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许多动物有着绚丽多彩的外表，比如孔雀、豹变色龙、绯红金刚鹦鹉、小丑鱼、巨嘴鸟和蓝环章鱼。但绝大多数情况下，科学家只知道动物是如何使用这些颜色的，却不了解这些颜色是如何产生的。最近的研究揭开了这个秘密：这些颜色就来自羽毛、鳞片和皮肤上极其精确的微小结构。
自然界中，尤其是植物的颜色大都由色素产生。这些色素能反射光谱中的一部分，同时吸收剩余部分。像叶绿素这样的绿色色素反射了光谱的绿色部分，但也吸收波长更长的红色和黄色以及更短的蓝色。叶绿素的分子构成和其分子结构中原子之间的精确距离决定了反射或吸收的波长。
植物很精通生化合成过程，它们的细胞可以调制多种类型的色素，但动物基本上已经失去了制造大多数色素的代谢途径。黑色素是动物体内最主要的色素，但其能调制的颜色却非常有限，要么是棕色的真黑色素（eumelanin），要么就是红黄色的褐黑色素（pheomelanin）。然而，动物通常可以从食物中获得所需的色素，用来装饰和伪装自己，追求配偶和抵御捕食者。例如，鸟类明亮的红色和黄色就来自食物中的类胡萝卜素。
不依赖色素制造颜色
想要获取光谱中的蓝色并不容易，因为自然界中很少有可供食用的蓝色色素。然而，冠蓝鸦、彩虹方头鱼、箭毒蛙等许多其他动物却不依赖色素就能拥有蓝色。它们演化出了一种光学技巧来制造蓝色(和一些绿色)，这就是所谓的结构色。
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结构色就像过滤网，只允许部分波长通过。它们特定的光子机制因物种而异，但作用的原理都是个体身上的纳米尺度结构能与光的波长对应。这些结构能以不同的方式衍射光的颜色，并产生干涉效应。
耶鲁大学研究鸟类羽毛色彩的专家Richard Prum解释说：“多个微小结构能散射光线，然后让这些散射的波相互作用。这种相互作用会加深一些颜色，淡化其他颜色。”
这种通过结构制造颜色的方法的优势在于，其适应性很强。麻省理工学院学习生物光学材料的研究生Mathias Kolle描述说：“你用什么材料制作这种结构并不重要，只要它在一定程度上是透明的就行。”
结构色通常也能具备色彩斑斓的视觉吸引力。因为从结构色层顶部反射的光可能与从底部反射的光不同，所以当从不同角度观察时，颜色似乎会变亮或发生变换。举个例子，这种效应在蓝闪蝶亮蓝色的翅膀上非常明显。蓝闪蝶翅膀上的鳞片上有微小的凹槽，凹槽内排列着树状突起，这些突起能衍射并反射光波，使它们互相干扰而产生闪耀又各异的蓝。
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在2015年的一项研究中， Kolle和他的同事报告了他们发现的一种软体动物蓝纹帽贝是如何在其外壳上产生独特的亮蓝色条纹的。壳中透明的碳酸钙晶体层排列成多个微观薄片，每一层都会衍射和反射出一片光。衍射的光波相互作用，根据每层的厚度和光的波长，这些光波会叠加或抵消。通过精确地控制各层的厚度（100纳米），蓝纹帽贝使除蓝色波长以外的所有波长都相互抵消了。
蓝纹帽贝。图片来源：Wikipedia
其他动物在它们的结构色中利用了类似的现象。例如，章鱼和其他头足类动物皮肤中的一些色素细胞含有被称为反射素的蛋白质层，可以快速从有序状态转变为无序状态。通过增厚或减薄这些蛋白层，动物可以反射不同的波长，改变它们向外界展示的颜色。
然而，与章鱼不同，帽贝固定姿态后不能改变其结构层的形状。它们如何以如此精确的方式构建分层结构仍是一个谜。Kolle说：“其背后的材料动力学仍然难以理解。”但是，近些年来，Prum和新加坡国立大学的Vinod Saranathan 等人在理解一些亮蓝色羽毛的鸟类如何产生结构色方面取得了进展。他们指出这是一个“相分离”（phase separation）的过程。
