藍(lán)翅葉鵯的藍(lán)綠色羽毛由結(jié)構(gòu)色產(chǎn)生。｜Wulong Tommy

　　作者｜韓若冰

　　編輯｜陳天真

　　說到人體的色素，我們最熟悉的就是黑色素了，它賦予我們的皮膚、頭發(fā)和眼睛以棕色、紅褐色等不同顏色。

　　黑色素的色調(diào)相當(dāng)有限，所以想要獲得其他色彩，人就要染發(fā)、紋身。可是我們知道，動(dòng)物王國還擁有無數(shù)極其絢爛的美麗生物，比如鳥類中的孔雀、緋紅金剛鸚鵡、巨嘴鳥，爬行類的豹變色龍，還有水里的小丑魚、藍(lán)環(huán)章魚等。

　　巨嘴鳥、豹變色龍、小丑魚｜來源：維基百科

　　它們是如何獲得如此美麗的色彩呢？答案不是色素，而是一種更為神奇的結(jié)構(gòu)色。

　　自然界的色彩從哪里來？

　　我們在自然界看到的許多顏色，特別是植物界的色彩，都由色素產(chǎn)生。

　　色素能反射一部分光，同時(shí)吸收其余顏色的光，比如，葉片中的葉綠素會(huì)反射光譜的綠色部分，并吸收波長較長的紅光、黃光，以及波長較短的藍(lán)光，結(jié)果使得葉片呈現(xiàn)為綠色。

　　植物是生化合成的大師，它們的細(xì)胞可以配制出多種色素，然而，動(dòng)物卻基本上失去了制造大部分色素的代謝途徑，主要擁有的只有單調(diào)的黑色素。

　　無論是為了在環(huán)境中更好地偽裝、御敵，還是要把自己裝飾得漂亮一些，在求偶時(shí)展現(xiàn)自身魅力，動(dòng)物們都非常努力地想要獲取五顏六色。

　　一方面，它們從飲食中獲取色素。比如鳥類的鮮紅色和明黃色主要來自食物中的類胡蘿卜素。問題是，雖然天空、湖泊、大海都是藍(lán)色，自然界卻很少有藍(lán)色色素可供食用，想要獲得藍(lán)色該怎么辦？

　　動(dòng)物們果斷另辟蹊徑，進(jìn)化出高超的光學(xué)“特技”，以不同方式制造出了藍(lán)色（和一些綠色）。這就是所謂的結(jié)構(gòu)色。

　　結(jié)構(gòu)色：讓藍(lán)色成為可能

　　結(jié)構(gòu)色的原理與色素類似，也是反射特定波長的光，同時(shí)吸收其余顏色的光。不同的是，結(jié)構(gòu)色的奧秘隱藏在動(dòng)物羽毛、鱗片、毛發(fā)和皮膚的微末之處。

　　動(dòng)物身體這些部位的納米結(jié)構(gòu)由于與光的波長相當(dāng)，可以使不同顏色的光發(fā)生不同程度的散射，散射光波相互作用，增強(qiáng)某些顏色，并抵消其他顏色，最終呈現(xiàn)出特定色彩。

　　比如，大藍(lán)閃蝶具有令人驚嘆的藍(lán)色虹彩，是因?yàn)槠涑岚蝼[片中的納米級凹槽結(jié)構(gòu)使藍(lán)光發(fā)生衍射和反射，同時(shí)吸收掉了光譜的其余部分。

　　大藍(lán)閃蝶令人驚嘆的藍(lán)色虹彩（上）源于翅膀鱗片中的納米結(jié)構(gòu)（下）。｜來源：muffinman71xx; Jiri Hodecek

　　結(jié)構(gòu)色除了呈現(xiàn)出特定顏色，通常還具有虹彩般的閃亮視覺效果。這是因?yàn)閺奈⒔Y(jié)構(gòu)頂部反射的光與從底部反射的光可能相位不同，從不同角度觀察時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生明暗或色調(diào)變化。

　　除了蝴蝶，其他動(dòng)物也在用各種方式實(shí)現(xiàn)自身的結(jié)構(gòu)色。

　　一種叫做青線笠螺的軟體動(dòng)物，螺殼表面透明的碳酸鈣晶體會(huì)排列成多重微觀層片，每層的厚度恰到好處（100 納米），使得藍(lán)光以外的所有光波相互抵消，從而產(chǎn)生獨(dú)特的亮藍(lán)色條紋。

　　青線笠螺獨(dú)特的藍(lán)色條紋（左）來自殼中透明碳酸鈣晶體的分層排列（右）。｜來源：johndal; Ling Li

　　章魚和其他頭足類動(dòng)物能夠掌握變色術(shù)，靠的是皮膚中一些色素細(xì)胞含有的反射蛋白層，它們可以迅速從有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序狀態(tài)。通過讓反射蛋白層變厚或者變薄，就可以反射不同波長的光，從而實(shí)現(xiàn)變色。

