藍翅葉鵯的藍綠色羽毛由結構色產(chan) 生。｜Wulong Tommy

　　作者｜韓若冰

　　編輯｜陳天真

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

　　黑色素的色調相當有限，所以想要獲得其他色彩，人就要染發、紋身。可是我們(men) 知道，動物王國還擁有無數極其絢爛的美麗(li) 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，還有水裏的小醜(chou) 魚、藍環章魚等。

　　巨嘴鳥、豹變色龍、小醜(chou) 魚｜來源：維基百科

　　它們(men) 是如何獲得如此美麗(li) 的色彩呢？答案不是色素，而是一種更為(wei) 神奇的結構色。

　　自然界的色彩從(cong) 哪裏來？

　　我們(men) 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(chan) 生。

　　色素能反射一部分光，同時吸收其餘(yu) 顏色的光，比如，葉片中的葉綠素會(hui) 反射光譜的綠色部分，並吸收波長較長的紅光、黃光，以及波長較短的藍光，結果使得葉片呈現為(wei) 綠色。

　　植物是生化合成的大師，它們(men) 的細胞可以配製出多種色素，然而，動物卻基本上失去了製造大部分色素的代謝途徑，主要擁有的隻有單調的黑色素。

　　無論是為(wei) 了在環境中更好地偽(wei) 裝、禦敵，還是要把自己裝飾得漂亮一些，在求偶時展現自身魅力，動物們(men) 都非常努力地想要獲取五顏六色。

　　一方麵，它們(men) 從(cong) 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、大海都是藍色，自然界卻很少有藍色色素可供食用，想要獲得藍色該怎麽(me) 辦？

　　動物們(men) 果斷另辟蹊徑，進化出高超的光學“特技”，以不同方式製造出了藍色（和一些綠色）。這就是所謂的結構色。

　　結構色：讓藍色成為(wei) 可能

　　結構色的原理與(yu) 色素類似，也是反射特定波長的光，同時吸收其餘(yu) 顏色的光。不同的是，結構色的奧秘隱藏在動物羽毛、鱗片、毛發和皮膚的微末之處。

　　動物身體(ti) 這些部位的納米結構由於(yu) 與(yu) 光的波長相當，可以使不同顏色的光發生不同程度的散射，散射光波相互作用，增強某些顏色，並抵消其他顏色，最終呈現出特定色彩。

　　比如，大藍閃蝶具有令人驚歎的藍色虹彩，是因為(wei) 其翅膀鱗片中的納米級凹槽結構使藍光發生衍射和反射，同時吸收掉了光譜的其餘(yu) 部分。

　　大藍閃蝶令人驚歎的藍色虹彩（上）源於(yu) 翅膀鱗片中的納米結構（下）。｜來源：muffinman71xx; Jiri Hodecek

　　結構色除了呈現出特定顏色，通常還具有虹彩般的閃亮視覺效果。這是因為(wei) 從(cong) 微結構頂部反射的光與(yu) 從(cong) 底部反射的光可能相位不同，從(cong) 不同角度觀察時，就會(hui) 產(chan) 生明暗或色調變化。

　　除了蝴蝶，其他動物也在用各種方式實現自身的結構色。

　　一種叫做青線笠螺的軟體(ti) 動物，螺殼表麵透明的碳酸鈣晶體(ti) 會(hui) 排列成多重微觀層片，每層的厚度恰到好處（100 納米），使得藍光以外的所有光波相互抵消，從(cong) 而產(chan) 生獨特的亮藍色條紋。

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

　　章魚和其他頭足類動物能夠掌握變色術，靠的是皮膚中一些色素細胞含有的反射蛋白層，它們(men) 可以迅速從(cong) 有序狀態轉變為(wei) 無序狀態。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(cong) 而實現變色。

　　鳥類具有亮藍色羽毛，靠的也是結構色。科學家發現，在高放大倍數下，羽毛的彩色羽支呈現出泡沫結構：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，因為(wei) 氣泡的尺寸恰到好處，所以會(hui) 產(chan) 生藍色、綠鬆石色或紫外光色。

　　研究表明，在發育中的鳥類羽毛細胞內(nei) ，β-角蛋白一開始分布在充滿水的細胞質中。細胞中的化學變化導致 β-角蛋白和水自發分離，並形成球形水滴。之後細胞死亡，水滴蒸發，原來占據的空間形成微型氣泡，反射特定波長的光。

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

　　東(dong) 南亞(ya) 藍翅葉鵯（題圖）的羽支由多孔螺旋曲麵結構自組織生長產(chan) 生，它們(men) 憑借這樣完美有序的氣泡晶體(ti) 獲得了閃亮的藍色肩羽。｜來源：Vinodkumar Saranathan; Mersus

　　透明是終極的偽(wei) 裝

　　大多數蝴蝶的翅膀都有鮮豔奪目的色彩，但在中美洲的熱帶雨林裏生活著一種透翅蝶，它們(men) 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(wei) 裝，可以輕鬆融入任何背景。隻要透翅蝶靜靜待著，依賴動態視覺的兩(liang) 棲類捕獵者就會(hui) 對它們(men) 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(wei) 裝。｜來源：David Tiller

　　要實現透明，也需要調整翅膀的微觀結構，不過這次是為(wei) 了使光線的散射和反射最小化。透翅蝶是如何實現完美隱身的呢？

　　直到今年5月，研究人員才揭示了其中奧秘，並將結果發表在《實驗生物學雜誌》上。他們(men) 發現，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，如果透明區域完全平坦，光線在空氣和翅膀的交界處很容易發生反射。透翅蝶巧妙地在翅膀的透明區域覆蓋了一層蠟質結構，表麵凹凸不平，讓空氣和翅膀間的光學性質逐漸改變，最終保證盡可能多的光線通過，隻反射大約2%的光。

　　透翅蝶翅膀的黑色邊緣與(yu) 透明區域的交疊處（左）有兩(liang) 種鱗片：透明區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(wei) 偽(wei) 色）｜來源：A. POMERANTZ /ET AL/JEB/ 2021

　　人類工程師常常需要精密的設計來製造各種材料，但漫長的自然演化讓動物們(men) 輕鬆就可以實現各種精妙的結構，這對於(yu) 我們(men) 無疑非常有啟發性。

　　比如，蝴蝶翅膀上的納米級凹槽結構，為(wei) 製造暗場成像顯微鏡的材料提供了靈感。而為(wei) 了用光纖更有效地傳(chuan) 輸藍光，我們(men) 可以用鳥類羽毛上發現的藍光反射材料作為(wei) 光纖電纜的內(nei) 襯，確保藍色光子不會(hui) 逸出。

　　我們(men) 或許早已習(xi) 慣這個(ge) 五彩斑斕的世界，但要完全弄清楚自然的色彩從(cong) 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

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