Наша природа бурлит множеством живописных цветов. Цветов так много, что натуралистам приходилось использовать специальные каталоги цветов, чтобы точнее описывать найденных животных. Например, Чарльз Дарвин, в одном из своих дневников описывает змею как «примулово-желтую», а каракатицу - с «гиацинтово-красными» и «каштаново-коричневыми» пятнами. Как же удается природе создавать такое многообразие, и какие механизмы лежат в основе цветов?
Что такое цвет и как мы его видим
Для того чтобы разобраться с этим вопросом, вспомним, что такое цвет с научной точки зрения, и как мы, люди, воспринимаем цвета. Любой цвет, что мы видим - это световая волна, которую воспринимает наш глаз. Для каждого цвета характерна своя частота волны: волны фиолетового имеют высокую частоту, а волны красного - низкую. Солнечные лучи - белый цвет - включает в себя волны всех основных цветов.
Когда солнечный свет попадает на любую поверхность, часть волн поглощается, а часть отражается. То, какой цвет будет иметь определенный материал, как раз и определяется его способностью к избирательному поглощению или отражения световых волн. Например, листья деревьев поглощает волны всех частот кроме зеленого. Отраженная зеленая волна попадает в наш глаз через зрачок, проходит через прозрачные структуры глаза и фиксируется на сетчатке. В сетчатке расположены специальные клетки - колбочки. Существует несколько видов колбочек в зависимости от их чувствительности к волнам определенных частот. Возбужденные колбочки превращают световой сигнал в электрический и передают его по нервным волокнам в мозг, который анализирует полученный сигнал и комбинирует общую цветовую картину. Так мы видим, что листья зеленые. Но как же создается в природе эта способность поверхностей к выборочному отражение волн? Иными словами, как природа разрисовывает мир вокруг?
У растений все просто - пигменты
Представьте, что вы хотите что-то раскрасить. Что вы сделаете? Конечно же, используете краски. Природа тоже использует краски, а точнее - пигменты. Биологические пигменты - это молекулы, продуцируемые живыми организмами и способны избирательно поглощать и отражать волны различных частот. В растительном мире существует четыре основных класса пигментов.
Прежде всего, это известный нам еще со школы хлорофилл. Он поглощает волны синего и красного цветов, а взамен отражает волны зеленого спектра. Это окрашивает растения в зеленый цвет. Между прочим, энергию волн, которые поглощает хлорофилл, растения используют для фотосинтеза - процесса, благодаря которому производится кислород.
Другая группа пигментов - каротиноиды, отвечающие за желтые, оранжевые и красные цвета. Они продуцируются некоторыми растениями, например, морковью, а также бактериями. Кстати, именно каротиноиды играют роль предшественников витамина А, который важен для хорошего зрения. За красно-фиолетовые цвета в растениях отвечают пигменты из семьи флавоноидов или беталаинов. Разноцветные цветы, баклажаны, ягоды и грибы - это все их работа.
Мы есть то, что мы едим
В отличие от растений, животные не способны производить столько различных пигментов. Основным пигментом животного мира является меланин. Благодаря тому, что существует много типов меланина, животные создают цвета от песочно-желтого, как кожа льва, до черного, или даже красного цветов. Но если животные почти не производят пигменты, то как же существуют ярко-зеленые тропические лягушки, голубые бабочки, попугаи и многие другие яркие животных? Для этого природа разработала другие механизмы формирования цвета.
Так, некоторые животные получают свою окраску через пищу. Вспомните, например, грациозных розовых фламинго. Сами фламинго не производят розового пигмента. Зато этот пигмент могут производить некоторые микроскопические водоросли. Этими водорослями питается планктоном, в том числе и на рачки артемии, которые, в свою очередь, входят в рацион фламинго. Таким образом, фламинго получает розовый пигмент водорослей, и окрашивает их перья в розовый цвет.
Этот способ хорошо известен работникам зоопарков, которые, порой, специально добавляют в рацион фламинго больше рачков артемий, чтобы сделать их более яркими и привлекательными для посетителей. Этим же пользуются и фермы по выращиванию лосося. Корректируя рацион лосося, их мясу оказывают выраженного красного цвета, чтобы улучшить его продаже.
Структурные цвета
Но вернемся к голубым бабочек. А также к голубым ящерицам, попугаям, или даже обычной сойки с голубыми крыльями. На сегодня в мире известна только одна позвоночное животное, которое способно производить голубой пигмент. Это рыбка мандаринка, живущая в водах Тихого океана и является очень популярной среди любителей аквариумов. Все остальные голубые животные используют другой оригинальный способ формирования цвета - структурный.
