生物世界

动物利用自身组织上的纳米结构变换光影来赋予自己“结构色”。新的研究正逐步揭示这华丽色彩背后的秘密。

和许多动物一样，东南亚的蓝翅叶鹎斑斓闪耀的色彩也是一种结构色。

结构色源于一种具有纳米级结构特征的材料，能够衍射和反射特定波长的光

物王国中有许多具有魅力色彩的居民：孔雀、豹变色龙、五彩金刚鹦鹉、小丑鱼、巨嘴鸟、蓝圈章鱼等等。但在许多情况下，相比于这些结构色如何产生的，科学家更了解动物如何使用颜色。随着研究的深入，这些奥秘被逐步揭开：华丽的色彩来源于羽毛、鳞片、头发和皮肤上微小结构，神奇的是这些结构是十分精确地自组装起来的——这激起了软物质物理学家和光子学工程师浓厚的兴趣。

自然界中，特别是在植物王国中的许多颜色，都是由色素产生的，色素反射光谱中部分波长的光，同时吸收其余波长的光。像叶绿素这样的绿色色素会反射光谱的绿色部分，吸收波长较长的红色和黄色光以及波长较短的蓝色光。哪些特定波长被反射或吸收,取决于色素的分子构成和分子结构中原子之间的精确距离。

因为植物是生物化学合成的大师，它们的细胞可以调制多种色素；但一般来说，动物已经失去了制造大部分色素的代谢途径。黑色素是动物体内的主要色素，它的颜色相当有限：要么是棕色（真黑色素），要么是红黄色（类黑色素）。为了装饰和伪装自己、求偶以及抵御捕食者，动物需要更加丰富的颜色。动物通常可以从饮食中获得所需的色素，例如鸟类鲜艳的红色和黄色主要来自食物中的类胡萝卜素。

然而，光谱的蓝色端则比较棘手，因为自然界中很少有蓝色色素可供食用。然而，冠蓝鸦、霓虹灯鱼、箭毒蛙和许多其他动物找到了一种不依赖色素的办法，它们进化出了显现蓝色（和一些绿色）的光学技巧——制造出所谓的结构色。

结构色就像滤光片，只允许一些波长通过。每个物种的机制都不尽相同，但它们的工作原理都是因为材料中的纳米结构的尺度与光的波长相当。这些结构对不同颜色的光进行衍射和干涉，从而产生独特的色彩效果。

耶鲁大学的鸟类羽毛着色专家Richard Prum解释说：“许多微小结构能够散射光线，然后使这些散射光相互作用——这种相互作用会增强某些颜色并消除其他颜色。”

蓝闪蝶（上）令人惊艳的蓝色虹彩是由于它翅膀鳞片（下）的结构在吸收光谱其他部分的同时衍射和反射蓝光

麻省理工学院的Mathias Kolle的研究方向是受生物启发的光学材料。他解释说，这种结构化的着色方法优点在于适应性很强：“不管用什么材料制作，只要它是透明的就可以。”

结构色也常常有闪闪发光的虹彩效果，十分吸引人。因为从结构颜色层顶部反射的光会与从底部反射的光不同步，所以当从不同的角度观看时，颜色看起来会变亮或色度发生改变。比如说，这种效果在蓝闪蝶身上就非常明显。蓝闪蝶翅膀的鳞片上雕刻着微小的凹槽，这些凹槽排列着树状突起，这些突起对光波进行衍射或反射，使它们相互干涉，从而显现出蓝色虹彩。

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——青线笠螺，是如何在壳上产生独特的亮蓝色条纹的。贝壳中的透明碳酸钙晶体层排列成多个微小的薄片，每一片衍射并反射一线光。根据每一层的厚度和光的波长，光波衍射相长或相消。利用合适的的层厚（100纳米），贝壳的微结构只保留了蓝色，其余所有波长都通过干涉相互消除了。

青线笠螺上独特的蓝色条纹（上）从贝壳表面层状排列的透明碳酸钙晶体薄片（下）反射出来

其他动物的结构色利用类似的现象。例如，章鱼和其他头足类动物皮肤上某些染色质细胞中，含有一层反射蛋白，这种蛋白可以迅速从有序状态转变为无序状态。通过加厚和减薄这些蛋白层，动物就能够反射不同的波长并改变它们向外界展示的颜色。

不过，与章鱼不同的是，帽贝在被放下后，便无法改变它反射层的形状。帽贝如何精确构建层状结构依旧是一个谜。“它背后的材料动力学令人神魂颠倒，思而不得，”Kolle说道。但在Prum的工作中，耶鲁- 新加坡国立大学的Vinod Saranathan和其他人在探究一些鸟类如何在明亮的蓝色羽毛背后产生结构颜色的过程中取得了进展：这是一个相分离（phase separation）的过程。

