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你见过会飞的“宝石”吗?鸟类结构色的奥秘

媒体:霁菜馄饨  作者:内详
专业号:中国沿海湿地保护网络
2023/10/25 15:33:53

经常刷某音、围脖的你,应该见过这个曾经火爆全网的“变脸鸟”吧?

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当时的视频标题大致如下:“‘变脸鸟’现身湖北!九头鸟犹如川剧般变脸”、“会‘川剧变脸’的鸟,1分钟变出9张脸,简直是无法相信自己的眼睛”……

一时间,众多科普号纷纷出来辟谣,著名的《博物》杂志早在2018年就揭示了“九头鸟”的真实身份——分布于北美洲的安氏蜂鸟(英文名:Anna’s Hummingbird,拉丁学名:Calypte anna)。

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▲图片截自网络

今儿个,咱们就来仔细讲讲鸟类羽毛结构色的小知识,看看“九头鸟”为什么能“变脸”,而为什么又有许多蜂鸟是以宝石来命名的。

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绚丽羽色背后的奥秘——结构色 /

大家可能都听说过,鸟类羽毛的颜色可以分为两类:化学色结构色。化学色,也称为色素色,顾名思义,是指通过色素在羽毛中的沉积而形成的颜色。比如,在大部分地区常见的麻雀身上呈现的棕褐色,或者北红尾鸲肚子和尾巴上的橙红色等,这些都是化学色。鸟类羽毛中的色素主要包括两类,一是黑色素,可以产生不同深浅的灰色、棕褐色和黑色;二是类胡萝卜素,可以产生红、黄、橙等颜色。然而,如果你仔细观察视频中的安氏蜂鸟,就会发现它的羽毛质感和麻雀或北红尾鸲有所不同:安氏蜂鸟的羽毛闪耀着金属光泽。这是因为它的颜色是由羽毛上特殊的细微结构产生的,这种颜色被称为“结构色”

结构色:是借羽毛上皮表面的物理结构、复杂的凹凸沟纹、羽小枝内的微小颗粒、气腔和液泡等对光线所起的折射干涉作用而产生的色彩变幻。

《鸟类学(第2版)》

结构色背后的物理原理是光的干涉折射。当光线遇到微小的结构或表面特征时,光波会发生干涉。这种干涉现象会导致特定波长的光在特定角度下被加强或减弱,从而呈现出不同的色彩。同时,由于不同波长的光线具有不同的折射率,它们在折射时会发生不同程度的偏转。因此,当从不同角度观察时,同一片羽毛所呈现的颜色也会有所不同

那么,究竟是怎样一种神奇的结构,能够如此巧妙地利用光线(以及我们在中学学到的物理学原理)产生结构色呢?答案或许有些出人意料:鸟类羽毛中的结构色大多与黑色素有着密切关系。你没看错,就是上文提到的化学色中能够产生灰棕黑颜色的黑色素(同样是让我们的皮肤和头发变黑的黑色素)。只不过,在产生结构色时,黑色素不再是通过吸收光线来呈现颜色,而是形成一个个排列整齐的黑素体(melanosome,也称为黑素小体或黑色素体)。这些黑素体通过反射和折射光线,以及光的干涉现象,最终形成结构色。

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▲鸟类的羽毛由中央的羽轴和两侧的羽枝组成,而每个羽枝的两侧又分出了多个羽小枝。图片来源:The Cornell Lab of Ornithology(由勺机构汉化)

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▲羽小枝的横截面表层微观构造示意图:蜂鸟羽毛的羽小枝表面布满了扁平状的黑素体,这些黑素体内部充满了气腔,并且像美式早餐中的“松饼”那样一层层堆在一起。这些黑素体可以反射光线,而堆叠的黑素体就像多层镜子,能够将光线多次反射。图片来源:The Cornell Lab of Ornithology(由勺机构汉化)

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▲美式早餐中的常客——松饼。(图片源于网络)

特定的黑素体厚度使安氏蜂鸟的喉部羽毛呈现紫红色,而较薄的黑素体则会使波长较短的光线得到加强,比如像下图中的青绿阔嘴蜂鸟就是以蓝色为主。

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▲黑素体厚度对反射光波的影响。图片来源:The Cornell Lab of Ornithology(由勺机构汉化)

