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2022-05-12 20:03

韩若冰《十点科学》原著

大自然的颜色从何而来？不仅来自颜料，还来自结构色。

蓝翅鹎蓝绿色的羽毛是由结构色产生的。|武隆汤米

作者|韩若冰

编辑|陈天真

说到人体色素，我们最熟悉的就是黑色素，它赋予我们的皮肤、头发和眼睛棕色、红棕色等不同的颜色。

黑色素的色调相当有限，所以人们要想获得其他颜色，就必须染发和纹身。然而，我们知道，动物王国也有无数华丽美丽的生物，如孔雀、深红金刚鹦鹉、巨嘴鸟、爬行动物豹变色龙、小丑鱼和水中的蓝环章鱼。巨嘴鸟、豹变色龙、小丑鱼|来源:维基百科

它们怎么会有这么漂亮的颜色？答案不是颜料，而是更神奇的结构色。

大自然的颜色从何而来？

我们在自然界，尤其是植物界看到的许多颜色，都是由色素产生的。

颜料可以反射部分光线，同时吸收其他颜色。比如，叶片中的叶绿素可以反射光谱中的绿色部分，吸收波长更长的红光、黄光和蓝光，从而产生绿色的叶片。

它们是植物生化合成的大师，它们的细胞可以产生多种色素。而动物已经基本失去了产生大部分色素的代谢途径，只有单调的黑色素。

无论是为了在环境中更好地伪装，抵御敌人，还是为了在求偶时把自己打扮得漂漂亮亮，展示自己的魅力，动物们都在非常努力地想要变得多姿多彩。

一方面，他们从饮食中获取色素。比如鸟类的鲜红色和鲜黄色，主要来源于食物中的类胡萝卜素。问题是，虽然天空空、湖泊、大海都是蓝色的，但自然界中可供使用的蓝色颜料却很少。想得蓝怎么办？

动物决定另辟蹊径，进化出高超的光学“特技”，用不同的方式产生蓝色(和一些绿色)。这就是所谓的结构色。

颜色:让蓝色成为可能

颜色结构的原理类似于颜料，即反射特定波长的光，吸收其他颜色的光。不同的是，结构颜色的奥秘隐藏在动物羽毛、鳞片、毛发和皮肤的微小部分。

动物身体这些部位的纳米结构可以不同程度地散射不同颜色的光，因为它们相当于光的波长。散射的光波相互作用，增强一些颜色，抵消另一些颜色，最终呈现出特定的颜色。

例如，大蓝蝴蝶具有惊人的蓝色虹彩，因为其翅鳞中的纳米级凹槽结构导致蓝光被衍射和反射，同时吸收光谱的其余部分。

蓝色大闪蝶令人惊叹的蓝色彩虹色(第一部分)源自翅膀鳞片中的纳米结构(第二部分)。|来源:muffinman71xx吉里·霍德切克

除了特定的颜色之外，该结构通常具有虹彩视觉效果。这是因为从微结构顶部反射的光可能与从底部反射的光不同相。从不同的角度看，明暗或色调会发生变化。

除了蝴蝶，其他动物也在以各种方式实现它们的结构色。

一种被称为Cyanopsis fissa的软体动物，壳表面透明的碳酸钙晶体排列成多个微观层，每层的厚度恰到好处(100纳米)，使除蓝光外的所有光波相互抵消，产生独特的亮蓝色条纹。

中国Oncorhynchus chinensis独特的蓝色条纹(左)来自壳内透明碳酸钙晶体的层状排列(右)。|来源:johndal李凌

章鱼等头足类动物能掌握变色，靠的是皮肤中一些色素细胞所含的反光蛋白层，能迅速从有序状态变为无序状态。通过使反射蛋白层变厚或变薄，可以反射不同波长的光，从而实现颜色变化。

鸟类有明亮的蓝色羽毛，依靠结构色。科学家发现，在高倍放大下，羽毛的彩色羽枝呈现泡沫状结构:细小而均匀的气泡悬浮在β-角蛋白中，相邻气泡散射的光线相互作用。因为气泡的大小恰到好处，会产生蓝色、青绿色或紫外线的颜色。

研究表明，在发育中的鸟类羽毛细胞中，β-角蛋白最初分布在充满水的细胞质中。细胞内的化学变化导致β-角蛋白和水自发分离，形成球形水滴。之后细胞死亡，水滴蒸发，微小气泡在被占据的空空间中形成，反射特定波长的光。