fbpx
ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І миттєво отримуй 9 електронних журналів Куншт у подарунок.

Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

Читати

Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

Повідомлення успішно надіслано

Для пошуку
введіть назву запису
Біологія — 27.07.21
ТЕКСТ: Євгенія Яблоновська-Грищенко
Ілюстрації: Каталіна Маєвська, Євгенія Яблоновська-Грищенко
Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
Ctrl+Enter.
Різнобарв’я без фарб: структурне забарвлення у птахів і сучасні технології

Якого кольору забарвлення у крука або шпака? Здавалося б, відповідь проста – чорного. Але люди, які пробували намалювати їх, стикалися з тим, що правильне зображення цих птахів потребує, окрім чорного, використання не менше ніж п’ять–шість різних олівців або фарб. Адже на чорному фоні проявляється ціла гама найрізноманітніших кольорів, які дивовижним чином перетікають один в інший і грають, переливаються під час кожного руху птаха. Таку ж мінливу гру веселки можна спостерігати й на оперенні інших кольорів – скажімо, зеленому чи синьому у папуг або павичів. Або на темно-коричнево-оливковому пір’ї чайки (рисунок 1). Який механізм дозволяє досягти такої мінливості кольорів?

Малюнок Євгенії Яблоновської-Грищенко

Як утворюється забарвлення

 

Зазвичай формування забарвлення уявляється як використання певних барвників, які наносяться на основу або вводяться як один з елементів у структуру. Якщо ми хочемо щось намалювати, то беремо олівець і наносимо штрихи на папір. Щоб тканина набула певного кольору, її нитки просочуються розчином барвника. Для забарвлення желе у нього можна додати харчовий барвник. Тобто утворення забарвлення – це використання хімічних речовин, які мають властивість відбивати світлові хвилі певної довжини і поглинати інші. Що й дає відчуття кольору – можливість для зорового рецептора сприйняти потік світлових хвиль певної довжини, відбитих від предмета. Речовини, що виробляються живими істотами і здатні створювати забарвлення в описаний спосіб, отримали назву пігментів. (До речі, це слово використовуються і для найменування кольорових порошків мінерального або органічного походження, які використовуються для виготовлення фарб.) 

 

Проте є й інший шлях утворення кольорів – розділення потоку білого світла на окремі потоки з різними довжинами хвиль. 

 

Найвідоміший приклад – райдуга. Штучно веселку можна отримати, пропустивши біле світло через призму. Через те, що світло з різною довжиною хвилі має різні показники заломлення (зміни напрямку руху) на межі середовищ, у цьому випадку – повітря та скла, їхні потоки розділяються. Відповідно, утворюються смуги різних кольорів – спектр. Це явище має назву дисперсії світла. 

 

Ще один спосіб виділення кольорових струменів з потоку білого світла – використання дифракційної решітки. Дифракція – це здатність світлової хвилі оминати перешкоду. За перешкодою хвилі взаємодіють між собою, підсилюючи або послаблюючи одна одну. Що утворює чергування більш яскравих і більш темних ділянок певного кольору залежно від довжини хвилі. Це явище має назву інтерференції. Дифракційна решітка – це чергування однакових паралельних непрозорих перешкод для світла з однаковими паралельними прозорими проміжками, ширина яких та відстань між якими співставні з довжиною світлової хвилі.

 

Фотонні кристали – ще один «інструмент» утворення кольорового забарвлення. Це своєрідні середовища, які фактично працюють як тривимірна дифракційна решітка. Адже вони мають структуру, яка відповідає за періодичну зміну показника заломлення в різних напрямках у просторі. Вони використовують так звану бреґґівську дифракцію світла, тобто явище розсіювання хвиль з різною інтенсивністю залежно від кута падіння світла. 

 

У згаданих випадках в утворенні кольору пігменти не беруть участі. Фізичні процеси дифракції та інтерференції лежать в основі мерехтливого кольорового розмаїття пташиних пер. Таке забарвлення отримало назву структурного, оскільки воно пов’язане не з використанням пігментів, а з особливостями мікроструктури оперення птаха (або шкіри чи лусок інших тварин, якщо йдеться про них – адже таке утворення кольорів притаманне представникам не тільки тваринного, а й рослинного світу). Інша назва – іридизація (Ірис, Ірида – грецька богиня веселки).

Як утворюється структурне забарвлення у птахів

 

Звичайна пір’їна птаха – унікальна за складністю і довершеністю структура, яка ефективно виконує одразу цілий комплекс функцій: від термоізоляції та поверхні для польоту до приваблення осіб іншої статі завдяки кольорам. 

