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蝴蝶的翅膀,科学家如何确定史前动物的颜色

但蝴蝶的颜色也有其他一些特殊的用处,中美洲和南美洲热带雨林中的蓝闪蝶就是个例外,这种昆虫明亮的颜色“被用来与其他蝴蝶交流,它们在求偶或交配时会展示自己的翅膀”,Prudic介绍说。

好啦,别说蝴蝶翅膀,你就算拿一桶颜料来,在电子显微镜下也看不到颜色的啊……颜色是光带来的现象,而电子显微镜顾名思义是用电子的,成像效果默认都是灰色,那些彩色照片都是算法生成的伪色。

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美国华盛顿特区国家自然历史博物馆史密森学会蝴蝶花园志愿者Angie
McPherson向《国家地理》提出了一个问题:“为何风筝蝴蝶产的蝶蛹是金色的?”风筝蝴蝶来自于亚洲,颜色为白色或黄色,身上有着精致的俯冲式黑色线条和斑点构成的纹路。但是它的蝶蛹——在毛虫成长为蝴蝶之前保护它们的硬壳却呈现出闪亮的金色。

简单地说,有。蝴蝶翅膀的颜色有两个来源,其一是色素“本身”的颜色,其二是鳞片表面特殊结构产生的颜色。

图片 2从科学的角度来说,什么是颜色?如何测量颜色?”
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本报讯
如果问一个漂亮的女人在哪里买到她身上的裙子,她会说:“这件旧裙子吗?”接下来,她会告诉你裙子的所有故事。如果问一只真正的蝴蝶,它为何拥有如此艳丽的盛装,答案则要复杂得多。

2015年安徽高考的作文题目是这样的:

在植物中最常见的色素是叶绿素,但在动物中,一些最常见的色素是黑色素。它们决定了我们头发的颜色,也造就了真菌的棕色和鸟类羽毛的深色。

俄勒冈州立大学生物学家Katy
Prudic表示,科学家并不知道蝶蛹为何是金色的,但是它的闪光却可以为成长中的蝴蝶提供伪装色。这种光泽对于它们潜在的捕食者尤其具有“扰乱性”——它让蝶蛹“在复杂的背景环境中很难被发现”,Prudic说。比如接近的小鸟甚至可能把它们当作一滴水。

颜色和光源,脑补的力量

颜色的来源当然是光,但光的来源呢?

自然界的东西可以简单分成两类,要么自己发光,要么自己不发光。对于前者(比如电脑显示器),发出来什么样的光,那就是什么样的颜色;而对于后者(比如印刷品、花、蝴蝶翅膀),那就取决于什么样的光照上去、又有什么样的光反射或者透射回来。

最重要的光源是阳光。阳光里各种波长的可见光都会有一些。因为在人类数百万年演化史里,绝大多数时候阳光是唯一的强光源,所以当我们说一件衣服是“红色”的时候,说的其实是“如果把它放在太阳光下,那么它反射回来的光,会让人的眼睛和大脑觉得是红色的”。

如果把它放在别的光下,就会产生其他的颜色感觉,但是我们的大脑有补偿机制,会试图判断光源的状态,然后光源和反射光相减,从而想象出衣服在正常阳光下“应该”是什么样的。假如你在烛光晚餐,白盘子里盛着黄色的意面,你会觉得意面也变成了白色——你知道光源是黄色的,白盘子在黄光照耀下发黄,因此你会认为意面的黄色不是本来的颜色,也是光源的结果,减掉光源也成了白色。

但是,如果光源的信息不足,比如只看到了一张照片,那么不同的人脑补出来的光源就可能不一样,从而相减之后对这件衣服的颜色判断也不一样——这就是为什么有的人看到白金裙子,有的人看到蓝黑裙子。

图片 3假如你脑补出来的光源是阴暗的,相减之后就会认为这是白金裙子;假如脑补出来的光源是明亮的,相减之后就会认为这是蓝黑裙子。图片来源:xkcd

而刨除所有这些干扰因素,只考虑物体本身反射光的能力的话——这才终于到了蝴蝶翅膀本身。

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但蝴蝶翅膀到底有没有颜色呢?

