讓中學生初步感受“生物光子學”的學科魅力

顏雅雯

摘 要：光具有圓偏振態這屬于光學學科的范疇，而自然界中銅綠麗金龜的體壁顏色研究屬于生物學科的范疇。有意思的是，銅綠麗金龜的體壁顏色對不同旋向的圓偏振光具有不同的表現。當用左旋圓偏振濾波片時，其體壁的綠色會加深；當用右旋圓偏振濾波片時，其體壁會改變顏色，變為棕黑色。基于一套簡單的實驗裝置，即將四分之一波片和偏振片結合起來，通過旋轉它們的夾角，實現了光波從左旋圓偏振態逐漸變化到右旋圓偏振態，從而清晰地觀測到銅綠麗金龜體壁的顏色由深綠色逐漸變化到到棕黑色的這一有趣的動態過程。該實驗演示有利于激發學生特別是高中生對生物光子學這一學科的初步認識和研究興趣。

關鍵詞：圓偏振光；銅綠麗金龜；體壁顏色；生物光子學

引言

銅綠麗金龜屬于鞘翅目麗金龜科，成蟲體背銅綠具金屬光澤，故名銅綠麗金龜，對農業危害較大 [1 ]。東北、華北、華中、華東、西北等地均有發生。寄主有蘋果、山楂、海棠、梨、杏、桃、李、梅、柿、核桃、酯粟、草毒等，以蘋果屬果樹受害最重。成蟲取食葉片，常造成大片幼齡果樹葉片殘缺不全，甚至全樹葉片被吃光。但是研究者卻發現它體壁可以反射左旋圓偏振光 [2 ]，自然界中偏振光的產生是很普遍的，但是圓偏振光是很罕見的，因此引起了研究者的興趣，他們在不同的情況下對體壁的顏色做了對比：在沒有偏振片過濾下，在左旋圓偏振片過濾下和在右旋圓偏振片過濾的三種情況下分別拍攝銅綠麗金龜體壁的顏色，對比發現，當用左旋圓偏振片過濾時，體壁顏色的綠色會加重；在右旋圓偏振片過濾時，體壁會變成棕黑色；不用偏振片過濾時其體色保持不變 [3-4 ]。金龜甲能夠選擇性反射左旋圓偏振光是由金龜甲鞘翅殼細胞的特殊結構決定的，它是存在于細胞的上表皮中，這個模式在微觀結構類似于膽甾相液晶 [5-6 ]。

在這里，我們自行設計了一套簡單實驗裝置，對Sharma等人于2009年發表在《科學》雜志的部分實驗觀測 [6 ]，進行了再現和補充。我們主要利用偏振片和四分之一波片構成一組偏振裝置，首先調整出左旋和右旋圓偏振光，從而再現了Sharma等人的實驗觀測。特別地，我們固定四分之一波片的快軸方向，通過調節偏振片的偏振化方向來方便地改變光波偏振態的類型。基于此，研究了不同偏振態照射下，銅綠麗金龜體壁顏色逐漸變化的動態過程，從而對Sharma等人的實驗結果進行了簡單的補充。

1 實驗裝置

我們的實驗裝置如圖1所示。在自然界中尋找一只新鮮的銅綠麗金龜，將其固定在一個支架白板上，在實驗室中利用LED白光源（大恒光學，GCI-060411）模擬自然光，照射到銅綠麗金龜表面，然后讓反射光入射到偏振片和四分之一波片（大恒光學，GCL-050003）組成的偏振裝置中，從而實現不同偏振態的選擇和過濾，然后在光路的后端放置一個彩色CCD照相機用于拍攝銅綠麗金龜，并將拍攝圖像保存到電腦上。

2 實驗方法

在我們的實驗中，我們首先未使用偏振裝置，直接用CCD拍攝了銅綠麗金龜在自然光照射下的圖像，如圖2（b）所示。而后，我們引入偏振裝置，當偏振片的偏振化方向和四分之一波片快軸的夾角為45度時，它們組成一個等效的左旋圓偏振濾波片，因此只允許左旋圓偏振光通過。此時，我們對銅綠麗金龜進行成像拍攝，發現它的體壁顏色比原本的綠色加深了。而當偏振化方向和四分之一波片的夾角為-45度時，組成右旋圓偏振片，只允許右旋圓偏振光通過。此時，銅綠麗金龜的體色由原來的綠色完全變為棕黑色。我們的實驗結果如圖2所示，從而再現了Sharma等人在《科學》雜志報道的部分實驗結果。

