动物的光学进化与神功

艾先立

在自然界随便找一种生物，它们对光的巧妙利用，都让我们自愧不如。

就像当初人类认为地球上只有自己是可以进行创作劳动的高级生物一样，我们一直骄傲地认为，只有我们做到了让光随心所欲地为我所用，似乎对于光的控制是一项独一无二的人类壮举。

其实，动物对光线的理解与应用一点不比我们差，客观地说，它们才是自然界的光学大师，它们早就懂得如何控制色彩和光。比如，孔雀开屏，炫耀尾羽，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，最为原始的动物之一，也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。

这些应对手段说明，动物对光线的理解与应用完全是漫长的进化使然，是严酷的优胜劣汰的自然规律在起作用。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，它就不能繁殖后代，延续基因；有着强烈领地意识的南美洲大闪蝶也许是通过闪耀其色彩来警告它的同类离远点儿，并以此来守卫自己的食物和配偶。生物学家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，有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上，以此来吸引其猎物。

这些生物操纵光的本领，让造诣颇深的光学家肃然起敬。如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，科学家制造出了现代光纤；研究南美大闪蝶，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，物理学家设计出了可与之相比的材料—— 光子能带隙晶体，并且正在尝试把它们应用于电话交换机、太阳能电池和天线，取得了超乎预想的神奇效果。

目前，权威的光学家把研究的焦点集中在模仿南美洲大闪蝶的翅膀上，这是个非常棘手的难题，科学家们尚未搞清光学结构如此复杂的东西。南美洲大闪蝶的翅膀呈绚丽的蓝色，但是，近距离观察显示，其内在的色彩其实呈黯淡的灰褐色。这种双重性表明，大闪蝶的颜色并非像玫瑰所含的那种化学色素那样，因为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人类的眼睛。南美大闪蝶的蓝色则产生于一套完全不同的机制，它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。飞翔在阳光下的南美洲大闪蝶是那么明亮夺目，以至于1公里以外的人都能看到它。但科学家还不知道它为什么需要那么艳丽的蓝色，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制造不出的颜色。

编辑/张烨endprint