动物为何能五彩斑斓

◆韩若冰

提及人体色素，我们最熟悉的便是黑色素了。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，动物王国拥有无数极其绚烂的生物，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。

图1 金刚鹦鹉（上）、孔雀（下）羽毛中的蓝绿色由结构色产生（图/千图网）

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，同时吸收其他颜色的光，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，使叶片呈现为绿色。

植物是“生化合成大师”，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，还是为了把自己“打扮”得更漂亮，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，从饮食中获取色素，一些鸟类的鲜红色、明黄色就主要来自食物中的类胡萝卜素。

图2 小丑鱼（图/千图网）

图3 豹变色龙（ 图/千图网）

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使用，想要获得蓝色该怎么办？动物们另辟蹊径，进化出高超的光学“特技”，以不同方式制造出蓝色，这就是所谓的结构色。

结构色的原理与色素类似，也是通过反射特定波长的光，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，能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，就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。

图4 大蓝闪蝶令人惊叹的蓝色虹彩源于翅膀鳞片中的纳米结构

除了蝴蝶，其他动物也在用各种方式实现自身的结构色。青线笠螺的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，反射出不同波长的光，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。

透明——伪装终极

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，它能让动物轻松融入任何背景。要实现透明，就要使光线的散射和反射最小化。透翅蝶如何实现完美隐身？

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地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。

图5 透翅蝶是天生的伪装者（图/千图网）

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，使表面凹凸不平，让空气与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，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，而漫长的自然演化让动物们轻松拥有各种精妙的结构，给了人类众多启发。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；为了用光纤更有效地传输蓝光，人类用从鸟类羽毛中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。（据科普中国网）