Структурная окраска: живые примеры
Структурный цвет в живой природе
БИОЛОГИЯ, БИОФИЗИКА • 12.11.2017
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/izbrannoe/433671/Strukturnyy_tsvet_v_zhivoy_prirode
Татьяна Романовская
Окружающий мир наполнен объектами миллионов цветов и оттенков. Их разнообразие окажется еще шире, если учесть, что многие насекомые и птицы видят в ультрафиолетовой части спектра. Эта статья посвящена тому, как получаются все эти цвета и переливы в живой природе — благодаря законам оптической физики и хитроумному устройству живых клеток и тканей, созданному биологической эволюцией.
Химия и физика цвета
Цвет объекта может формироваться при участии двух механизмов. Более широко известный и в некотором смысле более привычный для нас — химический. Он связан со способностью некоторых молекул избирательно поглощать, отражать или излучать свет с определенной длиной волны. Так определяется, например, цвет самых обычных красок для рисования. Биологические молекулы с такими свойствами называют пигментами. У растений это в основном хлорофиллы (имеют зеленый цвет), каротиноиды (желтые, оранжевые и красные) и флавоноиды (дают разные оттенки желтого, синего или фиолетового цвета). У животных это преимущественно разные варианты меланина, имеющие желтый, оранжевый, красный или коричнево-черный цвет. Пигменты синего цвета у представителей этого царства появляются лишь как крайне редкие исключения. Помимо «обычных» окрашенных веществ некоторые животные и грибы производят флуоресцирующие, которые не отражают падающий на них свет, а поглощают, а затем излучают собственный свет с другой длиной волны. Особенно в этом преуспели медузы, некоторые морские рыбы и моллюски.
|
|
|
Второй способ формирования окраски — структурный. Цвет, образованный таким способом, зависит не от химических свойств молекул, а от структуры поверхностей, на которые падает свет от источника. Другое название структурного способа формирования цвета — иридесценция, или иризация. Объяснение этому явлению предложил в 1803 году английский физик Томас Юнг, одна из важнейших заслуг которого — доказательство волновой природы света посредством демонстрации явления интерференции световых волн.
Во всех случаях основой иридесценции служат наноструктуры в форме ребер, волокон, пластинок, организованных в регулярно расположенные ряды или решетки (в физике структуры такого типа называют фотонными кристаллами). Важно, что линейные размеры чередующихся элементов решетки и пространств между ними близки к длинам волн светового спектра. Фотонные кристаллы создают специфические оптические эффекты, такие как дифракция и интерференция (подробнее механизмы формирования структурного цвета освещены в статье «Структурная окраска», «Химия и жизнь» №11, 2010). Для возникновения эффекта интерференции необходимо, чтобы световые волны, многократно отраженные от элементов решетки, оказывались в одинаковой фазе. Амплитуды волн, для которых данное условие соблюдается, суммируются, а длины этих волн определяют основной визуально воспринимаемый цветовой фон.
|
|
|
Общий физический механизм определяет как переливчатую окраску некоторых природных минералов (перламутра и жемчуга, лунного камня, опала), так и структурный цвет наружных покровов множества живых организмов. Примеры такой окраски чрезвычайно многочисленны, и природа наноструктур, обеспечивающих эту окраску, также бывает самой разнообразной.
Оттенки и яркость структурно определяемого цвета могут меняться при изменении угла, под которым зритель находится к объекту: вспомните, как переливаются от сизого к зеленому перья на крыльях скворцов или на шее селезня. Иридесценция, помимо раскрашивания объекта в разные цвета, может также создавать эффекты блеска (как у вишневого долгоносика) или зеркальности (наблюдается у многих рыб).
|
|
|
Радужные переливы и металлический блеск достигаются за счет особенностей конфигурации многослойной трехмерной структуры дифракционных решеток. Посмотрите, например, на красавицу морскую мышь из типа многощетинковых червей. На латинском языке ее вполне заслуженно именуют Aphrodita (полное видовое название — Aphrodita aculeata) за красивое обрамление из ворсинок, переливающихся всеми цветами радуги (рис. 1). Правда, если это животное вынуть из воды, магия исчезает. Среда, в которой происходит преломление лучей света, критична для этого механизма окраски: в другой среде она может и не проявиться (T. Lu et al., 2016. Bio-inspired fabrication of stimuli-responsive photonic crystals with hierarchical structures and their applications).
