蝴蝶是唯美自由的象征，也是重生和快乐的符号，但它最令人津津乐道的，是翅膀上绚丽的花纹和色彩，这几乎是自然界最绚丽的作品。当飞行员开着飞机在南美的热带雨林上空飞过，隔着半英里都能看见大闪蝶翅膀散发的蓝色光芒。而这样醒目鲜艳的颜色，还会随着观察角度的不同发生变化。它为什么这么炫，怎么这么炫？接下来，就让我们解开蝴蝶颜色如此绚丽的秘密吧！
蝴蝶翅膀上的26个字母，美国摄影师桑德·韦德花了24年的时间从世界各地搜集。图片来自tech网站
假如我们在光学显微镜下观察一只孔雀蛱蝶（Aglais io），放大100倍时，可以看到黄色的鳞片。这些覆盖它们的半透明翅膜表面的鳞片，在这只蝴蝶翅膀上拼出了美丽的花纹。假如把它挪到电子显微镜下，放大5000倍，我们会发现这些鳞片表面不平整，有脊、沟和瓦片状的细微结构。
孔雀蛱蝶，蛱蝶科（Nymphalidae），麻蛱蝶属（Aglais），在显微镜下逐步放大的样子。图片：wikipedia
蝴蝶翅膀颜色的来源，就是鳞片内含有的色素和鳞片的这些细微结构，称之为鳞片的化学色和结构色。
所谓化学色，是指鳞片由于含不同色素而显现出不同的颜色。蝴蝶翅膀的色素一般有黑色素（melanins）、黄酮类物质（flavonoids）、蝶呤（pterins）和眼色素（ommochromes）等四种。
蝶呤可以增强光线在单个鳞片里的反射，因而蝶呤含量高的鳞片会表现出艳丽的色彩。而黄酮类物质可以吸收UV（即紫外线），UV的吸收量会被天气（比如晴空万里或乌云密布）和周围的环境（比如绿树成荫或寸草不生）所影响，从而影响黄酮类物质颜色的强度。黑色素是高分子聚合物，会同时吸收UV和可见光，一般表现为蝴蝶翅膀斑斓花纹底下“默默付出”的黑色和深棕色背景。
Christina Brodie画的各色蝴蝶鳞片，鳞片多了，什么样的都有。图片：microscopy-uk
每片鳞片都由一个表皮细胞产生，有自己独特的颜色。各色的鳞片像瓦片一样彼此重叠，拼凑出眼点、条纹和渐变色等等图案。
左图：孔雀蛱蝶的鳞片。右图：孔雀蛱蝶的鳞片拼成渐变色。图片：sciencephotolibrary
阿波罗绢蝶（Parnassius apollo），绢蝶科（Papilionidae），绢蝶属（Parnassius），它翅膀上的鳞片拼成眼点。图片：sciencephotolibrary
但是鳞片的色素是不稳定的，在蝴蝶死亡后，色素会分解消失。所以蝴蝶标本的颜色就会慢慢地褪去。
结构色是鳞片表面的微观物理结构产生的。这些微观结构，比如鳞片内的多层片状薄膜（也叫肋状结构/肋片），使光波发生干涉、衍射和散射而产生比化学色更加绚丽的颜色。这些色彩可以因不同视距、视角等因素而变化，泛着金属般的光泽，又称为彩虹色。
分布在南美和中美的蓝色大闪蝶（Morpho Didius），闪蝶科（Morphidae），闪蝶属（Morpho）。图片：wiki
几乎没有蝴蝶不具有结构色，尤其是闪蝶科和凤蝶科的蝴蝶。绿带翠凤蝶如荧光般的蓝色和绿色、多眼灰蝶若隐若现的淡蓝色、曲带闪蛱蝶华丽的紫色闪光都是结构色的杰作。以大家熟悉的蓝色大闪蝶为例，大家可能以为它的翅膀上应该铺满了亮蓝色的鳞片。其实，它的鳞片是透明、暗淡的棕色，之所以看起来又亮又蓝，全是结构色的功劳。
这是蓝色大闪蝶鳞片的微观结构图。a）鳞片的放大图。b）从正面看一片鳞片发现它表面有很多条状物。c) 再把它夹起来看它的横切面看出这些条状物上窄下宽。d) 再放大，我们可以看到这是一种左右长有多层几丁质肋片的脊脉。图片：E. Rebecca Coath., Dimensions（2007）和HowStuffWorks
