Pour l'œil non averti, la plupart des fossiles ne semblent pas être colorés. La première analyse scientifique de la couleur des fossiles a été publiée il y a à peine dix ans. Jusqu'à récemment, déterminer la palette de couleurs du monde préhistorique semblait une tâche insurmontable.
Maria McNamara, paléontologue à l'University College Cork en Irlande, tente de rassembler les preuves fossiles pour brosser un tableau coloré du passé. Lorsque les gens pensent à la paléontologie, ils pensent souvent aux dents et aux os durs, mais les parties molles des animaux, comme la peau, les tissus musculaires et les organes internes, peuvent également être conservées dans les archives fossiles. C'est beaucoup plus rare, bien sûr, parce que la matière visqueuse se décompose généralement, mais les tissus mous sont exactement le genre de spécimens que McNamara recherche. Elle étudie les tissus d'insectes et de vertébrés afin de comprendre à quoi ressemblaient ces créatures et leur interaction avec leur environnement - quels étaient leurs prédateurs, où elles vivaient, quelles étaient leurs habitudes de reproduction et plus encore.
McNamara discutera de son travail visant à trouver les restes de couleur dans les fossiles lors du symposium "Les plus beaux succès de la vie: des événements clés dans l'évolution" du Musée national d'histoire naturelle du Smithsonian, le vendredi 29 mars à Washington DC. Avant son entretien, Smithsonian.com a parlé à McNamara pour en savoir plus sur les couleurs du monde antique.
Scientifiquement parlant, qu'est-ce que la couleur et comment la mesure-t-on?
La couleur est simplement la lumière visible. Tout ce qui diffuse de l’énergie entre 400 et 700 nanomètres est ce que les scientifiques appellent la lumière visible. L'œil humain est entraîné à percevoir les différences subtiles d'énergie à l'intérieur de cette fenêtre. D'autres animaux peuvent voir la couleur au-delà de cette fenêtre. Par exemple, les oiseaux ont une sensibilité à la lumière ultraviolette, ce qui leur permet de percevoir des longueurs d'onde d'énergie plus courtes. De nombreux insectes peuvent également voir la lumière ultraviolette et potentiellement dans l'infrarouge, qui a des longueurs d'onde plus longues. Ce que vous appelez couleur dépend vraiment de quel type d'animal vous êtes.
Pour le dire plus simplement, la couleur est une forme d'énergie que nous pouvons percevoir et différentes longueurs d'onde créent des couleurs différentes.
De quelle manière la couleur se développe-t-elle dans la nature?
La couleur peut être produite de deux manières différentes. De nombreux organismes modernes, y compris les animaux, produisent des couleurs à l'aide de pigments. Les pigments sont des produits chimiques qui absorbent sélectivement la lumière de longueurs d'onde spécifiques. Par exemple, les feuilles des plantes paraissent vertes car les molécules de chlorophylle à l'intérieur des feuilles absorbent toutes les longueurs d'ondes des parties rouge et bleue du spectre et reflètent les verts et les jaunes que nous pouvons voir.
Les insectes sont la forme dominante de la vie animale sur Terre avec plus d'un million d'espèces décrites et peut-être jusqu'à 15 fois plus d'inconnus. Parmi les insectes, les coléoptères se sont révélés être l’un des groupes les plus performants - et les plus colorés - représentant 40% de toutes les espèces d’insectes et 30% de toutes les espèces animales. (Chip Clark / Smithsonian Institution) Le pigment le plus commun dans les plantes est la chlorophylle, mais chez les animaux, certains des pigments les plus courants sont les mélanines. Ils produisent la couleur de nos cheveux. Ils produisent les couleurs brunes des champignons, par exemple, et les couleurs sombres des plumes d’oiseaux.
