動(dòng)物對(duì)光線的理解與應(yīng)用 動(dòng)物是“光學(xué)大師”

紅綠黃三色交通指示燈、城市街道上斑斕的霓虹燈、宴會(huì)上的珠光寶氣奪目光彩……這一切都顯示出人類控制光的高超技術(shù)。其實(shí)，在自然界中，動(dòng)物對(duì)光線的理解與應(yīng)用早就走在了人類的前面。動(dòng)物是自然界的光學(xué)大師，它們?cè)缇投萌绾慰刂粕屎凸?，?duì)于光線的分層、棱塊以及扭曲的了解比人類更多。

比如，孔雀開屏?xí)r炫目的尾羽，是通過(guò)其羽毛上的一些細(xì)微的溝槽結(jié)構(gòu)把太陽(yáng)的光波逐一分解，并分類成各種色帶。南美洲大閃蝶發(fā)出的絢爛的藍(lán)光是源于一種相應(yīng)的光學(xué)設(shè)計(jì)。這種昆蟲翅膀上的鱗片間隔有致，使得紅色光波消失;通過(guò)這樣的過(guò)濾，我們眼睛所能見到的光波呈現(xiàn)出鐵藍(lán)色。甚至連維納斯花籃—一種海綿、也是最為原始的動(dòng)物之一，擁有一套復(fù)雜的控制光的本領(lǐng)。它的骨架就是一個(gè)光導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，將其身體核心部位的光散射到其身體的表面。

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動(dòng)物對(duì)光線理解與應(yīng)用完全是漫長(zhǎng)的進(jìn)化結(jié)果，是嚴(yán)酷的優(yōu)勝劣汰自然規(guī)律在起作用。雄孔雀靠精美的羽毛來(lái)突出自己并贏得配偶，如果它不能夠引起雌孔雀的注意，就不能繁殖后代、延續(xù)基因。有著強(qiáng)烈的領(lǐng)地意識(shí)的南美洲大閃蝶也許是通過(guò)閃耀其色彩來(lái)警告同類離遠(yuǎn)點(diǎn)兒，并以此來(lái)守衛(wèi)自己的食物和配偶。生物學(xué)家們對(duì)于維納斯花籃所擁有的獨(dú)特的活體光纖系統(tǒng)的作用，仍然迷惑不解。一種理論認(rèn)為這種海綿的透明結(jié)構(gòu)是吸收發(fā)光的共生微生物所發(fā)出的光亮，并且將收集到的光亮集中到一套微型的聚光燈網(wǎng)，以此來(lái)吸引其獵物。

有的時(shí)候，自然界的一些光學(xué)小花招是作為其他進(jìn)化革新活動(dòng)的副產(chǎn)品而偶然產(chǎn)生的。水中的軟體動(dòng)物由于有了保護(hù)殼而受益匪淺—它們的保護(hù)殼必須堅(jiān)硬結(jié)實(shí)，并且只需要利用海水中可獲得的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)即可形成。這些軟體生物通過(guò)交替使用碳酸鈣層和膠樣蛋白質(zhì)層來(lái)建構(gòu)它們的殼。意外的是，這些輪換層起到了微型棱鏡的作用，使得它們反射的光有了彩虹一樣的色彩，結(jié)果就產(chǎn)生了色彩柔和的、乳白珍珠母的光輝。

面對(duì)這些生物操縱光的本領(lǐng)，即使造詣?lì)H深的光學(xué)家也會(huì)肅然起敬的。從動(dòng)物身上，人類受益匪淺。利用孔雀羽毛上的溝槽結(jié)構(gòu)分離光的原理，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了衍射光柵—一種由19世紀(jì)的物理學(xué)家約瑟夫·馮·弗隆霍亞發(fā)明的，用來(lái)分辨太陽(yáng)光屬性的工具;受維納斯花籃的骨架傳導(dǎo)光的啟迪，科學(xué)家制造出現(xiàn)代光纖。

目前，科學(xué)家把研究的焦點(diǎn)集中在模仿南美洲大閃蝶的翅膀上。南美洲大閃蝶的翅膀呈絢麗的藍(lán)色，以至于一公里以外的人都能看到它。在某種機(jī)制的作用下，這種明快的藍(lán)色不但不會(huì)隨著時(shí)間的推移而褪色，相反會(huì)越來(lái)越鮮明—這是再高明的科學(xué)家也造不出的顏色。但是，近距離觀察顯示，南美洲大閃蝶翅膀內(nèi)在的色彩其實(shí)呈黯淡的灰褐色。這種雙重性表明，大閃蝶并非像玫瑰的顏色那樣是因其所含有的化學(xué)色素而形成的。玫瑰的花瓣完全吸收了藍(lán)色和綠色的光，只留下紅色成分反饋給眼睛。而南美洲大閃蝶的翅膀有著可以發(fā)揮衍射光柵作用的結(jié)構(gòu)，其表面排列著整齊的溝槽，溝槽間隔的大小和可見光的波長(zhǎng)一致。

研究南美洲大閃蝶通過(guò)有選擇地添加或減少某些光的波長(zhǎng)來(lái)生成色彩的原理，物理學(xué)家最近設(shè)計(jì)出了一種材料—光子能帶隙晶體，并且正在嘗試把它們用于電話交換機(jī)、太陽(yáng)能電池和天線，希望能取得超乎預(yù)想的神奇效果。