荷兰研究发现纳米结构造就蝴蝶之美

蝴蝶因为其翅膀上变化多端、绚烂美好的花纹而使人着迷。这也让生物学家们感到疑惑：蝴蝶令人眼花缭乱的颜色是如何形成的，又有什么不同意义呢？最近，荷兰格罗宁根大学物理学博士希拉尔多(Marco Giraldo)发现了解决这个问题的通道。在研究了菜粉蝶和其他蝴蝶翅膀的表面后，希拉尔多揭示了这个秘密：翅膀上的纳米结构正是蝴蝶的“色彩工厂”。“每日科学”等科学网站近日报道了相关消息。
 
两层鳞粉结构
 
19世纪英国博物学家亨利·贝兹花了11年时间在亚马孙河收集到了14000多种动物标本，其中也包括多种蝴蝶。他曾经这样说：了解这些动物能帮助我们揭示生命的力量。而蝴蝶，这种被认为浅薄轻佻的昆虫则将成为生物学中最有价值的精灵。
 
如今，人类发现的蝴蝶品种已经超过了17000个。它们中的绝大部分都有与众不同的翅膀，有的似精美的刺绣，有的如闪烁的彩屏。研究表明，蝴蝶翅膀上炫目的色彩来自一种微小的鳞片状物质，它们就像圣诞树上小小的彩灯，在光线的照耀下能折射出斑斓的色彩。
 
和电脑显示屏的成像原理一样，蝴蝶也是用单色斑点组成一幅完整的图案，每一个有色的鳞片来自一个细胞。它在整幅图案中扮演一个像素。细胞上的颜色来自细胞内的类黄酮、黑色素等化学物质。这些细胞也有寿命，它死亡以后，那些曾经绚丽的颜色也随之消逝。
 
研究发现，蝴蝶翅膀上构成图案的细胞在其幼虫时期就已经存在。20世纪70年代，英国科学家菲德里克·莱奥特通过对一个幼虫进行的微型手术证明了这一点。莱奥特研究的非洲彩蝶有一对漂亮的翅膀，其花纹看上去活像一对公牛的眼睛。莱奥特说，那样的花纹在蝴蝶还是蛹的时候就已经露出了端倪。

图片来源：中国建站图片素材库

希拉尔多则强调，蝴蝶翅膀上的颜色其实就是一个身份标志。不同颜色的翅膀，让形色万千的蝴蝶能在很远的地方就识别出同伴，甚至辨别出对方是雄是雌。那么，蝴蝶是如何拥有这些漂亮的色彩呢？希拉尔多将研究对象瞄准了菜粉蝶。
 
这种属于鳞翅目粉蝶科的菜粉蝶体型中等，体长15-19mm，翅展35-55mm。受到不同生活环境的影响，不同菜粉蝶身上的色泽有深浅的变化，斑纹也会有大有小。通常来说，在高温下生长的个体，翅面上的黑斑色深显著而翅里的黄鳞色泽鲜艳；反之在低温条件下发育成长的个体则黑鳞少而斑形小，或完全消失。
 
当然，这位物理学家以菜粉蝶作为研究对象的原因是，它们拥有的色素颜色单一。通过电子显微镜的观察，他发现这些菜粉蝶翅膀的结构非常奇特。希拉尔多发现，尽管不同种类的蝴蝶，鳞粉结构不同，但彼此之间还是有共同特征。一般来说，蝴蝶翅膀由两层仅有3至4微米厚的鳞片组成，上面一层鳞片像微小的屋瓦一样交替，每个鳞片的构造也很复杂。而下一层则比较光滑。蝴蝶翅膀这种井然有序的安排形成了所谓的光子晶体，也就是纳米结构。通过这种结构，蝴蝶翅膀能捕捉光线，仅让某种波长的光线透过。这便决定了不同的颜色。
 
还能区别雌雄
 
此前的研究资料可以为这项结论提供佐证：在2005年，科学研究人员在非洲发现一种蝴蝶，其翅膀鳞粉中所含的物质，就与利用最新纳米技术开发出的发光二极管材料具有相同的晶体结构。不过，更重要的是，希拉尔多还发现，这种纳米结构不仅让蝴蝶拥有了不同的颜色，同时也能区别出性别。在菜粉蝶群落中，由于“种族”的不同，有时也会出现一些奇怪的现象。比如日本菜粉蝶，雌雄易辨，而欧洲的菜粉蝶，雄粉蝶经常找错对象。这也是蝴蝶翅膀上的纳米结构在“作祟”。
 
鳞粉能将逃逸的光线高效折射回表面。这种独特结构，能使光折射率各异的物质在纳米层次有规则地排列，从而高效地让特定颜色的光透过或者将其“拦截”。日本菜粉蝶雄雌个体之间，色素构成有着细微的区别。雌性日本菜粉蝶缺少一种特殊的色素颗粒，而这种色素颗粒是利于吸收紫外线的。由于这一缺失，菜粉蝶翅膀的纳米结构反映出的色彩就会有差异，因循着这一线索，雄性个体很快就能找到它们的伴侣。