幻彩魔法师:孔雀和蝴蝶的色彩从何而来?

作者:汪婕舒 | Jieshu Wang | 本文首发《Newton科学世界·数字版》


孔雀是一种非常美丽的鸟类。它们那蓬松的绿色羽毛就像一件优雅的长裙,镶满了颗颗闪亮的蓝宝石,在阳光下光鲜耀眼,并且还会随着视觉角度而变换色彩。

所以,如果有人问你,孔雀羽毛含有什么颜色的色素(显色物质)呢?你很可能会回答,绿色。但事实却出乎人意料——孔雀羽毛中,只含有黑色素。

那么,黑色素为什么会呈现出绿色呢?这就是生物世界的一个小秘密——结构色。

我们知道,不同的颜色来源于物质发出的不同波长的光。在可见光的范围内,波长最短的光是紫色光,波长最长的光是红色光。

彩色的颜料和显色物质,之所以呈现出特定的颜色,正是因为它们能吸收一定波长的光,并把另一些波长的光反射出来。当这些显色物质出现在生物细胞内,就会让生物呈现出特定的颜色。比如说,火烈鸟身上火红的颜色,正是由于细胞中含有类胡萝卜素,而这些类胡萝卜素来自于它们所吃的一种虾。

火烈鸟

美国黄石公园的大棱镜温泉也是色素的天堂,里面生活着大量藻类、细菌等微生物,它们的体内含有许多叶绿素和类胡萝卜素,所以温泉呈现出缤纷绚丽的色彩。叶绿素和类胡萝卜素的比例会随季节而变化,因此温泉水也会跟随季节变换色彩。

美国黄石公园的大棱镜温泉

 

那么,孔雀羽毛中并没有绿色的色素,是如何变彩色的呢?要弄清楚这个问题,我们首先来看一个毫不相关的东西——肥皂泡。

肥皂泡是一层肥皂水形成的膜,表面非常薄,在阳光下呈现出彩虹一样斑斓的色彩。这种虹彩是由光的干涉所造成的。当光线照射在膜上时,一部分光被膜的外表面反射,另外一些穿过薄膜,并在内表面上反射后重新射出。这两部分光线,由于相位不同,产生互相干涉。这种干涉,对某些波长的光是增强,对某些波长的光是减弱,在人眼看来,就出现了彩色光带。

肥皂泡的薄膜干涉

在上图2中,两束白光照在薄膜表面的X点和Y点。一些光线被反射,有一些穿过气泡外壁并在内壁和外壁之间反射后再次射出。当光线1的内壁反射光线从Y点射出时,就与光线2的外壁反射光线重叠在一起。光线1比光线2多走了XOY的距离。如果XOY刚好等于红光波长的整数倍,那1和2相位相同,波峰与波谷分别重合(图2),就会加强红光,在这点上就可看见红光。对于蓝光来说(图3),波长与红光不同,那么XOY的距离不等于其波长的整数倍,有可能1和2就抵消了,于是在这点上你就看不见蓝光。通过计算机建模计算,肥皂泡表面就会形成图4一样的色彩(与真实肥皂泡有所差别)。

这就是光的薄膜干涉。

与之类似,贝壳内表面泛起的彩虹色光芒,也是由于细薄的层状结构造成的。贝壳内层的物质叫做珍珠母,它也是珍珠表层亮丽光泽的来源。

贝壳内层的彩虹色珍珠母

在显微镜下,我们可以看到,珍珠母实际上是由一层一层六角形的霰石薄片(一种碳酸钙)平行堆叠而成。每块霰石薄片宽度大约10~20微米,厚0.5微米。每层霰石之间由富有弹性的几丁质或类丝状蛋白隔开,能达到很高的强度和弹性。这些霰石薄片的厚度,与可见光的波长很接近,很容易造成光的干涉。于是,与肥皂泡类似,珍珠母也很容易产生彩虹色的光芒。

