Новый физический фейерверк

У некоторых бабочек и других насекомых переливчатые крылья: их цвет меняется в зависимости от того, под каким углом и с какого расстояния на них смотреть. Один из впечатляющих примеров — крылья бабочки морфо. Хотя в ее крыльях присутствует коричневый пигмент (их нижняя сторона коричневая), сверху они переливаются разными оттенками голубого цвета.

Сельдь использует сходный (хотя и несколько более сложный) оптический эффект, придающий ее чешуе серебристо-белый цвет. Благодаря такой окраске хищнику труднее различить сельдь в воде.

Надкрылья некоторых тропических жуков-вертячек хорошо отражают белый солнечный свет, если смотреть на них под определенным углом. Однако при других углах зрения они привлекают внимание своей переливчатой окраской. Некоторые другие жуки также демонстрируют при разных углах зрения либо сильное отражение либо радужную окраску. Наверное, самые интересные структурные цвета можно наблюдать у пластинчатоусых жуков, надкрылья которых действуют как жидкий кристалл, отражающий яркий свет различных цветов. А жуки-скакуны, наоборот, используют оптические эффекты для маскировки. Их поверхность отражает только свет, по цвету напоминающий почву в местах их обитания.

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.