科普中国网 2021-07-02
蓝翅叶鹎的蓝绿色羽毛由结构色产生。｜Wulong Tommy
作者｜韩若冰
编辑｜陈天真
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）。｜来源：muffinman71xx; Jiri Hodecek
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）。｜来源：johndal; Ling Li
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。｜来源：Vinodkumar Saranathan; Mersus
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。｜来源：David Tiller
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）｜来源：A. POMERANTZ /ET AL/JEB/ 2021
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。
参考链接：
[1]https://www.quantamagazine.org/how-blue-animals-color-themselves-with-nanostructures-20210616/…