В этом случае формирование цвета зависит не от химических свойств молекул, как это было с пигментами, а от структуры поверхности, на которую падает свет. Классическим примером является перья павлина. Все видели яркий переливающийся хвост павлина. На самом деле, такое богатство цвета ничто иное, как иллюзия! Само по себе перья павлина коричневые, благодаря присутствующему в нем меланина. Но имеет очень интересную структуру. Каждая перо состоит из многих плоских веточек, а каждая веточка покрыта слоями прозрачных плоских чешуек. При прохождении через эти чешуйки белый солнечный свет рассеивается и «распадается» на разные цвета. А дальше уже знакомая нам история: волны некоторых цветов поглощаются, другие - отражаются.
Тот же принцип работает и для животных голубого цвета. На поверхности они имеют темный слой клеток окрашенных меланином, а поверх этих клеток - наноскопические прозрачные структуры (чешуйки, ребра, пластинки и т.д.). Так образуются миллионы неких маленьких зеркал. В зависимости от расстояния, на котором эти структуры расположены друг от друга, они будут отражать свет с разной длиной волны и под разными углами, окрашивая животных в чрезвычайно яркие, часто переливающиеся оттенки.
Амфибии имеют на поверхности кожи прозрачные структуры, отражающие голубой цвет. Но базовый слой клеток, находящихся под наноструктурами, содержит кроме меланина еще и желтый пигмент. Таким образом, желтый цвет смешивается с голубым, и мы видим ярко-зеленых лягушек и ящериц.
«Откуда у леопарда пятна?»
Особое внимание привлекают животные, которые не просто окрашенные в определенный цвет, а разрисованные узорами. Черно-белые зебры, пятнистые жирафы, тропические рыбки ... Как образуются такие сложные орнаменты? Редьярд Киплинг в своей сказке «Откуда у леопарда пятна?» рассказывает, что звери получили свои узоры из тени деревьев, которые неравномерно ложились на их кожу. Конечно же, это сказка. А на самом деле здесь природе в возможность становится химия с математикой.
Первым об этом догадался английский математик Алан Тьюринг в 1952 году. Он предположил, что за окраску животных отвечает не одно вещество, а два. Эти вещества взаимодействуют между собой и диффундируют с различными скоростями. Первое вещество придает окраску, ускоряет синтез второго вещества и медленно диффундирует в пространстве. Второе вещество - подавляет образование первого и быстро диффундирует. Во время развития животного, когда концентрация первого вещества немного повышается, это провоцирует образование в этом же месте второго вещества. Оно начинает подавлять первое, но потому, что эта второе вещество быстро диффундирует, оно «не успевает» полностью уничтожить первое вещество. Таким образом остаются очаги первого вещества, придающие окраску животному.
Химикам удалось найти вещества, которые имеют такое взаимодействие, а математики показали, что можно подобрать скорости диффузии и коэффициенты реакции между веществами так, что вся система будет оставаться стабильной.
Природный камуфляж
Некоторые животные не просто имеют интересное окраску, но и могут менять свой цвет в зависимости от окружающих условий. Например, жуки-черепашки рода Charidotella обычно отражающиеся золотом, но если их потревожить, или им становится холодно, они теряют свой блеск и становятся оранжевыми, а затем красными. Это происходит потому, что в обычном состоянии наноструктуры, содержащиеся в их надкрылье заполнены жидкостью (гемолимфы), что отражает свет в желтом спектре. При стрессе же, происходит отток жидкости, надкрылья становится прозрачным и становится видно красную окраску брюшка жука.
Однако, наиболее поражает способность к изменению цвета, присущая каракатицы и хамелеонам. Маскируясь, они способны в считанные минуты изменить свою окраску под окружающую среду. Цвет этих животных обеспечивается сочетанием пигментов и наноструктур. Внешний слой клеток (хроматофоры) содержит желтые и красные пигменты. Во хроматофорам расположены несколько слоев клеток-иридофорив. В середине этих клеток содержатся наноструктуры способны рассеивать и отражать свет. Эти наноструктуры объединены с цитоскелетом клетки, поэтому при изменении формы клетки, расстояние между наноструктурами меняется, а значит изменяется и частота волн, которую иридофоры способны отражать. В моллюска к тому же скопления клеток-хроматофоров окружены мышечным кольцом, которое при сокращении или растяжении способно изменять площадь поверхности клеток в сотни раз! Таким образом, пигменты становятся более или менее видимыми в определенном участке кожи.
Художественные способности природы действительно чрезвычайными. Она умеет создавать различные цвета и изящные узоры, а еще знает, как их изменить и «перерисовать». Все это вдохновляет ученых на создание новых материалов. Структурные цвета уже стали нашей повседневностью в виде, например, голограмм для определения качества товара или красок, способных к изменению цвета. Уже были осуществлены первые шаги в создании материалов, которые могут менять цвет при изменении формы. И много еще новых идей ученые ежедневно занимают в природе!
