono state prodotte da una struttura chiamata riflettore multistrato. Microscopicamente, sembra fondamentalmente un sandwich con molti strati molto sottili, forse solo 100 nanometri di spessore. Molti insetti moderni li hanno nel loro guscio esterno. Più strati ci sono, più luminoso è il colore che è sparso.
Fotografie di tre taxa scarabeo scarabeo utilizzati negli studi di taphonomy per replicare il processo di fossilizzazione in laboratorio. Durante il processo, i colori degli scarabei sono cambiati. (G. Odin, M. McNamara et al. / Journal of The Royal Society Interface 1742-5662) Eravamo interessati a scoprire perché non stavamo trovando altre strutture, come i cristalli fotonici tridimensionali, che sono strutture minuscole, complesse, stratificate che interferiscono con le particelle di luce chiamate fotoni. Le strutture potrebbero essere contorte in una struttura a diamante, una struttura cubica, una struttura esagonale e strutture ancora più complesse. Molti moderni insetti e farfalle lo mostrano. Ad esempio, la moderna farfalla Morpho è questa favolosa farfalla tropicale blu con squame che contengono cristalli fotonici 3D. Quindi ci siamo chiesti: "perché non li abbiamo mai trovati nei reperti fossili?"
Perché pensi di vedere solo strutture di riflettori multistrato nei fossili mentre altre strutture che producono colore esistono negli insetti moderni?
Abbiamo fatto un po 'di fossilizzazione sperimentale, che si chiama taphonomy. Abbiamo replicato gli aspetti del processo di fossilizzazione consentendo al degrado in laboratorio di riflettori multistrato e cristalli fotonici 3D. Entrambi sono sopravvissuti all'esperimento, che ci ha detto che questi cristalli fotonici 3D avevano lo stesso potenziale di fossilizzazione dei riflettori multistrato, quindi devono essere nella documentazione fossile da qualche parte.
Abbiamo iniziato a cercare alcuni anni fa e abbiamo segnalato il primo caso di cristalli fotonici 3D negli insetti fossili. L'esempio in cui li abbiamo trovati sul campo è molto piccolo, quindi in molti casi potrebbero essere trascurati.
Può cambiare colore nel processo di fossilizzazione?
La domanda che ci poniamo è se il colore conservato sia il colore reale. Inizialmente abbiamo studiato la chimica della struttura assumendo che sia uguale agli insetti moderni o, in altre parole, abbiamo assunto che avrebbe piegato la luce allo stesso modo. Ma quando abbiamo inserito questi valori nei nostri modelli di computer, non hanno funzionato. I modelli ci hanno detto che i colori dei nostri fossili erano effettivamente cambiati durante la fossilizzazione.
Con i nostri esperimenti siamo stati in grado di capire che il cambiamento era dovuto all'eccessiva pressione e, soprattutto, alla temperatura costante. La temperatura, abbiamo scoperto, determina davvero il cambiamento di colore di questi colori strutturali perché la struttura fisica si restringe.
Quando si studia il colore delle piante e degli animali estinti, quali specie lasciano le prove migliori?
Non si tratta di specie particolari, si tratta di conservare le cose nel modo giusto.
La maggior parte degli studi finora condotti su piume, piume di uccelli o di dinosauri, sono state tutte preservate come compressioni di carbonatazione: fossili formati nella roccia sedimentaria sotto immensa pressione. Ciò è problematico perché non si preservano le parti della piuma responsabili dei colori non melanici.
Negli uccelli esistenti, la melanina è quasi onnipresente e gli effetti della melanina sono modificati dalla presenza di altri pigmenti. Quindi, se riprendi le piume rosse di un cardinale, sembrano rosse ma all'interno, contengono carotenoidi e anche melanosomi. Se quella piuma di uccello attraversa la fossilizzazione, i carotenoidi si degraderanno e tutto ciò che rimarrebbe sono melanosomi, [e non sapresti che il cardinale era rosso].
Esiste un pericolo molto reale che molte delle ricostruzioni che abbiamo visto di uccelli fossili e dinosauri piumati potrebbero non essere rappresentative dei colori degli organismi come potremmo pensare. Se trovi prove di melanina nei fossili, potrebbe essere indicativo di motivi, ma non della tonalità reale. Quindi sosteniamo quindi che questi fossili di carbonatazione probabilmente non sono ideali per studi sul colore dei fossili.
Sebbene gli scienziati non sappiano ancora di che colore fossero i dinosauri, possono studiare le prove fossili di piume e pellicce, come su questo pterosauro, per farsi un'idea dell'ombreggiatura. (Z. Yang, B. Jiang, M. McNamara, et al. / Nature Ecology & Evolution 3, 24–30 (2019)) Quali tipi di fossili conservano meglio il colore?