Nous avons également des pigments communs appelés caroténoïdes, produits exclusivement par les plantes. Mais de nombreux animaux ingèrent des caroténoïdes dans leur alimentation et les utilisent pour colorer leurs tissus. Ainsi, par exemple, la couleur rouge d'un cardinal, qui est courante sur la côte est des États-Unis, est produite par les caroténoïdes, que les oiseaux absorbent dans leur alimentation en fruits et en baies. Les plumes roses des flamants roses proviennent des caroténoïdes des algues que mangent les crevettes minuscules, qui constituent le repas préféré des oiseaux.
Mais il existe en fait une toute autre façon de produire de la couleur, appelée couleur structurelle. La couleur structurelle n'utilise pas du tout de pigments mais utilise des structures tissulaires très ornées à l'échelle nanométrique. Fondamentalement, les tissus de certains animaux se plieront en structures très complexes au niveau nanométrique ou, en d'autres termes, à la même échelle que la longueur d'onde de la lumière. Ces structures affectent le passage de la lumière à travers les tissus biologiques. Elles peuvent donc filtrer certaines longueurs d'onde et produire des couleurs très fortes. Et en réalité, les couleurs structurelles sont les couleurs les plus vives et les plus intenses que nous obtenons dans la nature.
Quels types de couleurs ou quelles structures qui produisent de la couleur recherchez-vous lorsque vous étudiez ces fossiles?
Quand j'ai commencé à étudier la couleur, je travaillais avec la couleur structurelle des insectes fossiles. J'ai commencé à regarder ces insectes métalliques. Ils présentaient des bleus, des rouges, des verts et des jaunes éclatants, mais personne n'avait jamais vraiment étudié ce qui produisait ces couleurs - il n'y avait qu'une seule étude d'un fragment d'un fragment de coléoptère.
J'ai donc étudié environ 600 de ces insectes provenant de nombreuses localités de fossiles et, avec quelques collaborateurs, nous avons obtenu l'autorisation de prélever des échantillons de ces minuscules fossiles. Lorsque nous avons fait cela, quelle que soit l'espèce que nous examinions, toutes ces structures de ces insectes colorés étaient produites par une structure appelée réflecteur multicouche. Au microscope, cela ressemble à un sandwich avec beaucoup de très fines couches, peut-être seulement 100 nanomètres d'épaisseur. Beaucoup d'insectes modernes ont ces derniers dans leur coquille extérieure. Plus il y a de couches, plus la couleur dispersée est brillante.
Photographies de trois des taxa de scarabées utilisés dans les études de taphonomie pour reproduire le processus de fossilisation en laboratoire. Au cours du processus, les couleurs des coléoptères ont changé. (G. Odin, M. McNamara et al. / Interface de la Société Royale Interface 1742-5662) Nous voulions savoir pourquoi nous ne trouvions pas d'autres structures, telles que les cristaux photoniques tridimensionnels, qui sont de minuscules structures complexes en couches qui interfèrent avec des particules lumineuses appelées photons. Les structures peuvent être tordues en une structure en diamant, une structure cubique, une structure hexagonale et des structures encore plus complexes. De nombreux insectes et papillons modernes en témoignent. Par exemple, le papillon Morpho moderne est ce fabuleux papillon bleu tropical avec des écailles qui contiennent des cristaux photoniques 3D. Nous nous sommes donc demandé: «Pourquoi n'avons-nous jamais trouvé cela dans les archives fossiles?"
Pourquoi pensez-vous que vous ne voyiez que des structures de réflecteurs multicouches dans les fossiles alors que d'autres structures produisant des couleurs existent chez les insectes modernes?
Nous avons effectué des fossilisations expérimentales, appelées taphonomie. Nous avons reproduit les aspects du processus de fossilisation en permettant à la fois aux réflecteurs multicouches et aux cristaux photoniques 3D de se dégrader en laboratoire. Les deux d'entre eux ont survécu à l'expérience, qui nous a appris que ces cristaux photoniques 3D avaient le même potentiel de fossilisation que les réflecteurs multicouches. Ils doivent donc figurer quelque part dans les archives fossiles.
