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你見過會飛的“寶石”嗎？鳥類結(jié)構(gòu)色的奧秘
經(jīng)常刷某音、圍脖的你，應(yīng)該見過這個曾經(jīng)火爆全網(wǎng)的“變臉鳥”吧？
當時的視頻標題大致如下：“‘變臉鳥’現(xiàn)身湖北！九頭鳥猶如川劇般變臉”、“會‘川劇變臉’的鳥，1分鐘變出9張臉，簡直是無法相信自己的眼睛”……
一時間，眾多科普號紛紛出來辟謠，著名的《博物》雜志早在2018年就揭示了“九頭鳥”的真實身份——分布于北美洲的安氏蜂鳥（英文名：Anna’s Hummingbird，拉丁學名：Calypte anna）。
▲圖片截自網(wǎng)絡(luò)
今兒個，咱們就來仔細講講鳥類羽毛結(jié)構(gòu)色的小知識，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：化學色和結(jié)構(gòu)色?；瘜W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，如果你仔細觀察視頻中的安氏蜂鳥，就會發(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。這是因為它的顏色是由羽毛上特殊的細微結(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)、復雜的凹凸溝紋、羽小枝內(nèi)的微小顆粒、氣腔和液泡等對光線所起的折射和干涉作用而產(chǎn)生的色彩變幻。
《鳥類學（第2版）》
結(jié)構(gòu)色背后的物理原理是光的干涉和折射。當光線遇到微小的結(jié)構(gòu)或表面特征時，光波會發(fā)生干涉。這種干涉現(xiàn)象會導致特定波長的光在特定角度下被加強或減弱，從而呈現(xiàn)出不同的色彩。同時，由于不同波長的光線具有不同的折射率，它們在折射時會發(fā)生不同程度的偏轉(zhuǎn)。因此，當從不同角度觀察時，同一片羽毛所呈現(xiàn)的顏色也會有所不同。
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（以及我們在中學學到的物理學原理）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，就是上文提到的化學色中能夠產(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，黑色素不再是通過吸收光線來呈現(xiàn)顏色，而是形成一個個排列整齊的黑素體（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，而每個羽枝的兩側(cè)又分出了多個羽小枝。圖片來源：The Cornell Lab of Ornithology（由勺機構(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使波長較短的光線得到加強，比如像下圖中的青綠闊嘴蜂鳥就是以藍色為主。
▲黑素體厚度對反射光波的影響。圖片來源：The Cornell Lab of Ornithology（由勺機構(gòu)漢化）
那么，即使羽小枝中的黑素體能夠強烈地反射光線，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”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。當安氏蜂鳥將羽毛蓬起或放下時，羽毛表面與人眼的相對角度會發(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，那我們再來看看世界上其他具有結(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的“實心”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、紫、綠等顏色。換句話說，和依賴于色素自身顏色的化學色相比，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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\ 西半球會飛的“寶石” /
羽毛上的結(jié)構(gòu)色使蜂鳥在空中飛行時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應(yīng)的寶石。圖片來源：The Cornell Lab of Ornithology（由勺機構(gòu)漢化與排版設(shè)計）
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期的演化過程中強烈的性選擇壓力所推動的。它們那閃亮奪目的羽毛可以展現(xiàn)出自身強壯、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，在我國并沒有機會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)里常見的藍色“閃電俠”——普通翠鳥，各種野生鴨類（比如杭州西湖的?？汀?strong>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
學了這么多新知識的你還等什么？趕快出門觀鳥，去發(fā)現(xiàn)身邊的結(jié)構(gòu)色吧！
參考文獻：
[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（第二版）[M].北京:北京師范大學出版社. 2012.
編譯 / 餛飩
圖文編輯 / 雨笑笑笑
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