 

Перо має складну будову. Воно складається зі стрижня та опахал, які розташовуються по обидва його боки. Опахало – об’єднання великої кількості ниточок-борідок, кожна з яких має борідки другого порядку, що поєднуються між собою. Мікроструктура їхньої поверхні має виражену фактуру, яка придатна до складних взаємодій зі світлом. У низці випадків вона по своїй формі нагадує дифракційну решітку. Або ще більш складні структури – деформовані матриці, які здатні до специфічного відбиття потоків світла з дифракцією та інтерференцією.

 

Зараз особливості структурного забарвлення, зокрема й пташиного оперення, активно вивчаються1. Електронна мікроскопія дозволяє з’ясувати особливості мікробудови пір’їни, а також взаємодії структури та пігментів у її складі. Адже пігмент слугує фоном, на якому проявляються структурні кольори – як веселка найкраще помітна на фоні темних хмар. 

 

Загалом, структурне забарвлення птахів може утворюватися щонайменше трьома шляхами. Перший з них – інтерференція у поверхневому, дуже тонкому шарі покриття оперення. Інший – відбиття світла від гранул чорного пігменту меланіну. Ще один – взаємодія світла з аморфними мереживними структурами з кератину (білка, з якого складаються похідні епідермісу – пір’я птахів, волосся, тощо) в поверхневій частині борідок2

 

Ще в одному дослідженні3 показано, що синій колір у папуг, сойки та рибалочки утворюється відбиттям світла від складної структури гранул меланіну, що має вигляд, подібний до використовуваних у техніці дифракційних решіток. Різниця у відбитті світла від різних гранул пов’язана із глибиною їх залягання у структурі борідок пір’їнки.

 

Збільшення яскравості забарвлення, збагачення відтінками одного кольору відбувається у випадку, коли структура борідок дозволяє подвійне відбиття світла4

 

Отже, різнобарв’я пташиного оперення, окрім звичайної пігментації, забезпечується надзвичайно складними структурами, особливості яких стають зрозумілими лише тепер, при використанні для досліджень будови пера електронної мікроскопії.

Кому потрібне вивчення пташиного забарвлення?

 

Загалом, це питання не дуже коректне, адже будь-яке дослідження, яке дозволяє наблизитися до розуміння таємниць природи, є самоцінністю за визначенням. 

 

Але у наш прагматичний час дослідження фізики пташиного різнобарв’я мають не тільки наукову, а й практичну цінність. І навіть можуть допомогти в охороні природи. Адже використання структурного забарвлення – дуже хороший шлях до зменшення використання барвників і створення матеріалів з новими властивостями. 

 

Навіщо відмовлятися від перевіреної століттями практики фарбування матеріалів? На жаль, велика кількість барвників є небезпечними для здоров’я людини і навколишнього середовища – під час процесу фарбування або при виготовленні самого барвника. Деякі з них є сильними отрутами. Тому будь-які порушення технологій виробництва цих матеріалів можуть призводити до справжніх екологічних катастроф. Від інших фарб (таких як свинцеві білила) взагалі відмовилися через їхню отруйність. 

 

Крім того, барвники мають сталий колір. А ще часто вицвітають, втрачають його з плином часом або при активному використанні. Що зменшує терміни використання речей. 

 

Всього цього можна уникнути, створивши нові матеріали. Які зможуть довго зберігати свій колір за рахунок того, що він утворюється не за допомогою барвників, а через особливості будови. Крім того це відкриває нові можливості, адже такі кольори можуть бути мінливими – як кольори ельфійський плащів у «Володарі перснів». Перевагою структурного забарвлення може стати і менша ресурсоємність виробництва, і навіть зменшення його вартості за рахунок усунення етапу фарбування.

 

Такі матеріали вже активно розробляють. Так, із целюлози за рахунок особливої модифікації її структури був створений матеріал, який завдяки оптичним ефектам є набагато білішим за найбіліші сорти паперу5.

 

Інший матеріал, що вже наближається до практичного використання – це розроблення полімерної плівки, котра змінює свій колір залежно від ступеня її натягнення, що легко знайде застосування у найрізноманітніших галузях виробництва – від цікавих незвичайних іграшок до визначення небезпеки деформації будівель6.

 

Вже широко використовується структурне забарвлення при виготовленні кольорових голографічних зображень, а надалі такі матеріали будуть розповсюджуватися дедалі більше завдяки їх витривалості, яскравості, можливості зміни кольорів. І більшій безпеці для людини та довкілля.

ТЕКСТ: Євгенія Яблоновська-Грищенко
Ілюстрації: Каталіна Маєвська, Євгенія Яблоновська-Грищенко
Статті