动物为何能五彩斑斓

韩若冰

提及人体色素，我们最熟悉的就是黑色素了。黑色素的色调相当有限，所以想要获得其他色彩，只能通过其他途径来实现。

可是，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。

动物们如何获得如此美丽的色彩？答案并非色素，而是一种更为神奇的结构色。

自然界的色彩从何而来

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。比如，它们从饮食中获取色素，一些鸟类的鲜红色和明黄色主要来自食物中的类胡萝卜素。

结构色：让蓝色成为可能

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。

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。

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。一种叫作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，每层厚度约为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。

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。

一些鸟类的羽毛能呈现出独特的亮蓝色，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結构：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。

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。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。

在自然界，透明是一种终极的伪装，可以轻松融入任何背景。要实现透明，就要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？

研究人员发现，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。

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。

（姚梅芬摘自《发明与创新·高中生》2021年第11期）