Структурная окраска, или Почему синие животные отличаются от всех остальных

Животные моделируют оптические свойства своих тканей в наномасштабе, чтобы придать себе «структурные цвета».

Павлины, пантеровые хамелеоны, алые ара, рыбы-клоуны, туканы, осьминоги с синими кольцами и многие другие: в царстве животных есть бесчисленные обитатели необычайно яркой красоты. Но во многих случаях ученые знают гораздо больше о том, как животные используют свои цвета, чем о том, как они их создают. Новые работы продолжают раскрывать эти секреты, которые часто зависят от фантастически точной самосборки мельчайших деталей в перьях, чешуе, волосах и коже – факт, который делает ответы чрезвычайно интересными для физиков и инженеров, занимающихся изучением мягкой материи.

Многие цвета, встречающиеся в природе, особенно в царстве растений, производятся пигментами, которые отражают часть светового спектра, поглощая остальную часть. Зеленые пигменты, такие как хлорофилл, отражают зеленую часть спектра, но поглощают более длинные красные и желтые волны, а также более короткие синие. Какие конкретные длины волн отражаются или поглощаются, зависит от молекулярного состава пигмента и точных расстояний между атомами в его молекулярных структурах.

Поскольку растения являются мастерами биохимического синтеза, их клетки могут вырабатывать многие типы пигментов, но животные в целом утратили метаболические пути, позволяющие производить большинство из них. Меланин, преобладающий пигмент у животных, бывает коричневого (эумеланин) или красновато-желтого (феомеланин) – довольно ограниченная палитра. Чтобы получить более насыщенную радужную окраску, необходимую для украшения и маскировки, ухаживания и отпугивания хищников, многие животные могут получать необходимые пигменты из своего рациона. Яркие красные и желтые цвета птиц, например, в основном обусловлены каротиноидными пигментами, содержащимися в их пище.

Однако синий конец спектра представляет собой другую историю, потому что в природе доступно мало синих пигментов для употребления в пищу. Тем не менее, голубые сойки, неоновые тетры, ядовитые лягушки-дротики и многие другие животные нашли решение, которое не зависит от пигментов, разработав оптические приемы, чтобы сделать синий (и некоторые зеленые) другим способом. Они создают так называемые «структурные цвета».

Структурные цвета действуют как фильтры, пропускающие только некоторые длины волн(синий и реже зеленый). Их конкретные фотонные механизмы варьируются от вида к виду, но они работают, потому что нанометровые структуры в их материалах сопоставимы с длинами волн света. Структуры по-разному рассеивают цвета света и создают интерференционные эффекты.

«Речь идет о наличии нескольких крошечных структур, которые рассеивают свет, а затем о взаимодействии этих рассеянных волн – это взаимодействие усиливает одни цвета и устраняет другие», – объясняет Ричард Прам, эксперт по окраске птичьего пера из Йельского университета.

То есть структурные цвета зависят от наноразмерной архитектуры поверхностей, а не от химических пигментов. Такой структурный подход к окрашиванию имеет преимущество адаптируемости:

«Неважно, из какого материала вы его сделаете, главное, чтобы он был прозрачным», – объясняет Матиас Колле, изучающий оптические материалы, вдохновленные биологическими методами, в Массачусетском технологическом институте.

То есть такие цвета не обесцвечиваются, так как цветообразование определяется архитектурой, а не составом.

Структурные цвета также часто имеют искрящуюся визуальную привлекательность перелива. Поскольку свет, отражающийся от верхней части структурного цветового слоя, может быть не в фазе со светом, отражающимся снизу, цвет может казаться ярче или смещаться по оттенку при просмотре под разными углами. Этот эффект поразителен, например, в ярко-синем цвете бабочек рода морфо. Чешуйки на крыле морфо-бабочки вылеплены с мелкими бороздками, выстланными древовидными выступами, которые рассеивают и отражают световые волны, заставляя их мешать друг другу таким образом, что образует переливающийся синий цвет.

В исследовании 2015 года Колле и его коллеги сообщили об открытии того, как моллюск с голубовато-лучевым блюдцем, генерирует характерные ярко-синие полосы на своей раковине. Слои прозрачных кристаллов карбоната кальция в оболочке выстроены в виде нескольких микроскопических листов, каждый из которых рассеивает и отражает полоску света. Дифрагированные световые волны взаимодействуют друг с другом; в зависимости от толщины каждого слоя и длины волны света, волны либо складываются, либо гасятся. Получив нужную толщину слоев (100 нанометров), блюдце моллюска заставляет все длины волн, кроме синих, компенсировать друг друга.

Другие животные используют аналогичные явления в своей структурной окраске. Например, одна хитрость, стоящая за артистизмом изменения цвета осьминогов и других головоногих моллюсков, заключается в том, что некоторые из хроматофорных клеток в их коже содержат слои белков, называемых «рефлектинами», которые могут быстро переходить из упорядоченного состояния в неупорядоченное. Утолщая и истончая эти слои, животные могут отражать волны различной длины и изменять цвета, которые они показывают миру.

Однако, в отличие от осьминога, блюдце не может изменить форму своих слоев после того, как они уложены. Как морское блюдце с такой точностью строит слоистую структуру, остается загадкой. 

«Динамика материаловедения, лежащая в основе этого, поразительно непонятна», – говорит Колле. 

Но работа Прама, Винода Саранатана из Йельского колледжа Национального университета Сингапура и других в последние годы позволила понять, как некоторые птицы производят структурные цвета своим блестящим синим оперением: процесс разделения фаз.

При большом увеличении цветные зазубрины (нити) перьев имеют пенистую структуру с небольшими однородными сферами воздуха, взвешенными в бета-кератиновом белке. Свет, рассеиваемый каждым пузырьком воздуха, взаимодействует со светом, отражающимся от соседних пузырьков. «И поскольку они подходят для этого по размеру, они имеют синий, бирюзовый или ультрафиолетовый цвет», – говорит Прум.

Исследования показывают, что внутри клеток развивающегося птичьего пера бета-кератин начинает распределяться в водянистой цитоплазме. Химические изменения в клетке вызывают спонтанное разделение бета-кератина и воды, в результате чего образуются сферические капли воды в матрице полимеризованного белка. После того, как клетка умирает, вода испаряется, и пространства заполняются воздухом, оставляя миниатюрную ямку из пузырьков воздуха, которая отражает свет с правильной длиной волны.

Прам сравнивает этот процесс с открытием бутылки пива. «Внезапно вы получаете конденсат – растворенный углекислый газ образует пузырь, который вырастает до определенного размера, а затем всплывает», – сказал он. «Эта штука выглядит так же, как пенка на пиве».