当然,这要难得多,因为粘糊糊的东西通常会腐烂,麦克纳马拉正在寻找这种软组织化石标本。她研究昆虫和脊椎动物的组织,以此为根据来描绘这些动物的外貌,它们如何与环境互动,包括它们的捕食者是什么,它们生活在哪里,它们的交配习是什么等等。

伪装对于蝶蛹非常重要:因为成长中的蝴蝶在被捕食或寄生时不能逃避或反抗,“它们只能在原地呆若木鸡。”Prudic补充说。

但要详细讲的话……可就多了。

{“type”:1,”value”:”科学家做了一系列的实验验证,证实颜色会发生改变。改变颜色的主要因素是压力和温度,特别是温度,温度的改变会让物理结构收缩,然后推动这些结构颜色的变化。

《中国科学报》 (2015-03-10 第2版 要闻)

蝴蝶的翅膀:博采众长

蝴蝶翅膀里两种颜色都有。闪蝶是一个著名的例子。雄性的闪蝶翅膀背面拥有非常美丽的蓝色虹彩,这是结构色;但是它的翅膀腹面却是棕色的,这就是色素色。

蝴蝶的结构色来自它翅膀上的鳞片。每一片都由一个细胞长成,非常微小,肉眼看起来就像是粉末;一排排鳞片像瓦片一样交叠起来。鳞片的下方没有什么特殊结构,但上方有许多几丁质组成的细微平行横条,闪蝶的两条之间相距200nm,差不多是蓝光波长的一半。这样来回两次正好差一个蓝光波长,相互加强;其他波长的光相比之下就弱下去了。

图片 6闪蝶的鳞片和鳞片上的细微结构。图片来源:asknature.org

这些横条的下面还有一层黑色素,能起到吸收杂光的作用,让蓝色更加鲜艳。

相比之下,虽然闪蝶的腹面也有鳞片,但是横条之间的距离要更细,对应的波长已经离开了可见光的范畴,所以没有明显的结构色,只会显示出内层的色素色。

闪蝶翅膀反光的最重要用途,大概是通讯。雄性闪蝶用这样的闪光互相划分地盘,相互回避,人工模拟出的蓝色闪光会让其他的雄性不愿靠近。鳞片能够反射70%以上的蓝光,比起色素要高效很多,而且闪蝶的眼睛也是对蓝色最为敏感。

但是这样的副作用就是过于显眼,容易被捕食者发现;毕竟很多鸟类也对蓝紫光甚至紫外光极为敏感。一种猜想认为,飞行的时候腹面的褐色能够起到补偿作用:由于蝴蝶在飞行时翅膀不断扇动,在空中的捕食者看来就是从闪烁蓝色到褐色之间不断地切换,仿佛是一个光点闪烁一下,消失了,然后在另一个地方重新出现。这会让捕食者很难连续锁定并追踪它的具体位置。

因此,回到原题目:题中的表述是不合适的。电子显微镜使用电子而不是可见光,因此颜色无从谈起,电镜照片本体都是灰色的,后期使用算法添加伪色。而在可见光下,无论是色素色还是结构色,都是物质对光的作用,无非原理不同,谈不上谁真谁假——毕竟,自然界只有光的组合,无论是天空的蔚蓝、玫瑰的火红还是橙子的金黄,都只是人脑中的概念罢了。(编辑:Ent)

图片 7科学家研究了一种有羽毛的恐龙,其尾巴上有非常引人注目的条纹。这种条纹在现在的动物身上很常见,条纹发生在身体的其他部位时,通常用于伪装。但在这只恐龙身上,也许和现代动物尾巴的颜色一样,尾巴颜色是一种性信号,用于交配展示。”
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专家表示,成蝶也会利用自身的颜色优势,不仅用它来躲避,而且还用来警告。比如成年的帝王蝶变成明亮的橘黄色和特殊的花纹,以此向捕食者亮出红牌:我不美味,我有毒。

色素色和结构色,都是“真”的颜色

如果是一个普通的不透明物体,光线照射上去会有一部分被吸收、另一部分被反射回来。具体哪些被吸收,主要取决于物质分子里的化学键——有些化学键里的电子所处的状态非常容易吸收特定波长的可见光,而剩下其他波长就会反射回来产生颜色的感觉。能起到这样效果的物质就是色素,这样的颜色被称为色素色或者化学色。

但是还有一些物体不那么普通,它表面有特殊结构,让光线反射出来的时候不是胡乱反射,而是发生干涉,从而改变光的成分。这样的结构通常是纤细的平行薄层,层之间的距离和光的波长相当,这样反射出的平行光之间就会有干涉。和色素色不同的是,干涉效果和观看的角度有关系,所以往往会显示出光泽或者虹彩的效果——但也有些鸟类的羽毛上有小气泡,起到散射效果,把虹彩抵消掉。这样的颜色,叫做结构色或者物理色。

图片 8蝴蝶鳞片的示意图。图片来源:asknature.org

两种颜色并不矛盾,可以同时存在;比如孔雀的尾巴,就是棕色素和蓝绿结构色的合成效果。同样,两种颜色也不能说谁比谁更“真”:它俩都能实现同样的效果——将特定波长的光线射回你的眼睛,无非实现方式不同罢了。

