動物的光學進化與神功

艾先立

在自然界隨便找一種生物，它們對光的巧妙利用，都讓我們自愧不如。

就像當初人類認為地球上只有自己是可以進行創(chuàng)作勞動的高級生物一樣，我們一直驕傲地認為，只有我們做到了讓光隨心所欲地為我所用，似乎對于光的控制是一項獨一無二的人類壯舉。

其實，動物對光線的理解與應用一點不比我們差，客觀地說，它們才是自然界的光學大師，它們早就懂得如何控制色彩和光。比如，孔雀開屏，炫耀尾羽，是通過其羽毛上的一些細微的溝槽結(jié)構(gòu)把太陽的光波逐一分解，并分類成各種色帶；南美洲大閃蝶發(fā)出的絢爛的藍光是源于一種相應的光學設計。這種昆蟲翅膀上的鱗片間隔有致，使得紅色光波消失。通過這樣的過濾，我們眼睛所能見到的光波呈現(xiàn)出鐵藍色。甚至連維納斯花籃——一種海綿，最為原始的動物之一，也擁有一套復雜的控制光的本領，它的骨架就是一個光導網(wǎng)絡，將其身體核心部位的光散射到其身體的表面。

這些應對手段說明，動物對光線的理解與應用完全是漫長的進化使然，是嚴酷的優(yōu)勝劣汰的自然規(guī)律在起作用。雄孔雀靠精美的羽毛來突出自己并贏得配偶，如果它不能夠引起雌孔雀的注意，它就不能繁殖后代，延續(xù)基因；有著強烈領地意識的南美洲大閃蝶也許是通過閃耀其色彩來警告它的同類離遠點兒，并以此來守衛(wèi)自己的食物和配偶。生物學家對于維納斯花籃所擁有的獨特的活體光纖系統(tǒng)的作用，仍然迷惑不解，有一種理論認為這種海綿的透明結(jié)構(gòu)是吸收發(fā)光的共生微生物所發(fā)出的光亮，并且將收集到的光亮集中到一套微型的聚光燈網(wǎng)上，以此來吸引其獵物。

這些生物操縱光的本領，讓造詣頗深的光學家肅然起敬。如利用孔雀羽毛上的溝槽結(jié)構(gòu)分離光的原理，科學家發(fā)現(xiàn)了衍射光柵—— 一種由19世紀的物理學家約瑟夫·馮·弗隆霍亞發(fā)明的，用來分辨太陽光屬性的工具；受維納斯花籃的骨架傳導光的啟迪，科學家制造出了現(xiàn)代光纖；研究南美大閃蝶，通過有選擇地添加或減少某些光的波長來生成色彩的原理，物理學家設計出了可與之相比的材料—— 光子能帶隙晶體，并且正在嘗試把它們應用于電話交換機、太陽能電池和天線，取得了超乎預想的神奇效果。

目前，權(quán)威的光學家把研究的焦點集中在模仿南美洲大閃蝶的翅膀上，這是個非常棘手的難題，科學家們尚未搞清光學結(jié)構(gòu)如此復雜的東西。南美洲大閃蝶的翅膀呈絢麗的藍色，但是，近距離觀察顯示，其內(nèi)在的色彩其實呈黯淡的灰褐色。這種雙重性表明，大閃蝶的顏色并非像玫瑰所含的那種化學色素那樣，因為玫瑰的花瓣完全吸收了藍色和綠色的光，只留下紅色成分反饋給人類的眼睛。南美大閃蝶的藍色則產(chǎn)生于一套完全不同的機制，它的翅膀有著可以發(fā)揮衍射光柵作用的結(jié)構(gòu)，其表面排列著整齊的溝槽，溝槽間隔的大小和可見光的波長一致。飛翔在陽光下的南美洲大閃蝶是那么明亮奪目，以至于1公里以外的人都能看到它。但科學家還不知道它為什么需要那么艷麗的藍色，在某種機制的作用下，這種明快的藍色不但不會隨著時間的推移而褪色，相反會越來越鮮明，這是再高明的科學家也制造不出的顏色。

編輯/張燁endprint