Nous avons commencé à chercher il y a quelques années et avons signalé le premier cas de cristaux photoniques 3D d'insectes fossiles. L'exemple où nous les avons trouvés sur le terrain est très petit, et dans de nombreux cas, ils peuvent simplement être négligés.
La couleur peut-elle changer dans le processus de fossilisation?
La question que nous rencontrons est de savoir si la couleur préservée est la couleur réelle. Nous avons d'abord étudié la chimie de la structure en supposant que c'était la même chose que les insectes modernes - ou, en d'autres termes, nous avons supposé que la lumière serait courbée de la même manière. Mais lorsque nous avons saisi ces valeurs dans nos modèles informatiques, elles n’ont pas fonctionné. Les modèles nous ont dit que les couleurs de nos fossiles avaient en réalité changé pendant la fossilisation.
Nos expériences nous ont permis de déterminer que le changement était dû à une pression excessive et, plus important encore, à une température constante. Nous avons constaté que la température entraîne réellement le changement de couleur de ces couleurs structurelles, car la structure physique se contracte.
Lorsqu'on étudie la couleur de plantes et d'animaux éteints, quelles espèces laissent derrière elles les meilleures preuves?
Il ne s'agit pas d'espèces particulières, mais de préserver les choses de la bonne manière.
La plupart des études qui ont été faites jusqu'à présent ont été réalisées sur les plumes, plumes d'oiseaux ou dinosaures, et elles ont toutes été conservées sous la forme de compressions de carbonatation: des fossiles formés dans une roche sédimentaire sous une pression immense. Ceci est problématique car vous ne conservez pas les parties de la plume responsables des couleurs non mélaniques.
Chez les oiseaux existants, la mélanine est presque omniprésente et les effets de la mélanine sont modifiés par la présence d’autres pigments. Donc, si vous reprenez les plumes rouges d'un cardinal, elles ont l'air rouges mais à l'intérieur, elles contiennent des caroténoïdes ainsi que des mélanosomes. Si cette plume d'oiseau passe par la fossilisation, les caroténoïdes se dégraderont et il ne vous restera plus que des mélanosomes [sans savoir que le cardinal est rouge].
Il existe un risque très réel que bon nombre des reconstructions d'oiseaux fossiles et de dinosaures à plumes que nous avons examinées ne soient pas représentatives de la couleur des organismes, comme nous pourrions le penser. Si vous trouvez des traces de mélanine dans les fossiles, cela peut indiquer une structure, mais pas la teinte réelle. Nous soutenons donc que ces fossiles de carbonatation ne sont probablement pas idéaux pour les études de la couleur des fossiles.
Bien que les scientifiques ne sachent pas encore quelle était la couleur des dinosaures, ils peuvent étudier les traces fossiles de plumes et de fourrures, comme sur ce ptérosaure, pour se faire une idée de l'ombrage. (Z. Yang, B. Jiang, M. McNamara et coll. / Nature Ecology & Evolution 3, 24-30 (2019)) Quels types de fossiles préservent le mieux la couleur?
Nous pensons que nous devrions rechercher des fossiles conservés dans le phosphate de calcium. C'était le cas du serpent que nous avons étudié en 2016. Les couleurs du serpent sont préservées; toute la peau du serpent est conservée dans du phosphate de calcium. La beauté du phosphate de calcium, c'est qu'il préserve tout. Les pigments entiers de la peau sont préservés, y compris les trois types de pigments qui produisent de la couleur chez les reptiles modernes. Il préserve la couleur structurelle: rouge et jaune et la couleur sombre.
Ces types de fossiles dans lesquels vous avez tout bloqué dans du phosphate de calcium constituent en réalité une bien meilleure cible pour les études de couleur des fossiles que la compression de la carbonatation.
Alors de quelle couleur étaient les dinosaures?
Nous avons divers dinosaures à plumes pour lesquels nous avons la mélanine dans ces motifs de couleurs, et chez les oiseaux modernes, la coloration de la mélanine est modifiée par d'autres pigments. Ces autres pigments ne sont pas conservés sous forme de fossiles, nous ne pouvons donc pas en être sûr pour l'instant.