　　鳥類具有亮藍(lán)色羽毛，靠的也是結(jié)構(gòu)色。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在高放大倍數(shù)下，羽毛的彩色羽支呈現(xiàn)出泡沫結(jié)構(gòu)：小而均勻的氣泡懸浮在 β-角蛋白中，相鄰氣泡散射出的光相互作用，因?yàn)闅馀莸某叽缜〉胶锰帲詴?huì)產(chǎn)生藍(lán)色、綠松石色或紫外光色。

　　研究表明，在發(fā)育中的鳥類羽毛細(xì)胞內(nèi)，β-角蛋白一開始分布在充滿水的細(xì)胞質(zhì)中。細(xì)胞中的化學(xué)變化導(dǎo)致 β-角蛋白和水自發(fā)分離，并形成球形水滴。之后細(xì)胞死亡，水滴蒸發(fā)，原來占據(jù)的空間形成微型氣泡，反射特定波長的光。

　　這個(gè)過程就像是打開一瓶啤酒，突然間，溶解在液體中的二氧化碳凝聚成氣泡，氣泡長到一定大小后漂浮起來。鳥羽的泡沫結(jié)構(gòu)看起來正像啤酒上層的泡沫。

　　東南亞藍(lán)翅葉鵯（題圖）的羽支由多孔螺旋曲面結(jié)構(gòu)自組織生長產(chǎn)生，它們憑借這樣完美有序的氣泡晶體獲得了閃亮的藍(lán)色肩羽。｜來源：Vinodkumar Saranathan; Mersus

　　透明是終極的偽裝

　　大多數(shù)蝴蝶的翅膀都有鮮艷奪目的色彩，但在中美洲的熱帶雨林里生活著一種透翅蝶，它們翅膀的絕大部分像玻璃一樣透明。

　　在自然界，透明是一種終極的偽裝，可以輕松融入任何背景。只要透翅蝶靜靜待著，依賴動(dòng)態(tài)視覺的兩棲類捕獵者就會(huì)對它們視而不見。

　　透翅蝶翅膀的絕大部分像玻璃一樣透明，是一種絕妙的偽裝。｜來源：David Tiller

　　要實(shí)現(xiàn)透明，也需要調(diào)整翅膀的微觀結(jié)構(gòu)，不過這次是為了使光線的散射和反射最小化。透翅蝶是如何實(shí)現(xiàn)完美隱身的呢？

　　直到今年5月，研究人員才揭示了其中奧秘，并將結(jié)果發(fā)表在《實(shí)驗(yàn)生物學(xué)雜志》上。他們發(fā)現(xiàn)，在顯微鏡下，透翅蝶翅膀的黑色邊緣密密麻麻布滿了扁平葉狀鱗片，中間的透明區(qū)域則是稀疏的鬃毛狀鱗片，允許光最大程度地透過。

　　不過，如果透明區(qū)域完全平坦，光線在空氣和翅膀的交界處很容易發(fā)生反射。透翅蝶巧妙地在翅膀的透明區(qū)域覆蓋了一層蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)，表面凹凸不平，讓空氣和翅膀間的光學(xué)性質(zhì)逐漸改變，最終保證盡可能多的光線通過，只反射大約2%的光。

　　透翅蝶翅膀的黑色邊緣與透明區(qū)域的交疊處（左）有兩種鱗片：透明區(qū)域是稀疏的鬃毛狀鱗片（中），黑色邊緣則包含重疊的葉狀鱗片（右）。（圖中顏色為偽色）｜來源：A. POMERANTZ /ET AL/JEB/ 2021

　　人類工程師常常需要精密的設(shè)計(jì)來制造各種材料，但漫長的自然演化讓動(dòng)物們輕松就可以實(shí)現(xiàn)各種精妙的結(jié)構(gòu)，這對于我們無疑非常有啟發(fā)性。

　　比如，蝴蝶翅膀上的納米級凹槽結(jié)構(gòu)，為制造暗場成像顯微鏡的材料提供了靈感。而為了用光纖更有效地傳輸藍(lán)光，我們可以用鳥類羽毛上發(fā)現(xiàn)的藍(lán)光反射材料作為光纖電纜的內(nèi)襯，確保藍(lán)色光子不會(huì)逸出。

　　我們或許早已習(xí)慣這個(gè)五彩斑斕的世界，但要完全弄清楚自然的色彩從何而來，常常需要深入納米尺度的微觀世界，揭開隱藏的奧秘。

　　參考鏈接：

　　[1]https://www.quantamagazine.org/how-blue-animals-color-themselves-with-nanostructures-20210616/

　　[2]https://www.sciencenews.org/article/new-images-how-glasswing-butterflies-wings-transparent

歡迎掃碼入群！

深圳科普將定期推出

公益、免費(fèi)、優(yōu)惠的活動(dòng)和科普好物！