总的来说,哺乳动物在色素上很受局限,基本上只有黑色素这一类——当然这一类下有很多种,可以显示出黑色、灰色、黄色、褐色、红棕色等等色调,然而从绿色开始就基本没戏了。鸟类会好很多,除了黑色素,还有类胡萝卜素和卟啉,覆盖了亮红色、绿色和粉色,但是对蓝色依然力不从心。我们见到的鸟类身上的蓝色,几乎都是结构色的结果。

火烈鸟羽毛呈现粉红色,是来自它们最喜欢的食物——小虾,而小虾喜欢吃的藻类中含有类胡萝卜素。

热带蓝闪蝶发出的蓝光可以帮助它与同类交流。图片来源:CHRISTIAN RICHTER

颜色,是生物对于光的主观感受

颜色是一个生物学概念,只存在于生物的眼睛和大脑之中。物理世界是没有颜色这回事儿的;它有的,叫做“光谱功率分布”(spectral
power distribution, SPD)。

简单地说,光谱功率分布描述了光的“成分”。光是一种电磁波,正如声波一样,它可以是单一频率的波,也可以是多种不同频率的组合。把每一种频率和它们的“强度”都列出来,就得到了一个光谱功率分布。

而一个有眼睛的生物,就能把光的成分换算成“颜色”。但是,这个换算并不是一一对应的。完全不同的成分,可能看起来给人的感觉一样,比如红光和绿光叠在一起会让人觉得看到了黄光。毕竟眼睛不是光谱仪。

为什么会产生这样的错误判断?因为人的眼睛只有三种感受色觉的细胞。

下图是人眼睛中的三种色觉细胞。

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假如你看到波长为550nm的单色光,它对于L和M引发的刺激都同样强烈,而S没有反应,你的大脑将这种状态理解为“黄”。

但如果你看到波长为534nm和564nm的光同时射过来,同样会产生“LM一样强,S没有”的状态,也会觉得这是“黄”。

正因为我们的眼睛比较弱,所以显示器和打印机用寥寥三种成分就可以欺骗眼睛,模拟出自然界大部分东西的颜色感受,而不需要真的发出每种物体“本来”的光线成分。

不过,假如有一种生物比我们多出第四个感受器(比如濑尿虾),或者哪怕是它的感受器分布和我们不一样(比如鸟类),在它看来,这就可能是两种不同的颜色了。反过来,如果有的生物感受器比我们还少(比如狗),那就是我们能分辨的颜色,它们看来都一样。

甚至不同的人之间,对于颜色的判断都可能有所差异——毕竟颜色是一个主观感受,我们也许永远无法知道别人眼中的550nm光到底会产生什么样的感觉。但即便如此,国际照明委员会还是设立了一个标准规范,诸如RGB、CMY这样的颜色体系,就是建立在这个规范的基础上——用三个数字来表示一种颜色。

{“type”:1,”value”:”对于以前的蛇来说,颜色是用来来伪装的。它的身体上有一些非常显眼的斑点,这些斑点很可能就是为了伪装,能在强光下破坏了身体的轮廓。

科学家破解蝴蝶颜色的秘密

科研人员特地设计了一个有趣的实验,让同学们亲手操作扫描式电子显微镜,观察蝴蝶的翅膀。
通过这台可以看清纳米尺度物体三维结构的显微镜,同学们惊奇地发现:原本色彩斑斓的蝴蝶翅膀竟然失去了色彩,显现出奇妙的凹凸不平的结构。
原来,蝴蝶的翅膀本是无色的,只是因为具有特殊的微观结构,才会在光线的照射下呈现出缤纷的色彩……

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颜色对于最早的动物有什么作用?

化石中有时候只保留了黑色素,但是很多其他颜色有可能已经被降解,因此科学家认为这些碳酸类化石可能不适合用来研究化石的颜色。

{“type”:1,”value”:”十年前,科学家们首次发表了对化石颜色的研究,至今,科学家们仍然一直在研究史前动物的颜色。这个课题似乎还是一项不可逾越的任务,直到最近才慢慢揭开史前动物颜色的神奇面纱。

{“type”:1,”value”:”颜色就是可见光。可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分,可见光谱没有精确的范围;一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400~760nm之间,但还有一些人能够感知到波长大约在380~780nm之间的电磁波。

在得到政府允许的情况下,科学家们采集了很多昆虫化石,并对来自不同化石产地的600多种昆虫化石进行研究,发现金属昆虫的颜色多呈现出明亮的蓝色、红色、绿色和黄色。

在石化过程中颜色会改变吗?

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