Para el ojo inexperto, la mayoría de los fósiles no parecen estar llenos de color. El primer análisis científico del color fósil se publicó hace solo una década, y hasta hace poco, determinar la paleta de colores del mundo prehistórico parecía una tarea insuperable.
Maria McNamara, paleontóloga del University College Cork en Irlanda, está tratando de reconstruir la evidencia fósil para pintar una imagen colorida del pasado. Cuando las personas piensan en paleontología, a menudo piensan en dientes y huesos duros, pero las partes más blandas de los animales, como la piel, el tejido muscular y los órganos internos, también pueden conservarse en el registro fósil. Es mucho más raro, por supuesto, porque las cosas blandas generalmente se pudren, pero los tejidos blandos son exactamente el tipo de especímenes que McNamara está buscando. Ella estudia los tejidos de insectos y vertebrados para imaginar cómo se veían estas criaturas y cómo interactuaban con sus entornos: cuáles eran sus depredadores, dónde vivían, cuáles podrían haber sido sus hábitos de apareamiento y más.
McNamara discutirá su trabajo para encontrar los restos de color en los fósiles en el simposio "Los mejores éxitos de la vida: eventos clave en la evolución" del Museo Nacional de Historia Natural del Smithsonian el viernes 29 de marzo en Washington DC. Antes de su charla, Smithsonian.com habló con McNamara para aprender más sobre los colores del mundo antiguo.
Hablando científicamente, ¿qué es el color y cómo se mide?
El color es simplemente luz visible. Cualquier cosa que dispersa energía entre las longitudes de onda de 400 y 700 nanómetros es lo que los científicos llaman luz visible. El ojo humano está entrenado para percibir diferencias sutiles en la energía dentro de esa ventana. Otros animales pueden ver el color más allá de esa ventana. Por ejemplo, las aves tienen sensibilidades a la luz ultravioleta, por lo que pueden percibir longitudes de onda más cortas de energía. Muchos insectos también pueden ver la luz ultravioleta y potencialmente en el infrarrojo, que tiene longitudes de onda más largas. Lo que llamas color realmente depende del tipo de animal que seas.
Para ponerlo en sus términos más simples, el color es una forma de energía que podemos percibir, y diferentes longitudes de onda crean diferentes colores.
¿De qué maneras se desarrolla el color en la naturaleza?
El color se puede producir de dos maneras diferentes. Muchos organismos modernos, incluidos los animales, producen color utilizando pigmentos. Los pigmentos son sustancias químicas que absorben selectivamente la luz de longitudes de onda específicas. Por ejemplo, las hojas de las plantas se ven verdes porque las moléculas en clorofila dentro de las hojas absorben todas las longitudes de onda en la parte roja y azul del espectro, y están reflejando los verdes y amarillos que podemos ver.
Los insectos son la forma dominante de vida animal en la Tierra con más de 1 millón de especies descritas y posiblemente hasta 15 veces más que se desconocen. Entre los insectos, los escarabajos han demostrado ser uno de los grupos más exitosos y coloridos, representando el 40 por ciento de todas las especies de insectos y el 30 por ciento de todas las especies animales. (Chip Clark / Institución Smithsonian) El pigmento más común en las plantas es la clorofila, pero en los animales, algunos de los pigmentos más comunes son las melaninas. Producen el color de nuestro cabello. Producen los colores marrones en los hongos, por ejemplo, y los colores oscuros de las plumas de las aves.
También tenemos pigmentos comunes llamados carotenoides, y estos son producidos exclusivamente por plantas. Pero muchos animales ingieren carotenoides en su dieta y los usan para colorear sus tejidos. Entonces, por ejemplo, el color rojo de un cardenal, que es común en la costa este de los Estados Unidos, es producido por los carotenoides, que las aves ingieren en su dieta de frutas y bayas. Las plumas rosadas de los flamencos se derivan de los carotenoides en las algas que comen los pequeños camarones, que es la comida favorita de las aves.
Pero en realidad existe esta forma completamente diferente de producir color, y eso se llama color estructural. El color estructural no usa pigmentos y usa estructuras de tejido muy ornamentadas a nanoescala. Básicamente, los tejidos de algunos animales se pliegan en estructuras altamente complejas a nivel nanométrico, o en otras palabras, a la misma escala que la longitud de onda de la luz. Esas estructuras afectan la forma en que la luz pasa a través de los tejidos biológicos, por lo que esencialmente pueden filtrar ciertas longitudes de onda y producir colores realmente fuertes. Y en realidad los colores estructurales son los colores más brillantes e intensos que obtenemos en la naturaleza.
¿Qué diferentes tipos de color, o diferentes estructuras que producen color, buscas cuando estudias estos fósiles?
