荷蘭研究發現納米結構造就蝴蝶之美

蝴蝶因為其翅膀上變化多端、絢爛美好的花紋而使人著迷。這也讓生物學家們感到疑惑：蝴蝶令人眼花繚亂的顏色是如何形成的，又有什么不同意義呢？最近，荷蘭格羅寧根大學物理學博士希拉爾多(Marco Giraldo)發現了解決這個問題的通道。在研究了菜粉蝶和其他蝴蝶翅膀的表面后，希拉爾多揭示了這個秘密：翅膀上的納米結構正是蝴蝶的“色彩工廠”。“每日科學”等科學網站近日報道了相關消息。
 
兩層鱗粉結構
 
19世紀英國博物學家亨利·貝茲花了11年時間在亞馬孫河收集到了14000多種動物標本，其中也包括多種蝴蝶。他曾經這樣說：了解這些動物能幫助我們揭示生命的力量。而蝴蝶，這種被認為淺薄輕佻的昆蟲則將成為生物學中最有價值的精靈。
 
如今，人類發現的蝴蝶品種已經超過了17000個。它們中的絕大部分都有與眾不同的翅膀，有的似精美的刺繡，有的如閃爍的彩屏。研究表明，蝴蝶翅膀上炫目的色彩來自一種微小的鱗片狀物質，它們就像圣誕樹上小小的彩燈，在光線的照耀下能折射出斑斕的色彩。
 
和電腦顯示屏的成像原理一樣，蝴蝶也是用單色斑點組成一幅完整的圖案，每一個有色的鱗片來自一個細胞。它在整幅圖案中扮演一個像素。細胞上的顏色來自細胞內的類黃酮、黑色素等化學物質。這些細胞也有壽命，它死亡以后，那些曾經絢麗的顏色也隨之消逝。
 
研究發現，蝴蝶翅膀上構成圖案的細胞在其幼蟲時期就已經存在。20世紀70年代，英國科學家菲德里克·萊奧特通過對一個幼蟲進行的微型手術證明了這一點。萊奧特研究的非洲彩蝶有一對漂亮的翅膀，其花紋看上去活像一對公牛的眼睛。萊奧特說，那樣的花紋在蝴蝶還是蛹的時候就已經露出了端倪。

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希拉爾多則強調，蝴蝶翅膀上的顏色其實就是一個身份標志。不同顏色的翅膀，讓形色萬千的蝴蝶能在很遠的地方就識別出同伴，甚至辨別出對方是雄是雌。那么，蝴蝶是如何擁有這些漂亮的色彩呢？希拉爾多將研究對象瞄準了菜粉蝶。
 
這種屬于鱗翅目粉蝶科的菜粉蝶體型中等，體長15-19mm，翅展35-55mm。受到不同生活環境的影響，不同菜粉蝶身上的色澤有深淺的變化，斑紋也會有大有小。通常來說，在高溫下生長的個體，翅面上的黑斑色深顯著而翅里的黃鱗色澤鮮艷；反之在低溫條件下發育成長的個體則黑鱗少而斑形小，或完全消失。
 
當然，這位物理學家以菜粉蝶作為研究對象的原因是，它們擁有的色素顏色單一。通過電子顯微鏡的觀察，他發現這些菜粉蝶翅膀的結構非常奇特。希拉爾多發現，盡管不同種類的蝴蝶，鱗粉結構不同，但彼此之間還是有共同特征。一般來說，蝴蝶翅膀由兩層僅有3至4微米厚的鱗片組成，上面一層鱗片像微小的屋瓦一樣交替，每個鱗片的構造也很復雜。而下一層則比較光滑。蝴蝶翅膀這種井然有序的安排形成了所謂的光子晶體，也就是納米結構。通過這種結構，蝴蝶翅膀能捕捉光線，僅讓某種波長的光線透過。這便決定了不同的顏色。
 
還能區別雌雄
 
此前的研究資料可以為這項結論提供佐證：在2005年，科學研究人員在非洲發現一種蝴蝶，其翅膀鱗粉中所含的物質，就與利用最新納米技術開發出的發光二極管材料具有相同的晶體結構。不過，更重要的是，希拉爾多還發現，這種納米結構不僅讓蝴蝶擁有了不同的顏色，同時也能區別出性別。在菜粉蝶群落中，由于“種族”的不同，有時也會出現一些奇怪的現象。比如日本菜粉蝶，雌雄易辨，而歐洲的菜粉蝶，雄粉蝶經常找錯對象。這也是蝴蝶翅膀上的納米結構在“作祟”。
 
鱗粉能將逃逸的光線高效折射回表面。這種獨特結構，能使光折射率各異的物質在納米層次有規則地排列，從而高效地讓特定顏色的光透過或者將其“攔截”。日本菜粉蝶雄雌個體之間，色素構成有著細微的區別。雌性日本菜粉蝶缺少一種特殊的色素顆粒，而這種色素顆粒是利于吸收紫外線的。由于這一缺失，菜粉蝶翅膀的納米結構反映出的色彩就會有差異，因循著這一線索，雄性個體很快就能找到它們的伴侶。