許多動物有着絢麗多彩的外表，比如孔雀、豹變色龍、緋紅金剛鸚鵡、小丑魚、巨嘴鳥和藍環章魚。但絕大多數情況下，科學家只知道動物是如何使用這些顏色的，卻不瞭解這些顏色是如何產生的。最近的研究揭開了這個祕密：這些顏色就來自羽毛、鱗片和皮膚上極其精確的微小結構。

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生。這些色素能反射光譜中的一部分，同時吸收剩餘部分。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色。葉綠素的分子構成和其分子結構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，它們的細胞可以調製多種類型的色素，但動物基本上已經失去了製造大多數色素的代謝途徑。黑色素是動物體內最主要的色素，但其能調製的顏色卻非常有限，要麼是棕色的真黑色素（eumelanin），要麼就是紅黃色的褐黑色素（pheomelanin）。然而，動物通常可以從食物中獲得所需的色素，用來裝飾和僞裝自己，追求配偶和抵禦捕食者。例如，鳥類明亮的紅色和黃色就來自食物中的類胡蘿蔔素。

不依賴色素製造顏色

想要獲取光譜中的藍色並不容易，因爲自然界中很少有可供食用的藍色色素。然而，冠藍鴉、彩虹方頭魚、箭毒蛙等許多其他動物卻不依賴色素就能擁有藍色。它們演化出了一種光學技巧來製造藍色（和一些綠色），這就是所謂的結構色。

結構色就像過濾網，只允許部分波長通過。它們特定的光子機制因物種而異，但作用的原理都是個體身上的納米尺度結構能與光的波長對應。這些結構能以不同的方式衍射光的顏色，併產生干涉效應。

耶魯大學研究鳥類羽毛色彩的專家Richard Prum解釋說：“多個微小結構能散射光線，然後讓這些散射的波相互作用。這種相互作用會加深一些顏色，淡化其他顏色。”

這種通過結構製造顏色的方法的優勢在於，其適應性很強。麻省理工學院學習生物光學材料的研究生Mathias Kolle描述說：“你用什麼材料製作這種結構並不重要，只要它在一定程度上是透明的就行。”

結構色通常也能具備色彩斑斕的視覺吸引力。因爲從結構色層頂部反射的光可能與從底部反射的光不同，所以當從不同角度觀察時，顏色似乎會變亮或發生變換。舉個例子，這種效應在藍閃蝶亮藍色的翅膀上非常明顯。藍閃蝶翅膀上的鱗片上有微小的凹槽，凹槽內排列着樹狀突起，這些突起能衍射並反射光波，使它們互相干擾而產生閃耀又各異的藍。

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

其他動物在它們的結構色中利用了類似的現象。例如，章魚和其他頭足類動物皮膚中的一些色素細胞含有被稱爲反射素的蛋白質層，可以快速從有序狀態轉變爲無序狀態。通過增厚或減薄這些蛋白層，動物可以反射不同的波長，改變它們向外界展示的顏色。

然而，與章魚不同，帽貝固定姿態後不能改變其結構層的形狀。它們如何以如此精確的方式構建分層結構仍是一個謎。Kolle說：“其背後的材料動力學仍然難以理解。”但是，近些年來，Prum和新加坡國立大學的Vinod Saranathan 等人在理解一些亮藍色羽毛的鳥類如何產生結構色方面取得了進展。他們指出這是一個“相分離”（phase separation）的過程。

特殊結構造色

在高倍鏡下，研究者清楚地看到羽毛的彩色細絲上具有泡沫狀結構，微小而均勻的空氣球狀體懸浮在β-角蛋白中。每個氣泡上散射的光線會與相鄰的氣泡上反射的光線相互作用。Prum說：“由於它們的大小合適，可以完成光線的相互作用，所以它們會製造出藍色、青綠色甚至紫外線。”

研究表明，在仍處於生長狀態的鳥類羽毛細胞內，β-角蛋白會開始分散在含水的細胞質中。接下來，細胞中的化學變化使得β-角蛋白和水自動分離，聚合蛋白基質中會形成球形水滴。當細胞死亡，水分蒸發後騰出的空間將被空氣充滿，留下一個由氣泡組成的微型球坑，反射一定波長的光線。

Prum把這個過程比作打開一瓶啤酒。他說：“就好像啤酒開瓶之後，溶解的二氧化碳形成了一個氣泡。這個氣泡增長到一定的大小之後開始上浮，看起來就像啤酒瓶的頭。”

在冠藍鴉和大多數其他鳥類的藍色羽毛中，這些氣泡是無序的。但正如Saranathan和Prum等人在6月8日的《美國科學院院刊》上所報道的那樣，至少有一種物種，東南亞的藍翅葉鵯（bēi，雀形目），其亮藍色的肩部羽毛內有着完美有序的氣泡晶體結構。在美國阿貢國家實驗室，當研究人員把藍翅葉鵯的羽毛放在強X射線下觀察時，他們發現了螺旋曲面（Gyroid）晶體。

螺旋曲面是一種形成高度週期性結構的最小連續性曲面，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曲率的鞍形物體。它的一個特殊之處在於，螺旋曲面能將空間分割成兩個迷宮般的隧道系統，隧道僅由一層薄膜隔開，完美地模仿了彼此。當兩組隧道都充滿活細胞內的液體時，可稱爲雙螺旋網狀結構；當只有一組隧道被填滿時，就是單螺旋網狀結構。藍翅葉鵯的單螺旋晶體表現出了與帽貝外殼層相同的光學特性。

正如Saranathan和Prum等人在2010年報道的那樣，此前科學家只在一些蝴蝶鱗片中觀察到了單螺旋網狀結構。現在，在澳大利亞莫道克大學研究生物光子材料的Gerd Schroder-Turk和同事已經表明，當這些鱗片在生長時，鱗片細胞中的內質網膜形成了一張薄片，兩邊都有液體。這個結構就是雙螺旋網狀結構。此後，其中一條隧道隨後被甲殼質填滿並固化。當細胞死亡時，它們會留下一個單螺旋網狀結構。

研究人員認爲，這種成型過程是自然界中形成單螺旋網狀結構的唯一途徑。相反，有證據表明，藍翅葉鵯製造螺旋曲面的方式和它的近親冠藍鴉製造無序氣泡球坑的方式一樣，即通過“相分離”實現。Saranathan和Prum說，這是現有的軟物質物理理論無法預測的。

這一發現表明，這類晶體可以自我組裝，這對於尋找製造光子應用材料更優方法的工程師來說是一則好消息。例如，爲了更有效地傳輸藍光，可以在光纖電纜上鋪設模仿藍翅葉鵯羽毛結構的材料，這樣就不會導致藍色光子逸出。

Prum 說：“目前所有的光纖都是通過精密工程製造的——而鳥類通過自我組裝就完成了。”如果能學習如何發展自我組裝的光子設備 ，“將真正地節約光纖的製造成本”。

Kolle對此也表示贊同，在去年《自然·光子學》的研究中，他和同事通過借鑑鳳蝶翅膀結構製造了改進版的暗場成像顯微鏡。現在，他正和自己的學生正在研究小紅蛺蝶翅膀種的納米結構，如果能解析出這種結構，那麼其他蝴蝶翅膀中的基本結構也將迎刃而解。“我希望能找到一些生物機械學的機制，然後我們可以利用它將現有材料轉換成全新的材料系統。”他表示。

原文鏈接：

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

本文轉自環球科學