本文旨在進一步研究它們的中間變化過程。我們固定四分之一波片快軸的方向總沿水平方向，而通過旋轉偏振片的偏振化方向（記為θ）來操控光波的偏振態。在我們的實驗中，我們將偏振片的偏振化方向從θ=45°逐漸旋轉到θ=-45°，并且每隔5度，就利用CCD相機記錄一次銅綠麗金龜的體色。因此，我們實驗中分別記錄了45°、40°、35°、 30°、25°、20°、15°、10°、5°、0°、-5°、-10°、-15°、-20°、-25°、 -30°、-35°、-40°、-45° 的實驗結果，如圖3所示，從而比較完整地呈現了銅綠麗金龜體壁顏色在不同偏振光照射下的動態響應。

3 實驗結果分析

本文中將四分之一波片和偏振片組合成一個偏振裝置，即當一束自然光入射到偏振片上時，會形成一個和偏振片偏振方向相同的線偏振光，線偏振光再經過一個四分之一波片，當波片的快軸方向和偏振片的偏振化方向的夾角為45°時，線偏振光轉化為左旋圓偏振光；當夾角為-45°時，線偏振光轉化為右旋圓偏振光。因此當用左旋圓偏振濾波片選擇過濾銅綠麗金龜時，它的體壁顏色會加深；當用右旋圓偏振濾波片選擇過濾時，體壁顏色會變暗為棕色甚至黑色。當我們調節它們之間的相對夾角時，發現它的顏色并非從加深的綠色突變為棕色的，而是逐漸變化的。一般情況下，所獲得的偏振態對應一個橢圓，稱為橢圓偏振態，它由橢圓長軸的取向角ψ和橢偏率e （長軸與短軸之比）兩個參數共同描述。通過研究偏振態與偏振化方向θ的關系 [7 ]，我們發現，對于我們的偏振裝置，它所選擇光波的橢偏態取向角總為ψ=0；而當夾角為θ時，對應的橢偏率恰好為e=tanθ。特別地，當θ=45°時，e=+1為左旋圓偏振光；當θ=-45°時，e=-1為右旋圓偏振光。而當 θ=0°時，e=0正好是水平偏振光，它在數學上可表示為等量的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的相干疊加。因此，所獲得的銅綠麗金龜體壁的顏色恰好為圖2（a）的深綠色和圖2（c）的棕黑色兩個圖像的相加，總體表現為淺綠色。當角度θ逐漸從45°變為-45°時，對應的偏振態先由左旋圓偏振光變為水平線偏振光，再由水平線偏振光變為右旋圓偏振光，從而直觀地觀測到銅綠麗金龜的體壁顏色的動態變化過程：先從深綠色逐漸變淡變淺，而后綠色消失，并逐漸變為最終的棕黑色。

我們知道，在生物教學中，實驗觀察的漸變性很重要，學生們能在這個逐漸變化的過程中體會到學習生物的樂趣，從而激發學生的求知欲，本文還將生物學和光學學科的研究有效結合，有利于激發中學生的學科知識交叉能力和創新性思維，對于中學生感性并理性地認識自然界現象，培養嚴謹的的科學態度具有重要意義。

4 結論

本文從偏振光學的角度探究銅綠麗金龜體壁顏色的變化，利用偏振片和四分之一波片組合成一個偏振裝置，研究照射光從左旋圓偏振光逐漸變為右旋圓偏振光的過程中，銅綠麗金龜體壁的顏色由深綠色逐漸化為棕黑色的有趣過程。本文實驗裝置簡單，實驗操作簡單，對于中學生認識自然界生物光子學的一些基本現象具有一定的啟發意義。

參考文獻：

[1]李為爭，袁瑩華，原國輝等.銅綠麗金龜對不同植物葉片的選擇和取食反應[J].生態學雜志，2009，28（12）：1905-1908.

[2]蔣月麗，郭予元，武予清等.銅綠麗金龜對圓偏振光的行為和視網膜電位反應[J].昆蟲學報，2013，56（12）：1397-1403.

[3]Jin Miao，Yu-Qing Wu，Ke-Bin Li et al. Evidence for Visually Mediated Copulation Frequency in the Scarab Beetle Anomala corpulenta[J]， Journal of Insect Behavior， 2015， 28（2）： 175-182.

[4]Lía Fernández del Río ， Hans Arwin， Kenneth Jarrendahl. Polarizing properties and structural characteristics of the cuticle of the scarab Beetle Chrysina gloriosa[J]. Thin Solid Films， 2014，571（4）： 410-415.

[5]Hans Arwin， Torun Berlind， Blaine Johs et al. Cuticle structure of the scarab beetle Cetonia aurata analyzed by regression analysis of Mueller-matrix ellipsometric data[J]. Optics Express， 2013， 21（19）： 22645-22656.

[6]Vivek Sharma， Matija Crne， Jung Ok Park et al. Structural Origin of Circularly Polarized Iridescence in Jeweled Beetles[J]. Science，2009，325（449）： 449-451.

[7]廖延彪. 偏振光學[M].北京：科學出版社，2003.