動(dòng)物的光學(xué)進(jìn)化與神功

艾先立

在自然界隨便找一種生物，它們對(duì)光的巧妙利用，都讓我們自愧不如。

就像當(dāng)初人類認(rèn)為地球上只有自己是可以進(jìn)行創(chuàng)作勞動(dòng)的高級(jí)生物一樣，我們一直驕傲地認(rèn)為，只有我們做到了讓光隨心所欲地為我所用，似乎對(duì)于光的控制是一項(xiàng)獨(dú)一無二的人類壯舉。

其實(shí)，動(dòng)物對(duì)光線的理解與應(yīng)用一點(diǎn)不比我們差，客觀地說，它們才是自然界的光學(xué)大師，它們?cè)缇投萌绾慰刂粕屎凸狻１热纾兹搁_屏，炫耀尾羽，是通過其羽毛上的一些細(xì)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(lán)光是源于一種相應(yīng)的光學(xué)設(shè)計(jì)。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(lán)色。甚至連維納斯花籃——一種海綿，最為原始的動(dòng)物之一，也擁有一套復(fù)雜的控制光的本領(lǐng)，它的骨架就是一個(gè)光導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，將其身體核心部位的光散射到其身體的表面。

這些應(yīng)對(duì)手段說明，動(dòng)物對(duì)光線的理解與應(yīng)用完全是漫長(zhǎng)的進(jìn)化使然，是嚴(yán)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(qiáng)烈領(lǐng)地意識(shí)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(yuǎn)點(diǎn)兒，并以此來守衛(wèi)自己的食物和配偶。生物學(xué)家對(duì)于維納斯花籃所擁有的獨(dú)特的活體光纖系統(tǒng)的作用，仍然迷惑不解，有一種理論認(rèn)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(lǐng)，讓造詣?lì)H深的光學(xué)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(xué)家發(fā)現(xiàn)了衍射光柵—— 一種由19世紀(jì)的物理學(xué)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(dǎo)光的啟迪，科學(xué)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(zhǎng)來生成色彩的原理，物理學(xué)家設(shè)計(jì)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(yīng)用于電話交換機(jī)、太陽能電池和天線，取得了超乎預(yù)想的神奇效果。

目前，權(quán)威的光學(xué)家把研究的焦點(diǎn)集中在模仿南美洲大閃蝶的翅膀上，這是個(gè)非常棘手的難題，科學(xué)家們尚未搞清光學(xué)結(jié)構(gòu)如此復(fù)雜的東西。南美洲大閃蝶的翅膀呈絢麗的藍(lán)色，但是，近距離觀察顯示，其內(nèi)在的色彩其實(shí)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(xué)色素那樣，因?yàn)槊倒宓幕ò晖耆樟怂{(lán)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(lán)色則產(chǎn)生于一套完全不同的機(jī)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(zhǎng)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(xué)家還不知道它為什么需要那么艷麗的藍(lán)色，在某種機(jī)制的作用下，這種明快的藍(lán)色不但不會(huì)隨著時(shí)間的推移而褪色，相反會(huì)越來越鮮明，這是再高明的科學(xué)家也制造不出的顏色。

編輯/張燁endprint