Cuando comencé a estudiar el color, estaba trabajando con el color estructural de los insectos fósiles. Empecé mirando estos insectos metálicos. Mostraban azules, rojos, verdes y amarillos brillantes, pero nadie había estudiado realmente lo que estaba produciendo estos colores: solo había un estudio de un fragmento de un escarabajo.
Así que estudié unos 600 de estos insectos de muchas localidades fósiles diferentes, y junto con algunos colaboradores, obtuvimos permiso para tomar muestras de los pequeños fósiles. Cuando hicimos esto, independientemente de la especie que estuviéramos mirando, todas estas estructuras en estos insectos coloreados fueron producidas por una estructura llamada reflector multicapa. Microscópicamente, básicamente se ve como un sándwich con muchas capas muy delgadas, tal vez solo de 100 nanómetros de espesor. Muchos insectos modernos tienen estos en su capa externa. Cuantas más capas haya, más brillante será el color disperso.
Fotografías de tres de los taxones de escarabajos escarabajo que se utilizaron en estudios de tafonomía para replicar el proceso de fosilización en el laboratorio. Durante el proceso, los colores de los escarabajos cambiaron. (G. Odin, M. McNamara et al. / Journal of The Royal Society Interface 1742-5662) Estábamos interesados en descubrir por qué no estábamos encontrando otras estructuras, como los cristales fotónicos tridimensionales, que son estructuras pequeñas, complejas y en capas que interfieren con las partículas de luz llamadas fotones. Las estructuras pueden estar torcidas en una estructura de diamante, una estructura cúbica, una estructura hexagonal e incluso estructuras más complejas. Muchos insectos y mariposas modernos muestran esto. Por ejemplo, la mariposa Morpho moderna es esta fabulosa mariposa tropical azul con escamas que contienen cristales fotónicos en 3D. Entonces nos preguntamos, "¿por qué nunca encontramos estos en el registro fósil?"
¿Por qué crees que solo estabas viendo estructuras reflectoras multicapa en los fósiles mientras existen otras estructuras productoras de color en los insectos modernos?
Hicimos una fosilización experimental, que se llama tafonomía. Replicamos los aspectos del proceso de fosilización permitiendo que tanto los reflectores multicapa como los cristales fotónicos 3D se degraden en el laboratorio. Ambos sobrevivieron al experimento, que nos dijo que estos cristales fotónicos 3D tenían el mismo potencial de fosilización que los reflectores multicapa, por lo que deben estar en el registro fósil en alguna parte.
Comenzamos a buscar hace unos años, e informamos el primer caso de cristales fotónicos 3D en insectos fósiles. El ejemplo en el que los encontramos en el campo es muy pequeño, por lo que en muchos casos podrían pasarse por alto.
¿Puede cambiar el color en el proceso de fosilización?
La pregunta que encontramos es si el color preservado es el color real. Inicialmente estudiamos la química de la estructura asumiendo que es lo mismo que los insectos modernos, o en otras palabras, asumimos que doblaría la luz de la misma manera. Pero cuando ingresamos esos valores en nuestros modelos de computadora, no funcionaron. Los modelos nos dijeron que los colores de nuestros fósiles realmente habían cambiado durante la fosilización.
Con nuestros experimentos pudimos determinar que el cambio se debió al exceso de presión y, lo que es más importante, a la temperatura constante. Descubrimos que la temperatura realmente impulsa el cambio de color de estos colores estructurales porque la estructura física se contrae.
Al estudiar el color de plantas y animales extintos, ¿qué especies dejan la mejor evidencia?
No se trata de especies particulares, se trata de preservar las cosas de la manera correcta.
La mayoría de los estudios que se han realizado hasta ahora se han realizado sobre plumas, ya sea plumas en pájaros o dinosaurios, y todos se han conservado como compresiones de carbonatación: fósiles formados en rocas sedimentarias bajo una presión inmensa. Esto es problemático porque no conserva las partes de la pluma que son responsables de los colores que no son melanina.
En las aves existentes, la melanina es casi omnipresente, y los efectos de la melanina se modifican por la presencia de otros pigmentos. Entonces, si tomas de nuevo las plumas rojas de un cardenal, se ven rojas pero por dentro, contienen carotenoides y también melanosomas. Si esa pluma de ave pasa por la fosilización, los carotenoides se degradarán y todo lo que quedaría serían melanosomas, [y no sabría que el cardenal estaba rojo].
Existe un peligro muy real de que muchas de las reconstrucciones que hemos estado viendo de aves fósiles y dinosaurios emplumados pueden no ser representativas de los colores de los organismos, como podríamos pensar. Si encuentra evidencia de melanina en los fósiles, puede ser indicativo de patrones, pero no del tono real. Entonces argumentamos que estos fósiles de carbonatación probablemente no sean ideales para estudios de color fósil.