显微镜下的珍珠母

在孔雀羽毛中,也有类似的干涉现象。虽然最早提出孔雀羽毛色彩来自微结构干涉的是几百年前的牛顿和胡克,但真正揭开这个谜的却是中国科学家。

2003年,复旦大学的科学家资剑在云南西双版纳旅游时,买了一把美丽的孔雀尾羽作为纪念品。

怀着一腔好奇心回到实验室后,他和同事刘晓晗一起,用电子显微镜观察了羽毛,终于发现了这个困扰人们多年的秘密,并发表在《美国科学院院刊》上。他们观察发现,孔雀羽毛的结构非常精妙,在其小羽支中,包含有二维方向上周期排列的光子晶体结构。这种光子晶体的尺寸非常小,比人头发的横截面还小几百倍。光子晶体之间有不同的间距和排列,使得光线发生复杂的反射和干涉。

上图是孔雀羽毛的小羽支在扫描电镜下的照片。小羽支表层是一层薄薄的角化层,其下是一层二维方向排列的光子晶体(如图A)。图B和图C分别是绿色和褐色小羽支的横截面。这种光子晶体是由与角化层平行排列的黑色素组成。图D是绿色小羽支去掉表面角化层后的纵剖面图。光子晶体之间有空隙,光线在其中发生了干涉,增强了特定波长的光。

小羽支中的黑色素吸收了大部分光线,只有通过光子晶体空隙的光才能被反射出来,于是我们只能看见干涉光,所以就出现了彩色的光芒。

还有什么动物的色彩与色素无关呢?下一个登场的,也是一种以色彩斑斓著称的动物——蝴蝶。

我们来看看生活在中南美洲的大闪蝶。顾名思义,大闪蝶,比一般蝴蝶大,而且闪闪惹人爱。最大的日落大闪蝶能长到20厘米长。蓝色大闪蝶的翅膀上闪烁着蓝绿色的金属光泽,非常美丽。大闪蝶的名字“morpho”,正是爱与美之神维纳斯的别称。

那么,大闪蝶身上没有蓝色色素,为何能产生如此鲜亮的蓝色呢?2013年,发表在期刊《光学快报》(Optics Express)上的一篇论文中,德国卡尔斯鲁厄理工学院的瑞德瓦努•希迪克(Radwanul Hasan Siddique)等科学家仔细观察了蓝色大闪蝶的翅膀,发现其上有一种像圣诞树一样的微结构,原来这正是大闪蝶的色彩之谜。这些“圣诞树”的主干上,伸出一根根平行的片晶“树枝”。片晶的长度上短下长,并且左右不对称,呈间隔排列。这光栅一样的结构,让入射光发生了干涉,增强了蓝色光,减弱了其他色彩。

 

左下图是大闪蝶翅膀的微观结构。右图是计算机重建的模型,数字单位是纳米

由于这种微结构只在背面存在,因此,只有背面呈现鲜亮的蓝色,而腹部呈现出褐色。

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最后,让我们请出今天的一位特别嘉宾吧!它不是动物,而是一种让你眼花缭乱的植物。这是杜若属的一种多年生草本植物,学名叫Pollia condensata,生活在非洲。在热带丛林中,它们能长到60厘米高,拥有平滑而狭长的大叶子,开出淡粉色或白浊色的花。

它的果实大约4毫米大小。这小小的浆果,堪称大自然最亮丽的果实。它披着蓝紫色的光滑外衣,其中又隐隐闪着红色、橙色和绿色的点点星光,因此也被戏称为“弹珠莓”(marble berry)。

在显微镜下可以看到,它的表层有三到四层细胞(上图左中的“1”),每个细胞的细胞壁都包含许多纤维素,称为微纤丝。这些微纤丝成层排列,每层之间偏移一定的角度,形成优雅的螺旋结构(如上图右)。当光线射入顶层时,一些被反射回去,一些穿透过去。紧接着,第二层,第三层……在表层的细胞内,每层微纤丝之间的距离大致相同(大约为145纳米),特定波长的反射光线互相放大,造成了非常强烈的色彩。根据计算公式λ=p*2*n(λ是放大的光波长,p是微纤丝间距,n是平均折射率,这里等于1.53),145纳米间距的微纤丝最容易增强的波长是443纳米,正好是蓝紫色。与此同时,有些细胞的微纤丝间距有轻微的差别,从125纳米~200纳米不等,所以通过这些细胞的光线颜色又会不一样,就造成了隐藏在蓝紫色背景中的点点彩色星光。

我们可以看到,弹珠莓和珍珠母的结构有异曲同工之妙。在漫长的岁月中,植物和动物竟然进化出了相似的结构,让我们的大自然变得色彩缤纷,这真是进化的奇迹!

 

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