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經(jīng)常刷某音、圍脖的你，應(yīng)該見過這個(gè)曾經(jīng)火爆全網(wǎng)的“變臉鳥”吧？

當(dāng)時(shí)的視頻標(biāo)題大致如下：“‘變臉鳥’現(xiàn)身湖北！九頭鳥猶如川劇般變臉”、“會(huì)‘川劇變臉’的鳥，1分鐘變出9張臉，簡(jiǎn)直是無法相信自己的眼睛”……

一時(shí)間，眾多科普號(hào)紛紛出來辟謠，著名的《博物》雜志早在2018年就揭示了“九頭鳥”的真實(shí)身份——分布于北美洲的安氏蜂鳥（英文名：Anna’s Hummingbird，拉丁學(xué)名：Calypte anna）。

▲圖片截自網(wǎng)絡(luò)

今兒個(gè)，咱們就來仔細(xì)講講鳥類羽毛結(jié)構(gòu)色的小知識(shí)，看看“九頭鳥”為什么能“變臉”，而為什么又有許多蜂鳥是以寶石來命名的。

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\ 絢麗羽色背后的奧秘——結(jié)構(gòu)色 /

大家可能都聽說過，鳥類羽毛的顏色可以分為兩類：化學(xué)色和結(jié)構(gòu)色。化學(xué)色，也稱為色素色，顧名思義，是指通過色素在羽毛中的沉積而形成的顏色。比如，在大部分地區(qū)常見的麻雀身上呈現(xiàn)的棕褐色，或者北紅尾鴝肚子和尾巴上的橙紅色等，這些都是化學(xué)色。鳥類羽毛中的色素主要包括兩類，一是黑色素，可以產(chǎn)生不同深淺的灰色、棕褐色和黑色；二是類胡蘿卜素，可以產(chǎn)生紅、黃、橙等顏色。然而，如果你仔細(xì)觀察視頻中的安氏蜂鳥，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它的羽毛質(zhì)感和麻雀或北紅尾鴝有所不同：安氏蜂鳥的羽毛閃耀著金屬光澤。這是因?yàn)樗念伾怯捎鹈咸厥獾?strong>細(xì)微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，這種顏色被稱為“結(jié)構(gòu)色”。

結(jié)構(gòu)色：是借羽毛上皮表面的物理結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的凹凸溝紋、羽小枝內(nèi)的微小顆粒、氣腔和液泡等對(duì)光線所起的折射和干涉作用而產(chǎn)生的色彩變幻。

《鳥類學(xué)（第2版）》

結(jié)構(gòu)色背后的物理原理是光的干涉和折射。當(dāng)光線遇到微小的結(jié)構(gòu)或表面特征時(shí)，光波會(huì)發(fā)生干涉。這種干涉現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致特定波長(zhǎng)的光在特定角度下被加強(qiáng)或減弱，從而呈現(xiàn)出不同的色彩。同時(shí)，由于不同波長(zhǎng)的光線具有不同的折射率，它們?cè)谡凵鋾r(shí)會(huì)發(fā)生不同程度的偏轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)從不同角度觀察時(shí)，同一片羽毛所呈現(xiàn)的顏色也會(huì)有所不同。

那么，究竟是怎樣一種神奇的結(jié)構(gòu)，能夠如此巧妙地利用光線（以及我們?cè)谥袑W(xué)學(xué)到的物理學(xué)原理）產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色呢？答案或許有些出人意料：鳥類羽毛中的結(jié)構(gòu)色大多與黑色素有著密切關(guān)系。你沒看錯(cuò)，就是上文提到的化學(xué)色中能夠產(chǎn)生灰棕黑顏色的黑色素（同樣是讓我們的皮膚和頭發(fā)變黑的黑色素）。只不過，在產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色時(shí)，黑色素不再是通過吸收光線來呈現(xiàn)顏色，而是形成一個(gè)個(gè)排列整齊的黑素體（melanosome，也稱為黑素小體或黑色素體）。這些黑素體通過反射和折射光線，以及光的干涉現(xiàn)象，最終形成結(jié)構(gòu)色。

▲鳥類的羽毛由中央的羽軸和兩側(cè)的羽枝組成，而每個(gè)羽枝的兩側(cè)又分出了多個(gè)羽小枝。圖片來源：The Cornell Lab of Ornithology（由勺機(jī)構(gòu)漢化）

▲羽小枝的橫截面表層微觀構(gòu)造示意圖：蜂鳥羽毛的羽小枝表面布滿了扁平狀的黑素體，這些黑素體內(nèi)部充滿了氣腔，并且像美式早餐中的“松餅”那樣一層層堆在一起。這些黑素體可以反射光線，而堆疊的黑素體就像多層鏡子，能夠?qū)⒐饩€多次反射。圖片來源：The Cornell Lab of Ornithology（由勺機(jī)構(gòu)漢化）

▲美式早餐中的常客——松餅。（圖片源于網(wǎng)絡(luò)）

特定的黑素體厚度使安氏蜂鳥的喉部羽毛呈現(xiàn)紫紅色，而較薄的黑素體則會(huì)使波長(zhǎng)較短的光線得到加強(qiáng)，比如像下圖中的青綠闊嘴蜂鳥就是以藍(lán)色為主。

