人類搞顏色還是嫩了點(diǎn)！零色素添加，它們照樣整得花里胡哨

圖片來源：Wulong Tommy/Quantamagazine

許多動(dòng)物有著絢麗多彩的外表，比如孔雀、豹變色龍、緋紅金剛鸚鵡、小丑魚、巨嘴鳥和藍(lán)環(huán)章魚。但絕大多數(shù)情況下，科學(xué)家只知道動(dòng)物是如何使用這些顏色的，卻不了解這些顏色是如何產(chǎn)生的。最近的研究揭開了這個(gè)秘密：這些顏色就來自羽毛、鱗片和皮膚上極其精確的微小結(jié)構(gòu)。

來源丨Quanta Magazine

撰文丨Vivian Callier

翻譯丨Jubilee

編輯丨楊心舟

自然界中，尤其是植物的顏色大都由色素產(chǎn)生。這些色素能反射光譜中的一部分，同時(shí)吸收剩余部分。像葉綠素這樣的綠色色素反射了光譜的綠色部分，但也吸收波長更長的紅色和黃色以及更短的藍(lán)色。葉綠素的分子構(gòu)成和其分子結(jié)構(gòu)中原子之間的精確距離決定了反射或吸收的波長。

植物很精通生化合成過程，它們的細(xì)胞可以調(diào)制多種類型的色素，但動(dòng)物基本上已經(jīng)失去了制造大多數(shù)色素的代謝途徑。黑色素是動(dòng)物體內(nèi)最主要的色素，但其能調(diào)制的顏色卻非常有限，要么是棕色的真黑色素（eumelanin），要么就是紅黃色的褐黑色素（pheomelanin）。然而，動(dòng)物通常可以從食物中獲得所需的色素，用來裝飾和偽裝自己，追求配偶和抵御捕食者。例如，鳥類明亮的紅色和黃色就來自食物中的類胡蘿卜素。

不依賴色素制造顏色

想要獲取光譜中的藍(lán)色并不容易，因?yàn)樽匀唤缰泻苌儆锌晒┦秤玫乃{(lán)色色素。然而，冠藍(lán)鴉、彩虹方頭魚、箭毒蛙等許多其他動(dòng)物卻不依賴色素就能擁有藍(lán)色。它們演化出了一種光學(xué)技巧來制造藍(lán)色(和一些綠色)，這就是所謂的結(jié)構(gòu)色。

圖片來源：Wikipedia

結(jié)構(gòu)色就像過濾網(wǎng)，只允許部分波長通過。它們特定的光子機(jī)制因物種而異，但作用的原理都是個(gè)體身上的納米尺度結(jié)構(gòu)能與光的波長對(duì)應(yīng)。這些結(jié)構(gòu)能以不同的方式衍射光的顏色，并產(chǎn)生干涉效應(yīng)。
耶魯大學(xué)研究鳥類羽毛色彩的專家Richard Prum解釋說：“多個(gè)微小結(jié)構(gòu)能散射光線，然后讓這些散射的波相互作用。這種相互作用會(huì)加深一些顏色，淡化其他顏色。”

這種通過結(jié)構(gòu)制造顏色的方法的優(yōu)勢(shì)在于，其適應(yīng)性很強(qiáng)。麻省理工學(xué)院學(xué)習(xí)生物光學(xué)材料的研究生Mathias Kolle描述說：“你用什么材料制作這種結(jié)構(gòu)并不重要，只要它在一定程度上是透明的就行?！?/p>

結(jié)構(gòu)色通常也能具備色彩斑斕的視覺吸引力。因?yàn)閺慕Y(jié)構(gòu)色層頂部反射的光可能與從底部反射的光不同，所以當(dāng)從不同角度觀察時(shí)，顏色似乎會(huì)變亮或發(fā)生變換。舉個(gè)例子，這種效應(yīng)在藍(lán)閃蝶亮藍(lán)色的翅膀上非常明顯。藍(lán)閃蝶翅膀上的鱗片上有微小的凹槽，凹槽內(nèi)排列著樹狀突起，這些突起能衍射并反射光波，使它們互相干擾而產(chǎn)生閃耀又各異的藍(lán)。

