今天，我們在自然界看到的各種顏色，大多都是由色素產生，因為色素會反射光譜中的一部分，同時吸收其餘的光譜，從而展現出特定的顏色。
特別是在植物界，作為化學合成的大師，植物的細胞中可以合成多種色素，例如植物中的葉綠素等綠色色素會反射光譜中的綠色部分，並且吸收其中波長較長的紅光以及波長較短的藍光，從而使植物穿上“綠裝”。
但動物基本上已經失去了製造大部分色素的代謝途徑，只留下了真黑素或褐黑素這種主要色素，可供“調色”的空間有限。
那麼這是不是代表動物都長得黑不溜秋的呢？當然不是，我們日常生活中見到的動物不但顏色豐富，而且對顏色的把控上也相當到位，有的會利用環境色給自己做偽裝，有的為了贏得配偶的歡心，還會非常刻意地突出自身的鮮豔顏色（詳情可見極樂鳥那一期），總而言之，動物世界也同樣豐富多彩。
請在上圖找到一隻貓頭鷹
然而這些五彩斑斕的顏色究竟是如何來的呢？科學家們對此依然知之甚少。
一般來說，雖然動物無法透過自身合成更多的色素，但俗話說得好：“吃啥補啥”，動物通常可以在它們的飲食中獲取所需的色素，例如鳥類的紅色和黃色羽毛主要來自於食物中的類胡蘿蔔素。
一隻鮮紅的巴西唐納雀
不過，光譜中的藍色波長在自然界彷彿是一個“bug”，由於藍色植物非常少，自然可供食用的天然藍色色素自然就更少了。
但神奇的是，藍色的動物真不少，像極樂鳥、毒鏢蛙、霓虹燈魚等不少動物或多或少都帶點“藍”。而透過這些“試驗品”，科學家們發現了動物為自身“著色”的另一種方式，也就是所謂的結構色。
藍色蝴蝶翅膀上的凹槽結構，向內衍射和反射光波
結構色的機制類似於一個過濾器，能將光譜中不同波長的光分離、抵消，只允許部分波長透過。得益於某些物種身體表面進化出的特殊奈米級結構，使得光的波長能在奈米尺度上與之契合。
簡單來說，當光線接觸到這種結構後，將會發生不同程度的衍射，併產生干涉效應。
2015年，發表在nature的一篇文章報告了一種藍色帽貝的軟體動物如何給自己的小房子“刷”上了藍條紋。
一隻藍色帽貝
透過電子顯微鏡觀察發現，在擁有藍條紋的區域中，組成背殼的殼層下方10～20微米處排列著一層層碳酸鈣晶體，其中每一層都會產生衍射和反射現象。
由於每層的厚度都為恰到好處的100nm，並且越接近藍條紋邊緣厚度越薄，因此與周圍區域相比，條紋區域在450～570nm的波長範圍內具有強烈的反射性且非常顯眼，正好對應了藍光和綠光的波長範圍。
獨特藍條紋下的碳酸鈣晶體整齊排列著
與之類似的還有來自東南亞的藍翅葉鵯，它們的羽毛中含有彩色的泡沫狀結構，其中充滿了微小而均勻的空氣。研究表明，隨著處於生長狀態下的鳥類羽毛細胞完成一個生命週期後，細胞質中的水分蒸發，緊接著空氣乘虛而入，留下一個由氣泡組成的微型球坑。
東南亞藍翅葉鵯
在如此小的空間內，每個氣泡中的光線會與從相鄰氣泡所反射的光線相互作用，併產生藍色、藍綠色。
另外，在其他絕大多數擁有藍色羽毛的鳥類中，這些氣泡都處於一種無序狀態，目前只有藍翅葉鵯的亮藍色肩部羽毛中存在著有序的氣泡晶體結構。
當研究人員在美國阿貢實驗室將藍翅葉鵯的羽毛放在x射線下觀察時，發現這些氣泡井然有序排列的原因來源於一種螺旋曲面晶體。
這種螺旋結構是由藍翅葉鵯羽毛倒鉤內自組織生長而形成的
這種晶體有一個特點，它能將空間分割成兩個完全一樣的部分，類似於中國古老的陰陽兩極。隨著羽毛的發育，其中一側被幾丁質等生物高分子所佔據，當細胞死亡後，便留下了一個單側的螺旋曲面。
x射線下藍翅葉鵯的羽毛結構
而這種曲面結構表現出的光學特性與藍色帽貝的殼層非常類似，甚至一度讓我以為它倆之間有什麼不可告人的“py”交易。但事實上，這種單螺旋曲面的成型過程是自然界中獨一無二的。
隨著越來越多的生物微觀結構被科學家所揭示，在未來的應用材料領域，我們或許可以見過更多的仿生物學裝備大放異彩，例如為了更有效地傳輸藍光，可以在光纖電纜上使用模仿藍羽結構的材料，這樣就能最大限度地防止藍色光子逸出。
主要參考來源：
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
- 作者資訊 -
魚魚 中國科普作家協會優秀科普作品銀獎獲得者，清蒸魚頭、麻辣魚頭等各種魚頭愛好者。
排版 | 弢弢
稽核 | 六朵 蒼翼蝴蝶 淡定珠子
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