Від бабок до рибалочок – наука про природу яскравої блакиті

Авторка: Рокс Міддлтон, постдокторська наукова дослідниця Школи біологічних наук Бристольського університету.

Сиджу на березі річки в лінивий літній день, над головою гарне синє небо. Берег заповнює пишна зелень. Річка жива: мересниці, лиски та водяні полівки метушаться біля кромки води.

На тлі цієї воістину чудової картини найбільше впадають в очі яскраві спалахи синього кольору: на тілах бабок, крилах селезнів крякв і дивовижному пір’ї рибалочок, які стрімко летять, патрулюючи річку.

Ці істоти виблискують тим самим характерним синім кольором, який ми бачимо в оперенні павичів і у метеликів Амазонки. Цей металевий відтінок, що нагадує дорогоцінний камінь, служить для конкретної мети: він допомагає цим істотам виділитися порівняно з тьмяним довкіллям.

Але як ці рослини та тварини набувають свого чарівного блакитного мерехтіння? Справжній синій пігмент зустрічається в природі досить рідко, тому рослини та тварини використовують трюки зі світлом, щоб створити цей сліпучий ефект.

Складні молекули

У природі ми зустрічаємо сині пігменти рідше, ніж червоні, зелені чи чорні, тому що молекули, які відбивають синє світло, за своєю природою складніші.

Щоб отримати будь-який конкретний колір, молекули повинні поглинути все світло, яке вони не відображають. Для синіх пігментів це означає поглинання червоного світла, яке має нижчу енергію ніж синє світло. Але низькоенергетичне світло важче поглинути, тому треба докласти зусиль, щоб будь-яка молекула, яка відображає синій колір, поглинала червоне світло.

Молекули, які забезпечують цей процес, великі та складні, що робить їх виробництво більш ресурсомістким для організмів. Саме тому вони значно рідше з’являються та не зберігаються протягом довгого шляху еволюції – їх підтримка в умовах виживання найпристосованіших обходиться організмам занадто дорого.

Багато рослин і тварин, що мають синій колір, еволюціонували з важливої причини – можливо, щоб привернути увагу певних запилювачів, привабити протилежну стать або відлякати хижака. Наприклад, волошки мають синій колір, щоб привабити комах-запилювачів, і використовують складну структуру, щоб молекула, яка робить троянди червоними, натомість відбивала синє світло.

Винахідливість матінки-природи

Замість того щоб розвивати складні молекули, які здатні поглинати червоне світло, природа створила ще один трюк, що дозволяє отримати синій колір – це процес, якому ми завдячуємо за райдужні сині кольори, що складають більшу частину блакиті світу живої природи.

Біологічні матеріали мерехтливого синього кольору складаються з тих самих компонентів, що й спинка будь-якого жука, пташиного пера чи плоду рослини, здебільшого це біомолекули хітину, кератину та целюлози. Самі по собі ці матеріали прозорі, але структура їхніх поверхонь надає їм синього кольору.

Замість суцільного гладкого матеріалу, такі покриття складаються з прошарків та рубців, або крихітних сфер. Ці структури утворюють нові поверхні, які по-різному взаємодіють зі світлом, що падає на них.

Ці повторювані структури настільки малі, що одна хвиля синього світла, завдовжки 450 нанометрів, охоплює два елементи патерна. Саме цей збіг між мікроскопічною структурою матеріалу та довжиною світлової хвилі є вирішальним фактором при визначенні того, які кольори будуть помітні неозброєним оком.

Розмір мікроскопічних структур природи був відточений еволюцією, щоб ідеально синхронізуватися з синім світлом. Незважаючи на те, що відбивається лише невелика частина синього світла, а решта проходить крізь прозорий матеріал, адитивний ефект настільки сильний, що лише кілька повторень структури відображають максимальну кількість синього світла – у два-три рази сильніше, ніж відображення пігменту. Решта кольорів у білому світлі поглинаються чорним пігментом, який лежить під поверхнею.

Деякі структурні матеріали відбивають лише синє світло, роблячи це краще, ніж звичайні пігменти.

Цей дивовижний ефект можна знайти в кожному мерехтливому матеріалі. Він присутній на жуках, морських водоростях, фруктах, сороках, бегоніях і навіть у відблисках квітів гібіску трійчастого.

Хоча цей вражаючий ефект може створити будь-який колір – достатньо змінити відстань між елементами патерна, – він надзвичайно поширений у синьому діапазоні.

Створення цих, на перший погляд, складних поверхонь насправді є простішим, ніж вироблення природних молекул пігменту, які можуть поглинати червоне світло. Зрештою, це настільки ефективно, що отриманий яскравий мерехтливий синій колір прикрашає сотні різних поверхонь у світі природи.

Стаття вперше була опублікована англійською мовою під заголовком «From dragonflies to kingfishers: the science behind nature’s brilliant blues» в журналі The Conversation 4 жовтня 2021 р.

Переклали студенти групи 31п Факультету іноземної філології Національного університету імені М.П. Драгоманова.