圖片來源：Nipam Patel / UC Berkeley

在2015年的一項(xiàng)研究中， Kolle和他的同事報(bào)告了他們發(fā)現(xiàn)的一種軟體動(dòng)物藍(lán)紋帽貝是如何在其外殼上產(chǎn)生獨(dú)特的亮藍(lán)色條紋的。殼中透明的碳酸鈣晶體層排列成多個(gè)微觀薄片，每一層都會(huì)衍射和反射出一片光。衍射的光波相互作用，根據(jù)每層的厚度和光的波長，這些光波會(huì)疊加或抵消。通過精確地控制各層的厚度（100納米），藍(lán)紋帽貝使除藍(lán)色波長以外的所有波長都相互抵消了。

藍(lán)紋帽貝 （圖片來源：Wikipedia）

其他動(dòng)物在它們的結(jié)構(gòu)色中利用了類似的現(xiàn)象。例如，章魚和其他頭足類動(dòng)物皮膚中的一些色素細(xì)胞含有被稱為反射素的蛋白質(zhì)層，可以快速從有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序狀態(tài)。通過增厚或減薄這些蛋白層，動(dòng)物可以反射不同的波長，改變它們向外界展示的顏色。
碳酸鈣晶體層 （圖片來源：Ling Li/Quantamagazine）

然而，與章魚不同，帽貝固定姿態(tài)后不能改變其結(jié)構(gòu)層的形狀。它們?nèi)绾我匀绱司_的方式構(gòu)建分層結(jié)構(gòu)仍是一個(gè)謎。Kolle說：“其背后的材料動(dòng)力學(xué)仍然難以理解。”但是，近些年來，Prum和新加坡國立大學(xué)的Vinod Saranathan 等人在理解一些亮藍(lán)色羽毛的鳥類如何產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色方面取得了進(jìn)展。他們指出這是一個(gè)“相分離”（phase separation）的過程。

特殊結(jié)構(gòu)造色

在高倍鏡下，研究者清楚地看到羽毛的彩色細(xì)絲上具有泡沫狀結(jié)構(gòu)，微小而均勻的空氣球狀體懸浮在β-角蛋白中。每個(gè)氣泡上散射的光線會(huì)與相鄰的氣泡上反射的光線相互作用。Prum說：“由于它們的大小合適，可以完成光線的相互作用，所以它們會(huì)制造出藍(lán)色、青綠色甚至紫外線?！?/p>

研究表明，在仍處于生長狀態(tài)的鳥類羽毛細(xì)胞內(nèi)，β-角蛋白會(huì)開始分散在含水的細(xì)胞質(zhì)中。接下來，細(xì)胞中的化學(xué)變化使得β-角蛋白和水自動(dòng)分離，聚合蛋白基質(zhì)中會(huì)形成球形水滴。當(dāng)細(xì)胞死亡，水分蒸發(fā)后騰出的空間將被空氣充滿，留下一個(gè)由氣泡組成的微型球坑，反射一定波長的光線。

Prum把這個(gè)過程比作打開一瓶啤酒。他說：“就好像啤酒開瓶之后，溶解的二氧化碳形成了一個(gè)氣泡。這個(gè)氣泡增長到一定的大小之后開始上浮，看起來就像啤酒瓶的頭?！?/p>

在冠藍(lán)鴉和大多數(shù)其他鳥類的藍(lán)色羽毛中，這些氣泡是無序的。但正如Saranathan和Prum等人在6月8日的《美國科學(xué)院院刊》上所報(bào)道的那樣，至少有一種物種，東南亞的藍(lán)翅葉鵯（bēi，雀形目），其亮藍(lán)色的肩部羽毛內(nèi)有著完美有序的氣泡晶體結(jié)構(gòu)。在美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)研究人員把藍(lán)翅葉鵯的羽毛放在強(qiáng)X射線下觀察時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了螺旋曲面（Gyroid）晶體。
圖片來源：Mersus

