Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

У некоторых млекопитающих кожа ярко окрашена. Например, у самцов обезьян мандрилов морда, ягодицы и мошонка голубые. Их окраска хотя и очень яркая, но не переливчатая. Другие оптические эффекты ответственны за синие и белые пятна у гусениц коконопрядов и голубой сойки. В зависимости от влажности передние крылья жука-геркулеса либо желтые, либо черные. Если влажность неожиданно меняется, жуку требуется всего несколько минут, чтобы изменить их цвет.

С чем связана окраска животного во всех этих случаях?

ОТВЕТ • Многие бабочки своей переливчатой окраской обязаны прозрачным пленчатым образованиям типа чешуек, на которых происходит интерференция света. На верхней поверхности крыльев бабочки морфо эти чешуйки налегают друг на друга, образуя ступенчатую структуру. Толщина чешуек и расстояние между ними по вертикали таковы, что, когда через них проходит белый свет, возникает конструктивная интерференция волн синего цвета, отраженных от двух расположенных последовательно одна за другой (скажем, верхней и следующей за ней нижней) чешуек. Интерференция отраженных волн других цветов, входящих в спектр белого света, либо неполная, либо полностью деструктивная, и поэтому мы видим только синий свет, отраженный от крыльев бабочки. Когда угол зрения меняется, слегка меняется путь, который проходит свет до того, как достигает наших глаз. Из-за этого меняется длина волны, или, иначе говоря, оттенок испытывающих конструктивную интерференцию волн. Поскольку оттенок крыльев меняется в зависимости от угла зрения, крылья кажутся переливчатыми.

Окраска сельди тоже объясняется интерференцией света на чешуе, но у этих рыб чешуи образуют три перекрывающиеся структуры, каждая из которых обеспечивает конструктивную интерференцию отраженного света разных частей видимого спектра. Если наблюдатель видит яркий свет, отраженный одновременно от всех трех структур, ему кажется, что цвет белый. Но этот белый цвет не совсем обычный: окраска рыбы слегка меняется, если изменить угол зрения и расстояние до нее. Сельдь трудно разглядеть в воде, поскольку цвет отраженного ею света мало чем отличается от цвета окружающей ее воды.

Надкрылья тропических водных жуков-вертячек покрыты узкими чешуйками, расположенными наподобие дифракционной решетки — оптического устройства, которое обычно состоит из большого числа параллельных узких желобков, создающих интерференционную картину. Если смотреть на яркую центральную часть «дифракционной решетки» на надкрыльях жука, их поверхность кажется ярко-белой. Если же смотреть на яркие участки сбоку, то благодаря дифракции лучи разных цветов достаточно расходятся, и можно разглядеть отдельные цвета. Когда эти жуки кружатся в воде, быстрое изменение цвета и интенсивности окраски их надкрылий приводит в замешательство охотящихся на них хищников.

У пластинчатоусых жуков множественные отражения создаются не чешуйками, а своеобразным расположением микрофибрилл хитина. Параллельно уложенные микрофибриллы располагаются слоями так, что в каждом следующем слое их ориентация несколько смещена относительно предыдущего. Когда солнечный свет проникает сквозь эти слои, отражения от разнесенных на определенное расстояние слоев подвергаются конструктивной интерференции, так что надкрылья жуков словно испускают разноцветное сияние.

Чтобы оставаться незаметными на земле, жуки-скакуны должны быть коричневыми или черными, но на самом деле они разноцветные. Например, на надкрыльях скакунов Cicindela oregona имеются круглые сине-зеленые пятна, окруженные красным. Эти цвета — результат интерференции света на чешуйках кутикулы, покрывающих надкрылья. Если наблюдать за жуком в его естественной среде обитания, зрительная система смешивает цвета, и создается впечатление, что жук окрашен в коричневый цвет. Сходным образом наша зрительная система воспринимает комбинацию различных цветов от очень маленьких, отдельно неразличимых участков, когда мы смотрим на цветной экран или картину художника-пуантилиста.

Голубой цвет кожи мандрила и некоторых других млекопитающих — результат почти периодического (квазипериодического) расположения коллагеновых волокон в дермальном слое кожи. На каждом микроскопическом участке эти волокна параллельны друг другу, а расстояние между ними и их толщина таковы, что рассеянный обратно кожей свет является голубым. В некоторых местах у обезьян, например на морде, коллагеновых волокон так много, что в отраженном от кожи свете доминирует синий цвет. В других местах, например на ягодицах, коллагеновых волокон меньше, но под слоем коллагена имеется слой, содержащий поглощающий свет темный пигмент меланин. На темном фоне голубой свет, рассеянный обратно кожей, особенно заметен. Кожа обезьян хоть и яркая, но не переливчатая: для этого требуется, чтобы структурированные рассеивающие свет участки были разнесены шире.

Синие пятна гусениц коконопрядов — результат рассеяния света на покрывающих их тело волосках из плотной эпителиальной ткани. Под этими волосками — темная поверхность. Волоски настолько малы, что в направлении наблюдателя они рассеивают главным образом синий свет. Остальной свет доходит до темной поверхности, где и поглощается. Поэтому в этих местах мы видим синие пятна. В тех местах, где видны белые пятна, поверхность под волосками либо отражает, либо рассеивает свет в направлении наблюдателя, и поэтому здесь пятна не кажутся темными. Синий свет, рассеянный волосками, теряется на фоне более яркого белого света, исходящего от поверхности под ними.

У голубой сойки перья сине-голубые благодаря преимущественному рассеянию света синей области видимого спектра маленькими клетками с ячеистой структурой в бородках перьев. Цвет оперения других птиц зависит одновременно и от рассеяния света, и от пигментации, или, возможно, еще от каких-то других вариантов интерференции световых волн.

Твердые кожистые надкрылья жука-геркулеса состоят из тонкой прозрачной пленки, покрывающей желтый губчатый слой. Ниже губчатого слоя лежит черная ткань. Когда губчатый слой заполнен воздухом, в рассеянном им свете остается практически только желтый свет, и, следовательно, надкрылья кажутся желтыми. В условиях повышенной влажности губчатый слой заполняется водой, и он становится более прозрачным: через этот слой проходит больше света, который поглощается нижним черным слоем. Тогда надкрылья выглядят черными.

В чем причина блеска и игры света на жемчужинах и на внутренних поверхностях раковин, в которых они растут?

ОТВЕТ • Переливчатая окраска (изменение цвета при изменении угла зрения) — результат интерференции световых волн, а не просто поглощения света пигментами. Жемчужина состоит из перламутра, структура которого напоминает скрепленные цементом кирпичики из карбоната кальция (в форме кальцита или арагонита) в матрице из больших органических молекул. Плоские пластинки арагонита (кирпичики) разделены очень узкими щелями материала матрицы (слой цемента). Блеск и переливчатая окраска жемчужин появляются скорее благодаря рассеянию света на таких щелях, а не внутри кирпичиков. Эти щели представляют собой некое подобие дифракционной решетки. Более широкие щели приводят к яркой интерференционной картине (конструктивная интерференция) длинных световых волн (из красной области видимого спектра). Чтобы на поверхности жемчужины был ярко и отчетливо виден какой-нибудь чистый цвет, щели должны быть примерно одинаковой ширины, и расстояния между ними должны быть примерно одинаковыми. Тогда рассеянные на щелях волны усиливают друг друга. Если расстояния между щелями и их ширины варьируют, жемчужина становится блеклой и тусклой. Этим объясняется черный цвет некоторых жемчужин, но, возможно, в них имеется и пигмент, создающий темный фон.