韓若冰

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

可是，動物王國擁有無數極其絢爛的生物，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。

動物們如何獲得如此美麗的色彩？答案并非色素，而是一種更為神奇的結構色。

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生。

色素能反射一部分光，同時吸收其他顏色的光，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，使葉片呈現為綠色。

植物是“生化合成大師”，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的黑色素。

無論是為了在環(huán)境中更好地偽裝、御敵，還是為了把自己“打扮”得更漂亮，在求偶時展現自身魅力，動物們都非常努力地想要獲取五顏六色。比如，從飲食中獲取色素，一些鳥類的鮮紅色、明黃色就主要來自食物中的類胡蘿卜素。

天空、湖泊、大海都是藍色，自然界卻很少有藍色色素可供使用，想要獲得藍色該怎么辦？動物們另辟蹊徑，進化出高超的光學“特技”，以不同方式制造出藍色，這就是所謂的結構色。

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

動物身體這些部位的納米結構由于與光的波長相當，能使不同顏色的光發(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，最終呈現出特定色彩。

比如，大藍閃蝶具有令人驚嘆的藍色虹彩，就是因為其翅膀鱗片中的納米級凹槽結構使藍光發(fā)生衍射和反射，同時吸收了光譜的其余部分。

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。這是因為從微結構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。青線笠螺的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，從而產生獨特的亮藍色條紋。

章魚和其他頭足類動物能掌握變色術，靠的是皮膚中一些色素細胞含有的反射蛋白層，它們可以迅速從有序狀態(tài)轉變?yōu)闊o序狀態(tài)。通過讓反射蛋白層變厚或者變薄，反射出不同波長的光，從而實現變色。

一些鳥類的羽毛能呈現出獨特的亮藍色，靠的也是結構色?？茖W家發(fā)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，因為氣泡的尺寸恰到好處，所以會產生藍色、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，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(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。鳥羽的泡沫結構看起來正像啤酒上層的泡沫。

大多數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，它能讓動物輕松融入任何背景。要實現透明，就要使光線的散射和反射最小化。透翅蝶如何實現完美隱身？

研究人員發(fā)現，在顯微鏡下，透翅蝶翅膀的黑色邊緣密密麻麻地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)域覆蓋了一層蠟質結構，使表面凹凸不平，讓空氣與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，反射大約2%的光。

人類工程師常常需要精密的設計來制造各種材料，而漫長的自然演化讓動物們輕松擁有各種精妙的結構，給了人類眾多啟發(fā)。比如，蝴蝶翅膀上的納米級凹槽結構為制造暗場成像顯微鏡的材料提供了靈感;為了用光纖更有效地傳輸藍光，人類用從鳥類羽毛中發(fā)現的藍光反射材料作為光纖電纜的內襯，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。（據科普中國網）