Категории: Зоология

Структурная окраска, или Почему синие животные отличаются от всех остальных

Лайнуть/Поделиться

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».

Примеры структурных цветов в природе: А — гибискус тройчатый (Hibiscus trionum); В — жук тамамуси (Chrysochroa fulgidissima); С — бабочка вида Morpho rhetenor; D — комар обыкновенный (Culex pipiens); Е — морская мышь (Aphrodita aculeata); F — жук вида Pachyrhynchus argus; G — бабочка вида Parides sesostris.

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.

Потрясающая синяя переливчатость голубой морфо-бабочки (слева) является результатом того, как структуры в чешуях ее крыльев (справа) дифрагируют и отражают синий свет, поглощая при этом другие части спектра.

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.

Отличительные синие полосы на блюдце с синими лучами (слева) отражаются от слоистой структуры прозрачных кристаллов карбоната кальция в раковине (справа).

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».

Редакция

Опубликовала
Редакция
Метки: цвет

Недавние публикации

Инструмент AI отслеживает время, которое политики проводят в своих телефонах

Этот удобный инструмент использует машинное обучение и распознавание лиц для измерения. Разработчик из Бельгии, Дрис… Читать далее

08/07/2021

Псилоцибин увеличивает число нейронных связей на 10%

Псилоцибин вызывает быстрый и стойкий рост дендритных шипов в лобной коре in vivo. Структурное ремоделирование, вызванное… Читать далее

07/07/2021

Женщины не пожалели о сделанном аборте годы спустя

В течение пяти лет после сделанного аборта большинство женщин не жалеют о своем решении —… Читать далее

04/07/2021

Отбор эмбрионов, направленный на обеспечение интеллекта детей. Реальная услуга с сомнительными результатами

В специальном отчете, опубликованном в New England Journal of Medicine, возникают серьезные вопросы о преимуществах, рисках и… Читать далее

03/07/2021

CRISPR, введенный в кровь, впервые лечит генетическое заболевание

Редактор генов CRISPR отлично справляется с фиксацией болезненных мутаций в выращенных в лаборатории клетках. Но использование… Читать далее

27/06/2021

Микробные фермы на солнечных батареях, как альтернативный источник белка

Ученые обнаружили, что микробы могут производить в 10 раз больше пищи, чем растения. Идея исследователей… Читать далее

27/06/2021