動物為何能五彩斑斕

韓若冰

提及人體色素，我們最熟悉的就是黑色素了。黑色素的色調(diào)相當有限，所以想要獲得其他色彩，只能通過其他途徑來實現(xiàn)。

可是，動物王國還擁有無數(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、藍環(huán)章魚等。

動物們?nèi)绾潍@得如此美麗的色彩？答案并非色素，而是一種更為神奇的結(jié)構(gòu)色。

自然界的色彩從何而來

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，同時吸收其余顏色的光，比如，葉片中的葉綠素會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，它們的細胞可以配制出多種色素，然而，動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，在求偶時展現(xiàn)自身魅力，動物們都非常努力地想要獲取五顏六色。比如，它們從飲食中獲取色素，一些鳥類的鮮紅色和明黃色主要來自食物中的類胡蘿卜素。

結(jié)構(gòu)色：讓藍色成為可能

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，想要獲得藍色該怎么辦？動物們果斷另辟蹊徑，進化出高超的光學“特技”，以不同方式制造出了藍色（和一些綠色）。這就是所謂的結(jié)構(gòu)色。

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

動物身體這些部位的納米結(jié)構(gòu)由于與光的波長相當，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，大藍閃蝶具有令人驚嘆的藍色虹彩，是因為其翅膀鱗片中的納米級凹槽結(jié)構(gòu)使藍光發(fā)生衍射和反射，同時吸收掉了光譜的其余部分。

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。這是因為從微結(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，就會產(chǎn)生明暗或色調(diào)變化。

除了蝴蝶，其他動物也在用各種方式實現(xiàn)自身的結(jié)構(gòu)色。一種叫作青線笠螺的軟體動物，螺殼表面透明的碳酸鈣晶體會排列成多重微觀層片，每層厚度約為100 納米，使得藍光以外的所有光波相互抵消，從而產(chǎn)生獨特的亮藍色條紋。

章魚和其他頭足類動物能夠掌握變色術(shù)，靠的是皮膚中一些色素細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，從而實現(xiàn)變色。

一些鳥類的羽毛能呈現(xiàn)出獨特的亮藍色，靠的也是結(jié)構(gòu)色?？茖W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，因為氣泡的尺寸恰到好處，所以會產(chǎn)生藍色、綠松石色或紫外光色。

研究表明，在發(fā)育中的鳥類羽毛細胞內(nèi)，β-角蛋白一開始分布在充滿水的細胞質(zhì)中。細胞中的化學變化導(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。

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。只要透翅蝶靜靜待著，依賴動態(tài)視覺的兩棲類捕獵者就會對它們視而不見。

在自然界，透明是一種終極的偽裝，可以輕松融入任何背景。要實現(xiàn)透明，就要使光線的散射和反射最小化。透翅蝶是如何實現(xiàn)完美隱身的？

研究人員發(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。

人類工程師常常需要精密的設(shè)計來制造各種材料，但漫長的自然演化讓動物們輕松就可以實現(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光，我們可以用鳥類羽毛上發(fā)現(xiàn)的藍光反射材料作為光纖電纜的內(nèi)襯，確保藍色光子不會逸出。

我們或許早已習慣這個五彩斑斕的世界，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。

（姚梅芬摘自《發(fā)明與創(chuàng)新·高中生》2021年第11期）