自然界的色彩从哪里来？不止来源于色素 ， 还有结构色 。
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蓝翅叶鹎的蓝绿色羽毛由结构色产生 | 图源：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 ， 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 。
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巨嘴鸟、豹变色龙、小丑鱼 | 图源：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 。
【动物|为什么你只有黑色素，动物们却有五彩斑斓的蓝？】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 。
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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）| 图源：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 。
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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）| 图源：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 。
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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 | 图源：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 。
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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 | 图源：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 。
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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）| 图源：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/
[2]https://www.sciencenews.org/article/new-images-how-glasswing-butterflies-wings-transparent
来源：十点科学
编辑：Eric
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