博物志 | 动物为自己“上色”的方法可不只有吃吃吃！
原创 鱼鱼
今天，我们在自然界看到的各种颜色，大多都是由色素产生，因为色素会反射光谱中的一部分，同时吸收其余的光谱，从而展现出特定的颜色。
特别是在植物界，作为化学合成的大师，植物的细胞中可以合成多种色素，例如植物中的叶绿素等绿色色素会反射光谱中的绿色部分，并且吸收其中波长较长的红光以及波长较短的蓝光，从而使植物穿上“绿装”。
但动物基本上已经失去了制造大部分色素的代谢途径，只留下了真黑素或褐黑素这种主要色素，可供“调色”的空间有限。
那么这是不是代表动物都长得黑不溜秋的呢？当然不是，我们日常生活中见到的动物不但颜色丰富，而且对颜色的把控上也相当到位，有的会利用环境色给自己做伪装，有的为了赢得配偶的欢心，还会非常刻意地突出自身的鲜艳颜色（详情可见极乐鸟那一期），总而言之，动物世界也同样丰富多彩。
请在上图找到一只猫头鹰
然而这些五彩斑斓的颜色究竟是如何来的呢？科学家们对此依然知之甚少。
一般来说，虽然动物无法通过自身合成更多的色素，但俗话说得好：“吃啥补啥”，动物通常可以在它们的饮食中获取所需的色素，例如鸟类的红色和黄色羽毛主要来自于食物中的类胡萝卜素。
一只鲜红的巴西唐纳雀
不过，光谱中的蓝色波长在自然界仿佛是一个“bug”，由于蓝色植物非常少，自然可供食用的天然蓝色色素自然就更少了。
但神奇的是，蓝色的动物真不少，像极乐鸟、毒镖蛙、霓虹灯鱼等不少动物或多或少都带点“蓝”。而通过这些“试验品”，科学家们发现了动物为自身“着色”的另一种方式，也就是所谓的结构色。
蓝色蝴蝶翅膀上的凹槽结构，向内衍射和反射光波
结构色的机制类似于一个过滤器，能将光谱中不同波长的光分离、抵消，只允许部分波长通过。得益于某些物种身体表面进化出的特殊纳米级结构，使得光的波长能在纳米尺度上与之契合。
简单来说，当光线接触到这种结构后，将会发生不同程度的衍射，并产生干涉效应。
2015年，发表在nature的一篇文章报告了一种蓝色帽贝的软体动物如何给自己的小房子“刷”上了蓝条纹。
一只蓝色帽贝
通过电子显微镜观察发现，在拥有蓝条纹的区域中，组成背壳的壳层下方10～20微米处排列着一层层碳酸钙晶体，其中每一层都会产生衍射和反射现象。
由于每层的厚度都为恰到好处的100nm，并且越接近蓝条纹边缘厚度越薄，因此与周围区域相比，条纹区域在450～570nm的波长范围内具有强烈的反射性且非常显眼，正好对应了蓝光和绿光的波长范围。
独特蓝条纹下的碳酸钙晶体整齐排列着
与之类似的还有来自东南亚的蓝翅叶鹎，它们的羽毛中含有彩色的泡沫状结构，其中充满了微小而均匀的空气。研究表明，随着处于生长状态下的鸟类羽毛细胞完成一个生命周期后，细胞质中的水分蒸发，紧接着空气乘虚而入，留下一个由气泡组成的微型球坑。
东南亚蓝翅叶鹎
在如此小的空间内，每个气泡中的光线会与从相邻气泡所反射的光线相互作用，并产生蓝色、蓝绿色。
另外，在其他绝大多数拥有蓝色羽毛的鸟类中，这些气泡都处于一种无序状态，目前只有蓝翅叶鹎的亮蓝色肩部羽毛中存在着有序的气泡晶体结构。
当研究人员在美国阿贡实验室将蓝翅叶鹎的羽毛放在x射线下观察时，发现这些气泡井然有序排列的原因来源于一种螺旋曲面晶体。
这种螺旋结构是由蓝翅叶鹎羽毛倒钩内自组织生长而形成的
这种晶体有一个特点，它能将空间分割成两个完全一样的部分，类似于中国古老的阴阳两极。随着羽毛的发育，其中一侧被几丁质等生物高分子所占据，当细胞死亡后，便留下了一个单侧的螺旋曲面。
x射线下蓝翅叶鹎的羽毛结构
而这种曲面结构表现出的光学特性与蓝色帽贝的壳层非常类似，甚至一度让我以为它俩之间有什么不可告人的“py”交易。但事实上，这种单螺旋曲面的成型过程是自然界中独一无二的。
随着越来越多的生物微观结构被科学家所揭示，在未来的应用材料领域，我们或许可以见过更多的仿生物学装备大放异彩，例如为了更有效地传输蓝光，可以在光纤电缆上使用模仿蓝羽结构的材料，这样就能最大限度地防止蓝色光子逸出。
主要参考来源：
1.https://www.quantamagazine.org/how-blue-animals-color-themselves-with-nanostructures-20210616/
2. https://www.nature.com/articles/ncomms7322
3.https://www.pnas.org/content/118/23/e2101357118
