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动物，光学大师

卓然 //m.auribault.com 2014-01-02 来源：光明日报

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　　红绿黄三色交通指示灯、城市街道上斑斓的霓虹灯、宴会上珠光宝气的夺目光彩……这一切都显示出人类控制光的高超技术。其实，在自然界中，动物对光线的理解与应用早就走在了人类的前面。

　　动物是自然界的光学大师，它们早就懂得如何控制色彩和光，对于光线的分层、棱块以及扭曲的了解比人类更多。

　　比如，孔雀开屏时炫目的尾羽，是通过其羽毛上的一些细微的沟槽结构把太阳的光波逐一分解，并分类成各种色带。南美洲大闪蝶发出的绚烂的蓝光是源于一种相应的光学设计。这种昆虫翅膀上的鳞片间隔有致，使得红色光波消失；通过这样的过滤，我们眼睛所能见到的光波呈现出铁蓝色。甚至连维纳斯花篮——一种海绵、也是最为原始的动物之一，拥有一套复杂的控制光的本领。它的骨架就是一个光导网络，将其身体核心部位的光散射到其身体的表面。

　　动物对光线理解与应用完全是漫长的进化结果，是严酷的优胜劣汰自然规律在起作用。雄孔雀靠精美的羽毛来突出自己并赢得配偶，如果它不能够引起雌孔雀的注意，就不能繁殖后代、延续基因。有着强烈的领地意识的南美洲大闪蝶也许是通过闪耀其色彩来警告同类离远点儿，并以此来守卫自己的食物和配偶。生物学家们对于维纳斯花篮所拥有的独特的活体光纤系统的作用，仍然迷惑不解。一种理论认为这种海绵的透明结构是吸收发光的共生微生物所发出的光亮，并且将收集到的光亮集中到一套微型的聚光灯网，以此来吸引其猎物。

　　有的时候，自然界的一些光学小花招是作为其他进化革新活动的副产品而偶然产生的。水中的软体动物由于有了保护壳而受益匪浅——它们的保护壳必须坚硬结实，并且只需要利用海水中可获得的营养物质即可形成。这些软体生物通过交替使用碳酸钙层和胶样蛋白质层来建构它们的壳。意外的是，这些轮换层起到了微型棱镜的作用，使得它们反射的光有了彩虹一样的色彩，结果就产生了色彩柔和的、乳白珍珠母的光辉。

　　面对这些生物操纵光的本领，即使造诣颇深的光学家也会肃然起敬的。从动物身上，人类受益匪浅。利用孔雀羽毛上的沟槽结构分离光的原理，科学家发现了衍射光栅——一种由19世纪的物理学家约瑟夫·冯·弗隆霍亚发明的，用来分辨太阳光属性的工具；受维纳斯花篮的骨架传导光的启迪，科学家制造出现代光纤。

　　目前，科学家把研究的焦点集中在模仿南美洲大闪蝶的翅膀上。南美洲大闪蝶的翅膀呈绚丽的蓝色，以至于一公里以外的人都能看到它。在某种机制的作用下，这种明快的蓝色不但不会随着时间的推移而褪色，相反会越来越鲜明——这是再高明的科学家也造不出的颜色。但是，近距离观察显示，南美洲大闪蝶翅膀内在的色彩其实呈黯淡的灰褐色。这种双重性表明，大闪蝶并非像玫瑰的颜色那样是因其所含有的化学色素而形成的。玫瑰的花瓣完全吸收了蓝色和绿色的光，只留下红色成分反馈给眼睛。而南美洲大闪蝶的翅膀有着可以发挥衍射光栅作用的结构，其表面排列着整齐的沟槽，沟槽间隔的大小和可见光的波长一致。

　　研究南美洲大闪蝶通过有选择地添加或减少某些光的波长来生成色彩的原理，物理学家最近设计出了一种材料——光子能带隙晶体，并且正在尝试把它们用于电话交换机、太阳能电池和天线，希望能取得超乎预想的神奇效果。

编辑：尹盼秋