螺旋曲面是一種形成高度周期性結(jié)構(gòu)的最小連續(xù)性曲面，在某種意義上說，它是球體的反面。球體具有均勻的正曲率，而螺旋曲面則是具有均勻負(fù)曲率的鞍形物體。它的一個(gè)特殊之處在于，螺旋曲面能將空間分割成兩個(gè)迷宮般的隧道系統(tǒng)，隧道僅由一層薄膜隔開，完美地模仿了彼此。當(dāng)兩組隧道都充滿活細(xì)胞內(nèi)的液體時(shí)，可稱為雙螺旋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)只有一組隧道被填滿時(shí)，就是單螺旋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。藍(lán)翅葉鵯的單螺旋晶體表現(xiàn)出了與帽貝外殼層相同的光學(xué)特性。

正如Saranathan和Prum等人在2010年報(bào)道的那樣，此前科學(xué)家只在一些蝴蝶鱗片中觀察到了單螺旋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在，在澳大利亞莫道克大學(xué)研究生物光子材料的Gerd Schroder-Turk和同事已經(jīng)表明，當(dāng)這些鱗片在生長時(shí)，鱗片細(xì)胞中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜形成了一張薄片，兩邊都有液體。這個(gè)結(jié)構(gòu)就是雙螺旋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此后，其中一條隧道隨后被甲殼質(zhì)填滿并固化。當(dāng)細(xì)胞死亡時(shí)，它們會(huì)留下一個(gè)單螺旋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
圖片來源：Vinodkumar Saranathan

研究人員認(rèn)為，這種成型過程是自然界中形成單螺旋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的唯一途徑。相反，有證據(jù)表明，藍(lán)翅葉鵯制造螺旋曲面的方式和它的近親冠藍(lán)鴉制造無序氣泡球坑的方式一樣，即通過“相分離”實(shí)現(xiàn)。

Saranathan和Prum說，這是現(xiàn)有的軟物質(zhì)物理理論無法預(yù)測的。
這一發(fā)現(xiàn)表明，這類晶體可以自我組裝，這對(duì)于尋找制造光子應(yīng)用材料更優(yōu)方法的工程師來說是一則好消息。例如，為了更有效地傳輸藍(lán)光，可以在光纖電纜上鋪設(shè)模仿藍(lán)翅葉鵯羽毛結(jié)構(gòu)的材料，這樣就不會(huì)導(dǎo)致藍(lán)色光子逸出。

Prum 說：“目前所有的光纖都是通過精密工程制造的——而鳥類通過自我組裝就完成了。”如果能學(xué)習(xí)如何發(fā)展自我組裝的光子設(shè)備 ，“將真正地節(jié)約光纖的制造成本”。

Kolle對(duì)此也表示贊同，在去年《自然·光子學(xué)》的研究中，他和同事通過借鑒鳳蝶翅膀結(jié)構(gòu)制造了改進(jìn)版的暗場成像顯微鏡?，F(xiàn)在，他正和自己的學(xué)生正在研究小紅蛺蝶翅膀種的納米結(jié)構(gòu)，如果能解析出這種結(jié)構(gòu)，那么其他蝴蝶翅膀中的基本結(jié)構(gòu)也將迎刃而解?！拔蚁Ｍ苷业揭恍┥餀C(jī)械學(xué)的機(jī)制，然后我們可以利用它將現(xiàn)有材料轉(zhuǎn)換成全新的材料系統(tǒng)。”他表示。

原文鏈接：
https://www.quantamagazine.org/how-blue-animals-color-themselves-with-nanostructures-20210616/

來源：環(huán)球科學(xué)