高倍镜下，羽毛的彩色倒刺（细丝）呈泡沫状结构，微小均匀的空气球分布在β-角蛋白中。每个气泡散射的光与相邻气泡散射的光相互作用。“因为它们的尺寸正好合适，所以它们会变成蓝色，或者是绿松石色，或者是紫外线色，”Prum说道。

研究表明，在发育中的鸟类羽毛的细胞内，β-角蛋白起初分布在含水的细胞质中。细胞中的化学变化导致β-角蛋白和水自发分离，在聚合蛋白质基质中形成球形水滴。细胞死亡后，水分蒸发，留下一个微小的气泡球泡，刚好适合反射特定波长的光线。

Prum把这个过程比作打开一瓶啤酒。“你进行迅速的冷凝，溶解的二氧化碳形成一个气泡，气泡会膨胀到一定的大小，就会漂浮起来，这东西看起来就像一瓶啤酒顶部的泡沫。”

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。但至少有一种鸟类——东南亚的蓝翅叶鹎是从排列整齐的泡状晶体中获得肩部羽毛的蓝色光泽，正如Saranathan,、Prum和他们的同事在6月8日的《美国国家科学院院刊》上发表的报告中提到的那样。研究人员在阿贡国家实验室将蓝翅叶鹎羽毛放在强X射线束线下研究，发现了这些螺旋二十四面体（gyroid）晶体。

螺旋二十四面体是一个连续的极小曲面，表现出高度周期性的结构，在某种意义上与球体是相反的：球体具有均匀的正曲率，而螺旋二十四面体是具有均匀的负曲率的鞍形物体。它的一个特点是，将空间分割成两个迷宫式的通道，由一层薄膜隔开，相互成完美的镜像关系。当两组通道都充满了活细胞内的液体时，这种结构被称为双螺旋二十四面体（double gyroid）；当只有一组通道被填满时，称为单螺旋二十四面体（single gyroid）。

蓝翅叶鹎鸟羽毛中周期性排列的纳米尺寸的气泡（上）是由羽毛倒刺内螺旋二十四面体结构（下）的自组织生长产生的

蓝翅叶鹎的单螺旋二十四面体晶体表现出与帽贝反射蛋白层相同的光学特性。”瑞士弗里堡 Adolphe Merkle 研究所的软物质物理学家 Bodo Wilts解释说：“它具有折射率的局部周期性变化”，或者不同光散射材料的周期性排列。

Saranathan、Prum和他们的同事在2010年的报告中提到，以前只在一些蝴蝶鳞片上看到过自然界中的单螺旋二十四面体。Gerd Schröder-Turk在澳大利亚莫道克大学研究生物光子材料，他和同事们已经证明，当这些鳞片正在发育时，鳞片细胞中的内质网膜连接成一片，形成了双螺旋二十四面体，薄膜的两侧都是液体。然后其中一个通道填充几丁质并固化。当细胞死亡时，便留下了单螺旋二十四面体。

研究人员认为，这种模具成型过程是自然界中形成单螺旋二十四面体的唯一途径。相反，有证据表明，蓝翅叶鹎制造螺旋二十四面体的方式与其近亲——冠蓝鸦制造无序球泡的方式相同：通过相分离的方式。然而，Saranathan和Prum认为，这基于软物质物理学现有理论并无法预测。

这一发现表明，螺旋二十四面体这样的晶体可以自行组装，这对寻找更好的方法制造光子应用材料的工程师来说是一个极大的鼓舞。例如，为了更有效地传输蓝光，可以用蓝翅叶鹎身上发现的那种蓝色反射材料来制作光纤的包层，这样就不会有蓝色光子逃逸。

Prum说：“现在所有的光纤都是用费时费力的精密工程制作的，而鸟类用的是自组装。”破解自组装光子器件的机制“将大大节约成本。”

Kolle表示赞同。在去年的《自然-光子学》杂志上，他和他的团队报道了一种经过改良的暗场成像显微方法，这种方法运用了一种受凤蝶翅膀鳞片启发的特殊材料。现在，他正在和一名学生一起观察小红蛱蝶翅膀鳞片上的纳米级凹槽是如何雕刻出来的。

理解这一物种的进化过程应该能破解大多数蝴蝶鳞片结构的奥秘。“我希望存在这样的生物力学原理……能够让我们在一个完全不同的材料体系中制造这些特殊材料，”他说。

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