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蝴蝶的蓝不是颜料:鳞片脊纹的间距决定反射哪一段光

捏过灰蝶的人手上会留一层细粉,那是鳞片。有人把翅面的蓝当成颜料,用指甲刮下一片捻开,蓝却不见了,只剩灰白。颜色藏在结构里还是藏在色素里,决定了鳞片被磨掉之后翅上还剩下什么,也决定了该在什么光线下比对。

鳞片是压扁的毛,覆瓦状插在翅膜的小窝里

鳞片由毛扁化而来,中空,基部收成一个小柄,插进翅膜上的鳞片窝,像瓦片一样一层压一层向后铺,方向一律朝翅端。一片鳞长 50–150 微米,宽 30–60 微米,一平方毫米的翅面能排下上万片,密到不透光,摸上去像撒了一层粉。

鳞片分 2 层:覆盖在表面的盖鳞宽而扁,末端常有齿,齿的数目在属间不同;下面一层是狭长的缘鳞。两层交错,翅面才有厚度。鳞片脱落后留下的窝点排列整齐,看窝点能还原原来的覆瓦方向,也能估出原来的密度。

色素色沉在鳞片内部,磨碎后颜色还在

黑色与褐色来自黑色素,颗粒分散在鳞片的上表皮里;黄色与红色多来自蝶呤;白色粉蝶的白则由鳞片内的细小颗粒散射而成。这些都是物质,刮下来捻碎,颜色依旧,粉末仍是原色,只是颗粒细到看不出形状。

色素色不随角度变。把翅在手里翻转,褐色的眼蝶无论朝哪个方向都是褐的,明暗有变化,色相不变,阴天与晴天都一样。换角度不改色相的,是色素色,这一条在现场就能试,不必带任何设备。

结构色靠脊纹与薄膜,角度一换就换色

鳞片表面有纵向的脊,脊与脊之间架着横肋,形成一层层空腔。光在空腔的上下界面各反射一次,两束光叠加,只有波长合适的那一段被加强,其余波长相互抵消。脊的间距在 0.5–1 微米之间,反射峰正好落在蓝或绿的范围内。

闪蝶的蓝来自鳞片内部像小树一样的几丁质结构,层与层之间留空气,多层反射叠出很高的亮度。转动翅面,颜色从蓝滑到紫再变暗,颜色随角度滑动的,是结构色。脊一断,干涉条件消失,蓝也就没了。

白色与金属光各有一套做法,不全是薄膜干涉

粉蝶的白不是薄膜干涉,而是鳞片内密集的蝶呤颗粒把光散射开,各波长一起返回,看着就是白的。颗粒越密,散射越强,翅越不透明;颗粒直径不足 1 微米,稀疏的地方会透出底色,显得发灰。

灰蝶科的金属蓝来自多层膜,层数多、折射率差大,反射带窄,颜色纯而亮。同科里也有靠色素呈橙色的种类,一科之内两种机制并存,不能按科一刀切,看到蓝就归结构色会漏掉反例。

关键数据

下列数值取自翅面中段,鳞片量 10 片取中数,反射峰按文献报道的区间记。颜色只取中段比对,翅缘与翅基的鳞片常已磨损,不同科差距较大,量单片刻度不足以下结论。

  • 一片鳞长 50–150 微米,宽 30–60 微米
  • 鳞片基部有小柄,插入翅膜鳞片窝,覆瓦状排列
  • 覆盖鳞片分盖鳞与缘鳞两层,交错铺叠
  • 色素色来自黑色素、蝶呤与眼色素三类物质
  • 结构色的脊间距在 0.5–1 微米之间
  • 闪蝶属的蓝色反射峰约在 450 纳米
  • 一平方毫米翅面可排上万片鳞
  • 多层膜的反射带窄,转动时色相偏移明显

鳞片磨损与手指油膜会让两种颜色一起失真

野外个体翅缘常磨掉一圈,结构色最先消失,因为脊与横肋一断,干涉条件就没了;色素色留在残余鳞片里,反而更显眼。翅缘先掉,翅面中部最后,老个体看着偏褐,未必是本来如此。

手指的油脂在鳞片上摊成一层膜,折射率被拉平,结构色整片发暗,一滴汗就能留下指印。本文判断:拍照前不要捏翅面,需要比对颜色时取翅缘未磨损的一段,或直接翻看翅腹面,那里的鳞片通常完整。

参考文献

  • 周尧.《中国蝶类志》. 河南科学技术出版社, 1994. —— 翅面斑纹与色型描述。
  • Chapman, R. F. The Insects: Structure and Function. Cambridge University Press. —— 鳞片与体壁结构。
  • Ghiradella, H. Light and color on the wing: structural colors in butterflies and moths. Applied Optics, 1991. —— 鳞片脊纹与干涉。
  • 彩万志, 花保祯, 庞雄飞 等.《普通昆虫学》(第二版). 中国农业大学出版社, 2011. —— 鳞翅目翅面结构。
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文章名称:蝴蝶的蓝不是颜料:鳞片脊纹的间距决定反射哪一段光
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