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为什么你只有黑色素,动物们却有五彩斑斓的蓝?

来源:科普中国 作者:韩若冰 发布时间:2021-07-07 09:17:40 浏览次数: 【字体:

蓝翅叶鹎的蓝绿色羽毛由结构色产生

说到人体的色素,我们最熟悉的就是黑色素了,它赋予我们的皮肤、头发和眼睛以棕色、红褐色等不同颜色。

黑色素的色调相当有限,所以想要获得其他色彩,人就要染发、纹身。可是我们知道,动物王国还拥有无数极其绚烂的美丽生物,比如鸟类中的孔雀、绯红金刚鹦鹉、巨嘴鸟,爬行类的豹变色龙,还有水里的小丑鱼、蓝环章鱼等。

巨嘴鸟、豹变色龙、小丑鱼|来源:维基百科

它们是如何获得如此美丽的色彩呢?答案不是色素,而是一种更为神奇的结构色。

自然界的色彩从哪里来?

我们在自然界看到的许多颜色,特别是植物界的色彩,都由色素产生。

色素能反射一部分光,同时吸收其余颜色的光,比如,叶片中的叶绿素会反射光谱的绿色部分,并吸收波长较长的红光、黄光,以及波长较短的蓝光,结果使得叶片呈现为绿色。

植物是生化合成的大师,它们的细胞可以配制出多种色素,然而,动物却基本上失去了制造大部分色素的代谢途径,主要拥有的只有单调的黑色素。

无论是为了在环境中更好地伪装、御敌,还是要把自己装饰得漂亮一些,在求偶时展现自身魅力,动物们都非常努力地想要获取五颜六色。

一方面,它们从饮食中获取色素。比如鸟类的鲜红色和明黄色主要来自食物中的类胡萝卜素。问题是,虽然天空、湖泊、大海都是蓝色,自然界却很少有蓝色色素可供食用,想要获得蓝色该怎么办?

动物们果断另辟蹊径,进化出高超的光学“特技”,以不同方式制造出了蓝色(和一些绿色)。这就是所谓的结构色。

结构色:让蓝色成为可能

结构色的原理与色素类似,也是反射特定波长的光,同时吸收其余颜色的光。不同的是,结构色的奥秘隐藏在动物羽毛、鳞片、毛发和皮肤的微末之处。

动物身体这些部位的纳米结构由于与光的波长相当,可以使不同颜色的光发生不同程度的散射,散射光波相互作用,增强某些颜色,并抵消其他颜色,最终呈现出特定色彩。

比如,大蓝闪蝶具有令人惊叹的蓝色虹彩,是因为其翅膀鳞片中的纳米级凹槽结构使蓝光发生衍射和反射,同时吸收掉了光谱的其余部分。

大蓝闪蝶令人惊叹的蓝色虹彩(上)源于翅膀鳞片中的纳米结构(下)

结构色除了呈现出特定颜色,通常还具有虹彩般的闪亮视觉效果。这是因为从微结构顶部反射的光与从底部反射的光可能相位不同,从不同角度观察时,就会产生明暗或色调变化。

除了蝴蝶,其他动物也在用各种方式实现自身的结构色。

一种叫做青线笠螺的软体动物,螺壳表面透明的碳酸钙晶体会排列成多重微观层片,每层的厚度恰到好处(100 纳米),使得蓝光以外的所有光波相互抵消,从而产生独特的亮蓝色条纹。

青线笠螺独特的蓝色条纹(左)来自壳中透明碳酸钙晶体的分层排列(右)

章鱼和其他头足类动物能够掌握变色术,靠的是皮肤中一些色素细胞含有的反射蛋白层,它们可以迅速从有序状态转变为无序状态。通过让反射蛋白层变厚或者变薄,就可以反射不同波长的光,从而实现变色。

鸟类具有亮蓝色羽毛,靠的也是结构色。科学家发现,在高放大倍数下,羽毛的彩色羽支呈现出泡沫结构:小而均匀的气泡悬浮在 β-角蛋白中,相邻气泡散射出的光相互作用,因为气泡的尺寸恰到好处,所以会产生蓝色、绿松石色或紫外光色。

研究表明,在发育中的鸟类羽毛细胞内,β-角蛋白一开始分布在充满水的细胞质中。细胞中的化学变化导致 β-角蛋白和水自发分离,并形成球形水滴。之后细胞死亡,水滴蒸发,原来占据的空间形成微型气泡,反射特定波长的光。

这个过程就像是打开一瓶啤酒,突然间,溶解在液体中的二氧化碳凝聚成气泡,气泡长到一定大小后漂浮起来。鸟羽的泡沫结构看起来正像啤酒上层的泡沫。

东南亚蓝翅叶鹎(题图)的羽支由多孔螺旋曲面结构自组织生长产生,它们凭借这样完美有序的气泡晶体获得了闪亮的蓝色肩羽

透明是终极的伪装

大多数蝴蝶的翅膀都有鲜艳夺目的色彩,但在中美洲的热带雨林里生活着一种透翅蝶,它们翅膀的绝大部分像玻璃一样透明。

在自然界,透明是一种终极的伪装,可以轻松融入任何背景。只要透翅蝶静静待着,依赖动态视觉的两栖类捕猎者就会对它们视而不见。

透翅蝶翅膀的绝大部分像玻璃一样透明,是一种绝妙的伪装

要实现透明,也需要调整翅膀的微观结构,不过这次是为了使光线的散射和反射最小化。透翅蝶是如何实现完美隐身的呢?

直到今年5月,研究人员才揭示了其中奥秘,并将结果发表在《实验生物学杂志》上。他们发现,在显微镜下,透翅蝶翅膀的黑色边缘密密麻麻布满了扁平叶状鳞片,中间的透明区域则是稀疏的鬃毛状鳞片,允许光最大程度地透过。

不过,如果透明区域完全平坦,光线在空气和翅膀的交界处很容易发生反射。透翅蝶巧妙地在翅膀的透明区域覆盖了一层蜡质结构,表面凹凸不平,让空气和翅膀间的光学性质逐渐改变,最终保证尽可能多的光线通过,只反射大约2%的光。

透翅蝶翅膀的黑色边缘与透明区域的交叠处(左)有两种鳞片:透明区域是稀疏的鬃毛状鳞片(中),黑色边缘则包含重叠的叶状鳞片(右)。(图中颜色为伪色)

人类工程师常常需要精密的设计来制造各种材料,但漫长的自然演化让动物们轻松就可以实现各种精妙的结构,这对于我们无疑非常有启发性。

比如,蝴蝶翅膀上的纳米级凹槽结构,为制造暗场成像显微镜的材料提供了灵感。而为了用光纤更有效地传输蓝光,我们可以用鸟类羽毛上发现的蓝光反射材料作为光纤电缆的内衬,确保蓝色光子不会逸出。

我们或许早已习惯这个五彩斑斓的世界,但要完全弄清楚自然的色彩从何而来,常常需要深入纳米尺度的微观世界,揭开隐藏的奥秘。

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