Околният свят е пълен с обекти в милиони цветове и нюанси. Разнообразието им би било още по-голямо, ако се вземе предвид, че окраската на много насекоми и птици се намира в ултравиолетовата част на спектъра. Тази статия е посветена на начина, по който се получават всички тези цветове и нюанси в живата природа – благодарение на законите на оптичната физика и хитростта на живите клетки и тъкани, създадени от биологичната еволюция.
Химия и физика на цвета
Цветът на обекта може да се формира с участието на два механизма. По-широко известен и по-познат е химическият. Той е свързан със способността на някои молекули да абсорбират избирателно, да отразяват или излъчват светлина със специфична дължина на вълната. Биологичните молекули с такива свойства се наричат пигменти. В растенията това са главно хлорофил (зелен), каротеноиди (жълто, оранжево и червено) и флавоноиди (дават различни нюанси на жълто, синьо или лилаво).
При животните това са предимно различни версии на меланина, имащи жълт, оранжев, червен или кафяво-черен цвят. Пигменти със син цвят в представителите на това царство изглеждат само като редки изключения. В допълнение към „обикновените“ оцветени вещества, някои животни и гъбички произвеждат флуоресциращи, които не отразяват светлината, която пада върху тях, а я абсорбират и след това излъчват собствена светлина с различна дължина на вълната. Това се случва успешно при медузите, някои морски риби и черупчестите мекотели.
Вторият начин за формиране на цвят е структурният. Цветът, образуван по този начин, не зависи от химическите свойства на молекулите, а от структурата на повърхностите, към които пада светлината от източника. Друго име за структурния метод на оцветяване е иридесценция или иризация. Обяснението на това явление е предложено през 1803 г. от английския физик Томас Юнг, един от най-важните заслуги на който е доказателството за вълновите свойства на светлината, чрез демонстриране на феномена интерференция на светлинните вълни.
Във всички случаи наноструктурите, под формата на ребра, влакна, плочки, подредени в редове или решетки, служат като основа на иридесценцията. Във физиката структури от този тип се наричат фотонни кристали. Важно е линейните размери на променливите елементи на решетката и пространствата между тях да са близки до дължините на вълните на светлинния спектър. Фотоновите кристали създават специфични оптични ефекти, като дифракция и смущения. За появата на ефекта на интерференцията е необходимо светлинните вълни, отразени многократно от решетъчните елементи, да са в една и съща фаза. Амплитудите на вълните, за които се наблюдава това състояние, се сумират, а дължините на тези вълни определят основния визуален цветен фон.
Иридесценцията значително разширява обхвата на възможните цветове в сравнение с използването само на пигменти. По-широки хоризонти се отварят чрез комбинация от химически и структурни цветове. Например, зеленото в оцветяването на много земноводни и влечуги се образува чрез преминаване на лъчи със син структурен цвят през покриващия слой клетки с жълт пигмент. При насекомите механизмът за получаване на подобни нюанси може да се различава.
Структурно оцветяване: живи примери
Иридесценцията се среща, както при животните, така и при растенията. Във всеки случай, за формирането на цвета отговарят различните типове на тъканната структура и елементите: в единият случай това са компонентите на междуклетъчно вещество (хитин или колаген), а в другият – вътреклетъчните структури.
При растенията явлението иридесценция се случва много по-често, отколкото изглежда на пръв поглед. Достатъчно е да се отбележи, че цветът на игличките на обикновен син смърч е резултат от структурно оцветяване. Целеви проучвания показват, че във всяко семейство има поне един вид, демонстриращ структурния цвят на листата, цветовете или плодовете.
Функция и еволюция на иридесцентното оцветяване
Биологичният смисъл на цвета е разнообразен: това е камуфлаж, който помага на животното да се крие от хищници или да остане невидимо по време на лов. Той е също така и комуникативен сигнал, който позволява да се привлекат партньори за чифтосване или да се изплашат съперниците, както и терморегулация, чрез контролиране на броя на фотоните. Растенията използват иридесценцията за привличане на насекоми опрашители, както и на плодоядни животни, които помагат за разпространението на семената.
Обратими промени в структурния цвят: причини и механизми
Някои животни могат да променят цвета си, включително този, който се определя структурно. Понякога тези промени са необратими и зависят от възрастта, но особено интересни са случаите на обратими промени в цвета, които се случват в отговор на определени събития във външната среда. Например, бръмбарът Херкулес има зеленикаво-червен цвят при нормална влажност, а ако влагосъдържанието е над 80%, цветът му се променя до черен, поради запълването на кухините с въздух и влага.
От дивата природа до технологиите, създадени от човека
В заключение трябва да се отбележи, че естествената иридесценция е източник на вдъхновение за експертите в областта на материалите, както и компонент на различни електронни устройства. В действителност, има цял раздел на технологията, базиран на симулация на природни явления за създаване на устройства и изкуствени материали. Той се нарича бионика или биомиметика.