Рис. 1. Многощетинковый червь морская мышь (Aphrodita aculeatа). А — внешний вид в естественной среде обитания (фото с сайта vistaalmar.es). Б — фото «разноцветных» ворсинок под увеличением (фото с сайта quekett.org). В — срез ворсинки под электронным микроскопом. Хорошо видна регулярная структура в виде решетки из шестиугольных ячеек. Фото из статьи T. Lu et al., 2016. Bio-inspired fabrication of stimuli-responsive photonic crystals with hierarchical structures and their applications
Иридесценция существенно расширяет спектр возможных окрасов по сравнению с использованием только лишь пигментов. Еще более широкие горизонты открывает сочетание химического и структурного цветов. Например, зеленый в окраске многих амфибий и рептилий формируется за счет пропускания лучей синего структурного цвета через вышележащий слой клеток с желтым пигментом. У насекомых механизм получения сходных оттенков может отличаться. Так, блестящая зеленая окраска крыльев бабочек Papilio palinurus (парусник Палинур) получается за счет визуального смешения синих и желтых лучей, отражаемых структурами поверхности чешуек крыла по механизму иридесценции. Две разные световые волны отражаются от разных частей вогнутой поверхности светоотражающих наноструктур (рис. 2). Смешанный структурный цвет используется и некоторыми видами жуков.
|
|
|
Рис. 2. Смешивание структурного цвета в окраске насекомых. А — внешний вид бабочки Papilio palinurus. Б — схематичное изображение поверхности чешуйки Papilio palinurus с выемками, образующими иридесцирующие светоотражатели. В — схематичное изображение светоотражающей выемки на чешуйках Papilio palinurus в поперечном разрезе. Поскольку угол отражения на краях и в центре различен, неодинаковы и длины интерферирующих волн. Они создают максимумы в желтой области спектра при отражении от центра ямки и в синей области — при отражении от краев. Визуально смесь лучей желтого и синего цвета воспринимается как зеленое мерцание. Г — пестро-мерцающая смешанная окраска на надкрыльях жука Pachyrhynchus gemmatus; Д — цветное пятно на надкрыльях жука Pachyrhynchus gemmatus при увеличении в оптическом микроскопе. А, Б, В — с сайта en.wikipedia.org; Г, Д — из статьи A. E. Seago et al., 2009. Gold bugs and beyond: a review of iridescence and structural colour mechanisms in beetles (Coleoptera)
Структурная окраска: живые примеры
Иридесценция встречается как среди животных, так и среди растений. Некоторые примеры структурной окраски у животных уже были продемонстрированы выше, а на рисунке 3 показан еще ряд случаев. Обладателей структурного цвета можно встретить среди морских и сухопутных, позвоночных и беспозвоночных, сидячих и подвижных представителей животного мира. В каждом случае за формирование цвета отвечают разные типы тканевых структур и элементов: в одном случае это компоненты межклеточного вещества (хитин или коллаген), в других — внутриклеточные структуры.