特殊结构造色
在高倍镜下，研究者清楚地看到羽毛的彩色细丝上具有泡沫状结构，微小而均匀的空气球状体悬浮在β-角蛋白中。每个气泡上散射的光线会与相邻的气泡上反射的光线相互作用。Prum说：“由于它们的大小合适，可以完成光线的相互作用，所以它们会制造出蓝色、青绿色甚至紫外线。”
研究表明，在仍处于生长状态的鸟类羽毛细胞内，β-角蛋白会开始分散在含水的细胞质中。接下来，细胞中的化学变化使得β-角蛋白和水自动分离，聚合蛋白基质中会形成球形水滴。当细胞死亡，水分蒸发后腾出的空间将被空气充满，留下一个由气泡组成的微型球坑，反射一定波长的光线。
Prum把这个过程比作打开一瓶啤酒。他说：“就好像啤酒开瓶之后，溶解的二氧化碳形成了一个气泡。这个气泡增长到一定的大小之后开始上浮，看起来就像啤酒瓶的头。”
在冠蓝鸦和大多数其他鸟类的蓝色羽毛中，这些气泡是无序的。但正如Saranathan和Prum等人在6月8日的《美国科学院院刊》上所报道的那样，至少有一种物种，东南亚的蓝翅叶鹎（bēi，雀形目），其亮蓝色的肩部羽毛内有着完美有序的气泡晶体结构。在美国阿贡国家实验室，当研究人员把蓝翅叶鹎的羽毛放在强X射线下观察时，他们发现了螺旋曲面（Gyroid）晶体。
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螺旋曲面是一种形成高度周期性结构的最小连续性曲面，在某种意义上说，它是球体的反面。球体具有均匀的正曲率，而螺旋曲面则是具有均匀负曲率的鞍形物体。它的一个特殊之处在于，螺旋曲面能将空间分割成两个迷宫般的隧道系统，隧道仅由一层薄膜隔开，完美地模仿了彼此。当两组隧道都充满活细胞内的液体时，可称为双螺旋网状结构；当只有一组隧道被填满时，就是单螺旋网状结构。蓝翅叶鹎的单螺旋晶体表现出了与帽贝外壳层相同的光学特性。
正如Saranathan和Prum等人在2010年报道的那样，此前科学家只在一些蝴蝶鳞片中观察到了单螺旋网状结构。现在，在澳大利亚莫道克大学研究生物光子材料的Gerd Schroder-Turk和同事已经表明，当这些鳞片在生长时，鳞片细胞中的内质网膜形成了一张薄片，两边都有液体。这个结构就是双螺旋网状结构。此后，其中一条隧道随后被甲壳质填满并固化。当细胞死亡时，它们会留下一个单螺旋网状结构。
研究人员认为，这种成型过程是自然界中形成单螺旋网状结构的唯一途径。相反，有证据表明，蓝翅叶鹎制造螺旋曲面的方式和它的近亲冠蓝鸦制造无序气泡球坑的方式一样，即通过“相分离”实现。Saranathan和Prum说，这是现有的软物质物理理论无法预测的。
这一发现表明，这类晶体可以自我组装，这对于寻找制造光子应用材料更优方法的工程师来说是一则好消息。例如，为了更有效地传输蓝光，可以在光纤电缆上铺设模仿蓝翅叶鹎羽毛结构的材料，这样就不会导致蓝色光子逸出。
Prum 说：“目前所有的光纤都是通过精密工程制造的——而鸟类通过自我组装就完成了。”如果能学习如何发展自我组装的光子设备 ，“将真正地节约光纤的制造成本”。
Kolle对此也表示赞同，在去年《自然·光子学》的研究中，他和同事通过借鉴凤蝶翅膀结构制造了改进版的暗场成像显微镜。现在，他正和自己的学生正在研究小红蛱蝶翅膀种的纳米结构，如果能解析出这种结构，那么其他蝴蝶翅膀中的基本结构也将迎刃而解。“我希望能找到一些生物机械学的机制，然后我们可以利用它将现有材料转换成全新的材料系统。”他表示。
撰文：Vivian Callier
翻译：Jubilee
审校：杨心舟
引进来源：Quanta Magazine
本文来自：中国数字科技馆