Aunque los científicos aún no saben de qué color eran los dinosaurios, pueden estudiar la evidencia fósil de plumas y pelaje, como en este pterosaurio, para tener una idea del sombreado. (Z. Yang, B. Jiang, M. McNamara, et al. / Nature Ecology & Evolution 3, 24-30 (2019)) ¿Qué tipos de fósiles conservan mejor el color?
Creemos que deberíamos buscar fósiles conservados en el mineral fosfato de calcio. Ese fue el caso de la serpiente que estudiamos en 2016. Se conservan los colores de la serpiente; Toda la piel de la serpiente se conserva en fosfato de calcio. La belleza del fosfato de calcio es que conserva todo. Se conservan todos los pigmentos de la piel, incluidos los tres tipos de pigmentos que producen color en los reptiles modernos. Conserva el color estructural: rojo y amarillo, y el color oscuro.
Ese tipo de fósiles en los que ha bloqueado todo en fosfato de calcio, en realidad son un objetivo mucho mejor para los estudios de color fósil que la compresión de carbonatación.
Entonces, ¿de qué color eran los dinosaurios?
Tenemos varios dinosaurios emplumados para los que tenemos melanina en estos patrones de color, y en las aves modernas, la coloración de melanina se modifica por otros pigmentos. Estos otros pigmentos no se conservan como fósiles, por lo que no podemos estar seguros por ahora.
Si encontramos una piel de dinosaurio que esté realmente bien conservada, tendríamos una buena oportunidad de reconstruir el color con más detalle. El problema es que la mayoría de las pieles de dinosaurios se conservan como impresiones. Hay varios ejemplos en los que realmente retiene una película delgada orgánica o mineralizada, pero a pesar de que se han estudiado algunos, ninguno ha dado detalles de los pigmentos.
Hoy, a menudo vemos los colores brillantes como advertencias tóxicas para los depredadores o como una exhibición lujosa para atraer a una pareja, u otros colores más sutiles para servir de camuflaje. ¿Para qué sirvió el color a los primeros animales coloridos?
Muchos dinosaurios que vemos tienen un sombreado, que es cuando la parte posterior y los lados son de color más oscuro y la barriga es más pálida. Esta es una estrategia utilizada por muchos animales modernos para ayudar a romper el contorno del cuerpo en ambientes con mucha luz [y proporcionar camuflaje].
En un dinosaurio emplumado que estudiamos, la cola tiene bandas muy llamativas. Ese tipo de bandas es muy común en los animales hoy en día, y cuando ocurre en otras áreas del cuerpo, generalmente se usa para camuflar. Pero en este dinosaurio específico, se localiza en la cola. De modo que el alto contraste de color en la cola en los animales modernos a menudo se usa en la señalización sexual, por lo que para las exhibiciones de apareamiento.
La serpiente fósil que estudiamos casi seguramente usaba color para el camuflaje. Tenía manchas bastante llamativas a lo largo de su longitud, y esas manchas probablemente sirvieron nuevamente como camuflaje disruptivo, para romper el contorno del cuerpo con una luz intensa.
Una vibrante mariposa azul Morpho peleides, que tiene estructuras de cristal fotónico 3D para producir su tono brillante. (Marka / UIG / Getty Images) La polilla fósil y algunos insectos fósiles que estudiamos con colores estructurales nos dieron la sensación de que sus colores tenían una doble función porque tenían un color verde muy llamativo. Tal color es críptico cuando el insecto se esconde en la vegetación, pero cuando estas mariposas se habrían alimentado de las plantas hospederas, habría un fuerte contraste de color con los pétalos de la flor. Muchos insectos usan esto como una señal de advertencia para anunciar que un depredador está cerca.
¿Qué nuevas herramientas tenemos para estudiar los tejidos blandos y qué podemos aprender que hasta ahora no hemos podido aprender de los fósiles?
Hace diez años, la idea de que los fósiles podían preservar el color apenas estaba en el radar: solo había un estudio. Hace doce años, nadie sabría que esto era posible.
Existen varias técnicas de espectrometría de masas que observan los fragmentos moleculares en la superficie de su material, pero no todos los fragmentos son diagnósticos. Existen técnicas químicas que producen fragmentos únicos de las moléculas de melanina, por lo que no puede confundirlas con nada más. La gente también está observando la química inorgánica de los fósiles e intentando recuperar evidencia de color.
Por lo tanto, es realmente importante considerar la tafonomía, la química del tejido y la evidencia del color, y una forma realmente agradable de extraer la biología de los efectos de la fosilización es hacer experimentos.
El simposio “Los mejores éxitos de la vida: eventos clave en la evolución” el 29 de marzo de 2019 se lleva a cabo de 10 a.m. a 4:30 p.m.en el Museo Nacional de Historia Natural y presenta a 10 biólogos y paleontólogos evolucionistas de renombre internacional. El boleto está disponible aquí.