那么,即使羽小枝中的黑素体能够强烈地反射光线,并通过黑素体厚度影响光的干涉,从而产生结构色,安氏蜂鸟的“变脸”现象又该如何解释?同样的结构是如何能够“同时”展现闪耀的紫红色、黄绿色和乌黑亮丽的黑色,并在不同颜色之间“不断切换”的呢?答案的关键就在于观察角度。当安氏蜂鸟将羽毛蓬起或放下时,羽毛表面与人眼的相对角度会发生相应的变化,从而造就了颜色不断变化的奇幻效果。

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▲观察角度会影响反射出来后人眼看到的光线颜色。图片来源:The Cornell Lab of Ornithology(由勺机构汉化)

既然黑素体在结构色的形成过程中起着如此重要的作用,那我们再来看看世界上其他具有结构色的鸟类都有着怎样的黑素体结构。

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▲不同鸟类的黑素体结构。图片来源:Evolution of brilliant iridescent feather nanostructures, 2021(由勺机构汉化)

如图所示,有些鸟类(如褐头牛鹂)的黑素体是粗大的棍棒状,横截面呈圆形,厚度比蜂鸟的更厚;另一些鸟类的黑素体是较细的“实心”棍棒(如尼柯巴鸠);而优雅美洲咬鹃的棍棒状黑素体则是中空的。相比之下,蜂鸟和太阳鸟(如杂色花蜜鸟)的黑素体则是扁平的板状结构,横截面为扁平的椭圆形。

正是这些黑素体的差异造就了不同鸟类身上丰富多样的结构色,形成了五彩斑斓的黑以及各种闪闪发光的蓝、紫、绿等颜色。换句话说,和依赖于色素自身颜色的化学色相比,结构色通过光的干涉和折射,能够产生更加多样和绚丽的色彩效果。

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西半球会飞的“宝石” /

羽毛上的结构色使蜂鸟在空中飞行时宛如宝石一般耀眼夺目。因此,在全球363种蜂鸟中,有50多种蜂鸟被赋予了与宝石相关的英文名,如“蓝宝石(Sapphire)”、“红宝石(Ruby)”、“紫水晶(Amethyst)”、“石榴石(Garnet)”等。

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▲一些蜂鸟的英文名及其名称中对应的宝石。图片来源:The Cornell Lab of Ornithology(由勺机构汉化与排版设计)

宝石是由成百上千万年的地质作用而形成的稀有产物。同样地,蜂鸟引人注目的羽毛装饰也是由长期的演化过程中强烈的性选择压力所推动的。它们那闪亮夺目的羽毛可以展现出自身强壮、健康的身体状态。

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▲图片来源:The Cornell Lab of Ornithology

略有些遗憾的是,所有的蜂鸟都分布于西半球的美洲大陆,在我国并没有机会在野外观察到蜂鸟炫目的结构色。不过,在我们身边也有许多具有结构色的鸟类,比如小区里常见的蓝色“闪电侠”——普通翠鸟,各种野生鸭类(比如杭州西湖的常客——鸳鸯)、雉类(比如绿孔雀、红腹锦鸡和绿尾虹雉)以及各种太阳鸟等,它们同样能够展现出迷人的结构色。就连更为常见的喜鹊,在合适的光照下也能呈现出五彩斑斓的黑。

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▲经常能在河边看到普通翠鸟一闪而过的蓝色身影。©鲍勃

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▲左侧雄鸳鸯的头顶和右侧雌鸳鸯翅膀上的翼镜都是结构色。©Francis C. Franklin

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▲绿孔雀身上优雅迷人的结构色。©Crisco 1492

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▲大家熟悉的孔雀尾羽上的眼斑也有不少是结构色。©BohunkaNika

学了这么多新知识的你还等什么?赶快出门观鸟,去发现身边的结构色吧!

 

参考文献:

[1] https://dl.allaboutbirds.org/hummingbird-download-gems-0?utm_campaign=BA Hummingbird Course&utm_source=twitter&utm_medium=social&utm_term=post&utm_content=GemsTW

Supplement to Living Bird Magazine, Summer 2023. Illustration, design, and concept by Jillian Ditner. Sources: Bird academy course development team for The Wonderful World of Hummingbirds—Marla Coppolino, Laura Helft, Jill Leichter, Kevin Mcgowan, Shayna Muller. Optical physics consultant: Adriaan M. Dokter, research associate, Cornell Lab of Ornithology. Poster sponsored by Pennington.

[2] Nordén, K. K., Eliason, C. M., & Stoddard, M. C. (2021). Evolution of brilliant iridescent feather nanostructures. Elife, 10, e71179.

[3] 郑光美.鸟类学(第二版)[M].北京:北京师范大学出版社. 2012.

 

编译 / 馄饨

图文编辑 / 雨笑笑笑


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