Чешуйки крыла и структурный цвет: как на самом деле устроено крыло бабочки

Отряд, названный по крылу

Научный отряд Lepidoptera, включающий всех бабочек и мотыльков, получил своё название прямо от греческого «чешуйчатое крыло» — довольно точное описание, ведь весь видимый рисунок бабочки создаётся множеством крошечных, перекрывающих друг друга чешуек, покрывающих прозрачную мембрану крыла подобно черепице на крыше. Проведите пальцем по крылу бабочки — и тонкая пыльца, остающаяся на пальцах, это и есть сброшенные со своих мест чешуйки; крыло, полностью лишённое чешуек, по сути прозрачно, поскольку цвет и рисунок целиком заключены в чешуйках, а не в лежащей под ними мембране.

Что такое чешуйка на самом деле

Каждая чешуйка — это уплощённый, полый, видоизменённый волосок, построенный из хитина, того же прочного структурного материала, из которого образован весь наружный скелет насекомого. Одна специализированная клетка в развивающемся крыле куколки производит каждую чешуйку, прежде чем погибнуть, оставляя готовую чешуйку прикреплённой к мембране крыла тонким стебельком, расположенную рядами, идущими от основания крыла к его краю. Поскольку производящая клетка к моменту вылупления взрослой особи уже мертва, рисунок крыла бабочки по сути фиксирован на всю оставшуюся жизнь — повреждённые или утраченные чешуйки не могут отрасти заново, поэтому крылья пожилой, потрёпанной бабочки обычно выглядят выцветшими и истончёнными по сравнению со свежевылупившейся особью.

Два способа создать цвет

Цвет крыла бабочки возникает за счёт двух принципиально разных механизмов, часто сочетающихся на одном и том же крыле.

Пигментный цвет возникает из химических соединений, встроенных в чешуйку, которые поглощают определённые длины волн света и отражают другие, — точно так же, как обычные красители и пигменты. Меланины дают чёрный, коричневый и серый цвета; птерины, класс соединений, родственных некоторым найденным в витаминах, дают белый и жёлтый; а каротиноиды, часто получаемые непосредственно из пищи, придают оранжевые и красные оттенки у некоторых видов. Такой цвет выглядит практически одинаково независимо от угла обзора — точно так же, как обычная печатная страница.

Структурный цвет, напротив, вообще не зависит от какого-либо пигмента. Он возникает из физической микроархитектуры чешуйки — стопок рёбер, тонкоплёночных слоёв или более сложных трёхмерных решёток, построенных в масштабе всего нескольких сотен нанометров, сопоставимом с длиной волны видимого света. Световые волны, отражающиеся от этих тесно расположенных структур, интерферируют друг с другом, усиливая одни длины волн и гася другие — по тому же физическому принципу, который создаёт цвет мыльного пузыря или тонкой плёнки масла на воде.

Синий цвет морфо: иридесценция в действии

Яркий, почти неестественно насыщенный синий цвет южноамериканских бабочек рода морфо — самый известный пример структурного цвета в мире насекомых. Каждая чешуйка несёт тонкую стопку микроскопических рёбер, точно расположенных так, чтобы отражённые световые волны интерферировали конструктивно для синих длин волн при наблюдении в достаточно узком диапазоне углов, — явление, называемое иридесценцией, при котором воспринимаемый цвет смещается или исчезает при изменении угла наблюдения относительно источника света. Именно поэтому крыло морфо может вспыхивать ярким электрически-синим цветом в полёте в один момент и выглядеть сравнительно тусклым или тёмным в следующий, и никакое количество синего пигмента никогда не смогло бы воспроизвести именно такой эффект — на самом деле, в чешуйке вообще нет синего пигмента.

Почему это важно не только для красоты

Структурный цвет и пигментный цвет часто сочетаются ради функционального эффекта. Некоторые виды укладывают слой тёмного пигмента под структурно окрашенным слоем именно для того, чтобы поглощать любой свет, не отражённый структурным компонентом, усиливая воспринимаемую яркость структурного цвета над ним. Иридесцентный структурный цвет, будучи сильно зависимым от угла обзора, также, как считается, играет роль в распознавании партнёра и сигнализации у некоторых видов, поскольку вспышка цвета, видимая лишь под определёнными углами во время характерного демонстрационного полёта, может служить отличительным, трудным для подделки опознавательным сигналом между особями одного вида, — это один из нескольких способов, которыми та же микроскопическая архитектура чешуек, отвечающая за видимую красоту бабочки, выполняет и реальную биологическую работу.

Источник вдохновения для инженерии

Поскольку структурный цвет создаёт столь яркий, не выцветающий цвет вовсе без пигмента или красителя, микроструктура крыла бабочки стала настоящим предметом интереса для материаловедов и инженеров, изучающих её как модель для разработки беспигментных технологий окраски, средств защиты от подделок и даже некоторых оптических датчиков — редкий случай, когда чисто эстетическая на первый взгляд особенность природы оказывается имеющей прямое техническое значение.