Рис. 3. Примеры иридесценции у животных. А — обыкновенный павлин (Pavo cristatus). Иридесценция обеспечивается правильным расположением волокон кератина в клетках пера. Иллюстрации с сайтов webexhibits.org,didyouknowblog.com. Смотрите также Павлин-лейкист. Б — бабочка морфо Пелеида (Morpho peleides). Ее голубой цвет создается структурированием хитинового слоя на чешуйках крыла, по типу светоотражающей дифракционной решетки. Иллюстрация с сайта danaida.ru. В — вишневый долгоносик (Epirhynchites (Rhynchites) auratus). Переливы между зеленым и фиолетовым определяются структурой хитина, формирующей окраску по типу многослойного отражателя. Иллюстрация с сайта macroclub.ru. Г — голубой неон (Paracheirodon innesi). Зеркальный эффект связан с присутствием регулярно расположенных светоотражающих кристаллов гуанина в чешуе. Иллюстрация с сайта en.wikipedia.org. Д — мандрил (Mandrillus sphinx). Необычный синий цвет кожи на лице определяется регулярными рядами коллагеновых волокон в межклеточном веществе. Такая окраска присуща только самцам и появляется с достижением половозрелости. Иллюстрация с сайта justfunfacts.com
У растений явление иридесценции тоже имеет место, причем гораздо чаще, чем может показаться на первый взгляд. Достаточно указать, что цвет хвои такой привычной голубой ели — это именно результат структурной окраски. Целенаправленные исследования показывают, что в каждом семействе имеется как минимум один вид, демонстрирующий структурную окраску листьев, цветов или плодов. Красивая голубая иридесценция обнаружена даже у красной водоросли Chondrus crispus (традиционно называемой «ирландским мхом»). Некоторые другие частные случаи показаны на рисунке 4. В пояснении к рисунку описаны разнообразные механизмы, определяющие появление структурного цвета в каждом из показанных примеров. Более подробно о данных механизмах можно прочесть в статьях H. M. Whitney et al., 2016. Flower Iridescence Increases Object Detection in the Insect Visual System without Compromising Object Identity и B. J. Glover and H. M. Whitney, 2009. Structural colour and iridescence in plants: the poorly studied relations of pigment colour, а также в картинке дня Иридесценция листьев бегонии.
Рис. 4. Примеры иридесценции у растений. А — плоды тропического растения Pollia condensata. Как это ни странно, в кожице плода совершенно отсутствуют пигменты. Цвет обеспечивается регулярно расположенными целлюлозными структурами — иридосомами, расположенными в пространстве между мембраной клеток и клеточной стенкой. Каждая иридосома представляет собой трехмерный фотонный кристалл. В левом нижнем углу рисунка показан фрагмент кожицы плода при рассмотрении под микроскопом. Иллюстрация с сайта the-scientist.com. Б — листья папоротника Selaginella willdenowii. Голубой отлив характерен только для молодых листьев, растущих в тени. Он обеспечивается регулярной укладкой целлюлозных волокон в клеточной стенке. Иллюстрация с сайта the-scientist.com. В — голубая ель (Picea pungens). Цвет хвои связан с наноструктурой воскового налета, покрывающего иголочки. Иллюстрация с сайта mygazeta.com. Г — листья бегонии Begonia pavonina. Голубой отлив создается особыми хлоропластами (иридопластами). Они более плоские, чем обычные хлоропласты. Тилакоиды в них расположены регулярно и работают как светоотражатели (M. Jacobs et al., 2016. Photonic multilayer structure of Begonia chloroplasts enhances photosynthetic efficiency). Иллюстрация с сайта twitter.com. Д — цветок гибискуса тройчатого (Hibiscus trionum). Центральная часть цветка не содержит пигментов. Эффект иридесценции на ней создается за счет частичного наложения концентрических рядов клеток эпидермиса лепестков друг на друга, создающего ребристость поверхности лепестка. Иллюстрация с сайта ru.wikipedia.org. Е — цветок Moraea villosa из семейства Ирисовые. В зависимости от освещения лепестки визуально приобретают разные оттенки. Иллюстрация с сайта growingcoolplants.blogspot.com. Ж — орхидея Orphys speculum. Иллюстрация с сайта pinterest.com. Механизм формирования иридесценцентного окрашивания в случае Е и Ж аналогичен таковому у гибискуса (пример Д)
Дата добавления: 2019-11-16; просмотров: 306; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!