昆虫作为地球上物种多样性最高的类群，其化石纪录最早可追溯至泥盆纪（约3.8亿年前）。昆虫拥有极其丰富的体表颜色及色型（Colour pattern），昆虫的颜色包括色素色和结构色两类。色素色是由昆虫体内特定的化学物质（即色素）生成，如常见的七星瓢虫、通体翠绿的蚂蚱和螳螂的颜色都属于色素色。结构色由昆虫体表周期性排列的纳米结构经光照形成，与色素色相比通常更加明亮且呈金属光泽，如蝴蝶鳞片闪烁的光泽和吉丁虫体表的彩虹色等。这些颜色和色型在伪装、恐吓捕食者和求偶等行为中发挥着关键作用。因此，重建昆虫化石的颜色和色型对于系统理解昆虫演化历史具有重要的意义。
近二十年来，昆虫化石的结构色研究进展显著，研究人员相继在多个类群的化石中发现了结构色保存的证据。由于形成结构色的表皮超微结构不易保存，结构色的化石证据迄今主要发现于新生代的昆虫化石。相比之下，昆虫的色素色研究还很薄弱。前人在很多昆虫类群的化石中都发现了由颜色深浅相间组成的条带状、斑点状和色块状等单色调图案，最早的化石记录可追溯至石炭纪（约3.5亿年前）的古网翅目昆虫。这些单色调图案是否代表昆虫原始色素色组成的色型一直没有得到实验证实。
图1. 保存有单色调色斑的直翅目昆虫标本
太阳官网姜宝玉教授和惠鹤九教授联合爱尔兰科克大学Maria E. McNamara教授和中国科学院南京地质古生物研究所王博研究员组成的研究团队，基于内蒙古宁城道虎沟地区具单色调色斑的侏罗纪直翅目昆虫化石和带有黑色素色斑的现生鞘翅目昆虫材料，采用形态学分析和高温模拟实验相结合的方法展开了研究。
利用场发射扫描电镜等技术手段，发现化石色斑的深浅区域之间存在显著的保存差异。在化石标本的深色区域保存了一层厚度约为20-30微米的表皮残留物，并且保留有孔道（pore canals）等超微表皮结构，而浅色区域并未发现任何表皮残留物，EDS结果也显示深色区域的有机质含量更高。
图2.化石色斑深浅区域的对比分析
对现生昆虫的高温模拟实验（200-500℃, 1bar, 24h）研究表明，富含黑色素的昆虫表皮具有更高的抗降解能力。随着温度的升高，黑色素相对缺乏的昆虫表皮表现出显著的收缩和降解。当实验温度处于两者的降解阈值之间时，黑色素不富集的昆虫表皮被降解为白色残余物，而黑色素富集的表皮部分仍为深色，呈现出和原始黑色素分布区域一致的单色调图案。扫描电镜揭示黑色素富集的表皮仍保留有一定的表皮结构，而黑色素不富集的表皮已被降解为破碎残留物。高温实验形成的单色调色型与化石中保存的单色调色型在形态和保存特征方面都十分相似。因此，研究团队提出昆虫化石中的单色调色斑是由表皮降解程度的差异形成的，反映了由原始的黑色素分布差异形成的色素色。这一研究结果对进一步理解昆虫颜色的演化及其行为特征都具有重要科学意义。
图3. 高温处理后昆虫表皮出现的单色调图案，以Harmonia axyridis为例。图中上排为实验前的样品，下排为对应样品高温处理后。
图4. 图1所示直翅目昆虫的生态复原图
该研究成果于2023年9月20日（英国时间）发表于国际知名期刊Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences。论文第一作者为太阳集团tyc539太阳集团tyc539博士研究生王盛宇，太阳集团tyc539姜宝玉教授和科克大学Maria E. McNamara教授为共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委、国家留学基金委和欧洲研究理事会（European Research Council）等项目的资助。
文章详情：Wang, S., McNamara, M.E., Wang, B., Hui, H., and Jiang, B., 2023. The origins of color patterns in fossil insects revealed by maturation experiments. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 290, 20231333. https://doi.org/10.1098/rspb.2023.1333