▲黑素體厚度對(duì)反射光波的影響。圖片來源：The Cornell Lab of Ornithology（由勺機(jī)構(gòu)漢化）

那么，即使羽小枝中的黑素體能夠強(qiáng)烈地反射光線，并通過黑素體厚度影響光的干涉，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色，安氏蜂鳥的“變臉”現(xiàn)象又該如何解釋？同樣的結(jié)構(gòu)是如何能夠“同時(shí)”展現(xiàn)閃耀的紫紅色、黃綠色和烏黑亮麗的黑色，并在不同顏色之間“不斷切換”的呢？答案的關(guān)鍵就在于觀察角度。當(dāng)安氏蜂鳥將羽毛蓬起或放下時(shí)，羽毛表面與人眼的相對(duì)角度會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而造就了顏色不斷變化的奇幻效果。

▲觀察角度會(huì)影響反射出來后人眼看到的光線顏色。圖片來源：The Cornell Lab of Ornithology（由勺機(jī)構(gòu)漢化）

既然黑素體在結(jié)構(gòu)色的形成過程中起著如此重要的作用，那我們?cè)賮砜纯词澜缟掀渌哂薪Y(jié)構(gòu)色的鳥類都有著怎樣的黑素體結(jié)構(gòu)。

▲不同鳥類的黑素體結(jié)構(gòu)。圖片來源：Evolution of brilliant iridescent feather nanostructures, 2021（由勺機(jī)構(gòu)漢化）

如圖所示，有些鳥類（如褐頭牛鸝）的黑素體是粗大的棍棒狀，橫截面呈圓形，厚度比蜂鳥的更厚；另一些鳥類的黑素體是較細(xì)的“實(shí)心”棍棒（如尼柯巴鳩）；而優(yōu)雅美洲咬鵑的棍棒狀黑素體則是中空的。相比之下，蜂鳥和太陽鳥（如雜色花蜜鳥）的黑素體則是扁平的板狀結(jié)構(gòu)，橫截面為扁平的橢圓形。

正是這些黑素體的差異造就了不同鳥類身上豐富多樣的結(jié)構(gòu)色，形成了五彩斑斕的黑以及各種閃閃發(fā)光的藍(lán)、紫、綠等顏色。換句話說，和依賴于色素自身顏色的化學(xué)色相比，結(jié)構(gòu)色通過光的干涉和折射，能夠產(chǎn)生更加多樣和絢麗的色彩效果。

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\ 西半球會(huì)飛的“寶石” /

羽毛上的結(jié)構(gòu)色使蜂鳥在空中飛行時(shí)宛如寶石一般耀眼奪目。因此，在全球363種蜂鳥中，有50多種蜂鳥被賦予了與寶石相關(guān)的英文名，如“藍(lán)寶石（Sapphire）”、“紅寶石（Ruby）”、“紫水晶（Amethyst）”、“石榴石（Garnet）”等。

▲一些蜂鳥的英文名及其名稱中對(duì)應(yīng)的寶石。圖片來源：The Cornell Lab of Ornithology（由勺機(jī)構(gòu)漢化與排版設(shè)計(jì)）

寶石是由成百上千萬年的地質(zhì)作用而形成的稀有產(chǎn)物。同樣地，蜂鳥引人注目的羽毛裝飾也是由長(zhǎng)期的演化過程中強(qiáng)烈的性選擇壓力所推動(dòng)的。它們那閃亮奪目的羽毛可以展現(xiàn)出自身強(qiáng)壯、健康的身體狀態(tài)。

▲圖片來源：The Cornell Lab of Ornithology

略有些遺憾的是，所有的蜂鳥都分布于西半球的美洲大陸，在我國(guó)并沒有機(jī)會(huì)在野外觀察到蜂鳥炫目的結(jié)構(gòu)色。不過，在我們身邊也有許多具有結(jié)構(gòu)色的鳥類，比如小區(qū)里常見的藍(lán)色“閃電俠”——普通翠鳥，各種野生鴨類（比如杭州西湖的常客——鴛鴦）、雉類（比如綠孔雀、紅腹錦雞和綠尾虹雉）以及各種太陽鳥等，它們同樣能夠展現(xiàn)出迷人的結(jié)構(gòu)色。就連更為常見的喜鵲，在合適的光照下也能呈現(xiàn)出五彩斑斕的黑。

▲經(jīng)常能在河邊看到普通翠鳥一閃而過的藍(lán)色身影。?鮑勃

▲左側(cè)雄鴛鴦的頭頂和右側(cè)雌鴛鴦翅膀上的翼鏡都是結(jié)構(gòu)色。?Francis C. Franklin

▲綠孔雀身上優(yōu)雅迷人的結(jié)構(gòu)色。?Crisco 1492

▲大家熟悉的孔雀尾羽上的眼斑也有不少是結(jié)構(gòu)色。?BohunkaNika

學(xué)了這么多新知識(shí)的你還等什么？趕快出門觀鳥，去發(fā)現(xiàn)身邊的結(jié)構(gòu)色吧！

 

參考文獻(xiàn)：

[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] 鄭光美.鳥類學(xué)（第二版）[M].北京:北京師范大學(xué)出版社. 2012.

 

編譯 / 餛飩

圖文編輯 / 雨笑笑笑