Pensiamo che dovremmo cercare fossili conservati nel fosfato di calcio minerale. È stato il caso del serpente che abbiamo studiato nel 2016. I colori del serpente sono preservati; l'intera pelle del serpente è conservata in fosfato di calcio. La bellezza del fosfato di calcio è che preserva tutto. Vengono preservati tutti i pigmenti della pelle, inclusi i tre tipi di pigmenti che producono colore nei rettili moderni. Conserva il colore strutturale: rosso e giallo e il colore scuro.
Quei tipi di fossili in cui hai bloccato tutto nel fosfato di calcio, sono in realtà un obiettivo molto migliore per gli studi sul colore dei fossili rispetto alla compressione della carbonatazione.
Quindi di che colore erano i dinosauri?
Abbiamo vari dinosauri piumati per i quali abbiamo melanina in questi modelli di colore e, negli uccelli moderni, la colorazione della melanina viene modificata da altri pigmenti. Questi altri pigmenti non sono conservati come fossili, quindi non possiamo esserne sicuri per ora.
Se avessimo trovato la pelle di dinosauro che era davvero ben conservata, avremmo buone probabilità di ricostruire il colore in modo più dettagliato. Il problema è che la maggior parte della pelle di dinosauro viene conservata come impronta. Esistono numerosi esempi in cui si conserva effettivamente un sottile film organico o mineralizzato, ma anche se alcuni sono stati studiati, nessuno ha effettivamente fornito dettagli sui pigmenti.
Oggi vediamo spesso colori vivaci come avvertimenti tossici per i predatori o come un display sontuoso per attirare un compagno, o altri colori più sottili per servire da mimetizzazione. Quale scopo serviva il colore per i primi animali colorati?
Molti dinosauri che vediamo hanno controspecie, che è quando la parte posteriore e i lati sono di colore più scuro e la pancia è di un colore più chiaro. Questa è una strategia usata da molti animali moderni per aiutare a spezzare il contorno del corpo in ambienti fortemente illuminati [e fornire mimetizzazione].
In un dinosauro piumato che abbiamo studiato, la coda ha una fascia molto sorprendente su di essa. Quel tipo di bendaggio è molto comune negli animali oggi e quando si verifica su altre aree del corpo, viene in genere utilizzato per mimetizzarsi. Ma in questo specifico dinosauro, è localizzato alla coda. In questo modo un elevato contrasto cromatico nella coda negli animali moderni viene spesso utilizzato nella segnalazione sessuale, quindi per i display di accoppiamento.
Il serpente fossile che abbiamo studiato stava quasi sicuramente usando il colore per mimetizzarsi. Aveva delle macchie piuttosto sorprendenti lungo la sua lunghezza e quelle macchie probabilmente servirono di nuovo come camuffamento dirompente, per spezzare il contorno del corpo in una luce forte.
Una vibrante farfalla blu Morpho peleides, che ha strutture di cristalli fotonici 3D per produrre la sua tonalità brillante. (Marka / UIG / Getty Images) La falena fossile e alcuni insetti fossili che abbiamo studiato con i colori strutturali - abbiamo avuto la sensazione che i loro colori svolgessero una duplice funzione perché avevano un colore verde molto sorprendente. Un tale colore è criptico quando l'insetto si nasconde nella vegetazione, ma quando queste farfalle si sarebbero nutrite delle piante ospiti, ci sarebbe stato un netto contrasto di colore con i petali del fiore. Molti insetti usano questo come segnale di avvertimento per pubblicizzare che un predatore è vicino.
Quali nuovi strumenti abbiamo per studiare i tessuti molli e cosa possiamo imparare che non siamo stati in grado di imparare dai fossili fino a questo punto?
Dieci anni fa, l'idea che i fossili potessero preservare il colore non era quasi nel radar: c'era solo uno studio. Dodici anni fa, nessuno avrebbe nemmeno saputo che questo era possibile.
Esistono diverse tecniche di spettrometria di massa che osservano i frammenti molecolari sulla superficie del materiale, ma non tutti i frammenti sono diagnostici. Esistono tecniche chimiche che producono frammenti unici delle molecole di melanina, quindi non puoi confonderle con nient'altro. Le persone stanno anche osservando la chimica inorganica dei fossili e stanno cercando di recuperare prove a sostegno del colore.
Quindi è davvero importante considerare la taphonomy, la chimica dei tessuti e l'evidenza del colore, e un modo davvero carino di prendere in giro la biologia dagli effetti della fossilizzazione è fare esperimenti.
Il simposio "Life's Greatest Hits: Key Events in Evolution" del 29 marzo 2019 si svolge dalle 10 alle 16:30 presso il Museo Nazionale di Storia Naturale e presenta 10 biologi evoluzionisti e paleontologi di fama internazionale. I biglietti sono disponibili qui.