Si nous trouvions une peau de dinosaure vraiment bien conservée, nous aurions de bonnes chances de reconstituer la couleur plus en détail. Le problème est que la plupart des peaux de dinosaures sont conservées sous forme d'impressions. Il existe un certain nombre d'exemples dans lesquels vous conservez en réalité un mince film organique ou minéralisé, mais même si quelques-uns ont été étudiés, aucun n'a en réalité fourni de détails sur les pigments.
Aujourd'hui, nous voyons souvent des couleurs vives comme des avertissements toxiques pour les prédateurs ou comme un étalage somptueux pour attirer un partenaire, ou d'autres couleurs plus subtiles pour servir de camouflage. Quel est le but de la couleur pour les premiers animaux colorés?
De nombreux dinosaures que nous voyons ont un contre-ombrage, c'est-à-dire lorsque le dos et les côtés sont plus foncés et que le ventre est plus pâle. Il s'agit d'une stratégie utilisée par de nombreux animaux modernes pour aider à rompre les contours du corps dans des environnements à forte luminosité [et à les camoufler].
Dans un dinosaure à plumes que nous avons étudié, la queue porte des baguettes très frappantes. De nos jours, ce type de baguage est très courant chez les animaux. Lorsqu'il est utilisé dans d'autres parties du corps, il est généralement utilisé pour le camouflage. Mais dans ce dinosaure spécifique, il est localisé à la queue. Ainsi, le contraste de couleur élevé dans la queue chez les animaux modernes est souvent utilisé dans la signalisation sexuelle, donc pour les affichages d'accouplement.
Le serpent fossile que nous avons étudié utilisait presque certainement la couleur pour le camouflage. Il y avait des taches assez frappantes sur toute sa longueur, et ces taches ont probablement servi encore une fois de camouflage perturbateur, pour casser le contour du corps sous une lumière vive.
Un papillon Morpho peleides bleu vibrant, doté de structures à cristaux photoniques 3D pour produire sa teinte éclatante. (Marka / UIG / Getty Images) Le papillon fossile et certains insectes fossiles que nous avons étudiés avec des couleurs structurelles - nous avons eu l’impression que leurs couleurs remplissaient une double fonction car elles avaient une couleur verte très frappante. Une telle couleur est cryptique lorsque l'insecte se cache dans la végétation, mais lorsque ces papillons se seraient nourris des plantes hôtes, il y aurait eu un contraste de couleurs vif avec les pétales de la fleur. De nombreux insectes utilisent cela comme un avertissement pour annoncer la présence d'un prédateur.
Quels nouveaux outils avons-nous pour étudier les tissus mous, et que pouvons-nous apprendre sans avoir pu apprendre des fossiles jusqu'à présent?
Il y a dix ans, la notion selon laquelle les fossiles pouvaient préserver la couleur était à peine évoquée - il n'y avait qu'une seule étude. Il y a douze ans, personne ne savait même que c'était possible.
Il existe plusieurs techniques de spectrométrie de masse qui examinent les fragments moléculaires à la surface de votre matériau, mais tous les fragments ne sont pas diagnostiques. Il existe des techniques chimiques qui produisent des fragments uniques de molécules de mélanine, vous ne pouvez donc pas les confondre avec quoi que ce soit d'autre. Les gens se penchent également sur la chimie inorganique des fossiles et tentent de récupérer des preuves à l'appui de la couleur.
Il est donc très important de prendre en compte la taphonomie, la chimie des tissus et les traces de couleur. Un moyen très agréable de démêler la biologie des effets de la fossilisation est de faire des expériences.
Le symposium «Les plus grands succès de la vie: événements clés de l'évolution», qui se tiendra le 29 mars 2019, aura lieu de 10 h à 16 h 30 au Muséum national d'histoire naturelle. Il réunira 10 biologistes et paléontologues de l'évolution de renommée internationale. Les billets sont disponibles ici.