我们都知道，光从一种介质进入另一种介质，会同时发生反射和折射。如果一束自然光（白光）进入一个厚度为d的薄膜，会在薄膜的上表面发生一次反射，同时折射进入薄膜。由于白光是由各色光组成的，各色光的折射角不一样，第一次折射就将赤橙黄绿青蓝紫不同波长的光分离出来了。这些不同波长的光再遇到薄膜的下表面，又会发生一次反射和折射，若存在多个薄膜则依次类推。这样，各色光线的第二次反射光线，和它们的第一次反射光线，频率相同，传播方向相同，发生了相长干涉，就能产生色素发光没法儿比的光亮度。
上图：白光遇到薄膜时发生的折射和反射。下图：当两列相干光波相遇时，如果位相差异为波长的整数倍，那么它们的波峰会和波峰相遇，波谷会和波谷相遇，光波的振幅变大，亮度提高，这种现象叫做相长干涉（constructive interference）。图片：HowStuffWorks
蓝色大闪蝶的透明鳞片，其上树状脊结构的每个肋片，都是一片薄膜，薄膜之间都隔着空气层。自然光会不断地在空气层和肋片里发生反射和折射，产生多种颜色的、可以发生干涉的反射光线。
蓝色大闪蝶鳞片上的树状脊脉以及肋片结构示意图。图片中标出的d1、d2、h、θ、Φ等因素，都是决定结构色的关键。图片：E. Rebecca Coath., Dimensions（2007）
而这些反射光线能否发生相长干涉，就取决于相干光波的相位差。这相位差打哪儿来？就是第二条反射光线比第一条反射光线多在薄膜里转悠的那一圈儿。这取决于薄膜的厚度、薄膜的材质、光波的波长、光线的入射角度等等。
蓝色大闪蝶的翅膀，再放大来看看树状的脊脉。图片：Laser Focus World
没错，蓝色大闪蝶鳞片绽放出的绚丽光彩，正是蓝光相长干涉的产物。无论是它的厚度、材质，还是它树状脊脉上薄膜的位置，都是那么适合蓝光发生相长干涉，无数条蓝光的反射光线发生相长干涉，能产生巨亮的蓝光，盖过其它颜色，甚至让飞行员开着飞机在南美的热带雨林上空飞过，隔着半英里都能看见。
再感受下蓝色大闪蝶的闪耀，这是结构色的魔法。图片：The Darwin Sect
鳞片的化学色构成蝴蝶静态的美丽花纹，而结构色，则赋予静止花纹以生命，让它随着光线发生动态的变化。正是这两种色彩的水乳交融，让自然界造就出那么多色彩斑斓的蝴蝶。
柳紫闪蛱蝶（Apatura ilia），蛱蝶科（Nymphalidae），闪蛱蝶属（Apatura），左图中的是雌蝶，右图中的是雄蝶。图片：wiki
柳紫闪蛱蝶，这种原生于欧洲和亚洲大部份地区的蝴蝶，它翅膀正面的黑色部分，就是由黑色的化学色和宝蓝色的结构色组成。所以它扑闪翅膀的时候，我们就可能看见不同的颜色，时而是深沉的黑色，时而是闪闪的蓝紫色。
紫斑环蝶（Thaumantis diores），环蝶科（Amathusiidae），斑环蝶属（Thaumantis）。图中两只蝴蝶由于拍照角度不同，翅膀上呈现的蓝色萤光的程度也不同。图片来源见水印
分布于南亚的紫斑环蝶，它的翅膀上有两种鳞片，包括产生蓝色结构色的鳞片和产生黑色化学色的鳞片。因而，舞动的紫斑环蝶，翅膀颜色在绚丽的蓝色和黯然的黑色之间来回变幻。
荧光裳凤蝶（Troides magellanus），凤蝶科（Papilionidae），凤蝶属（Troides）。左边：雄蝶标本。右图：上为雄蝶，下为雌蝶。图片：wikipedia
荧光裳凤蝶又叫珠光凤蝶，目前仅发现分布于菲律宾、台湾的兰屿岛，它是台湾最大的蝴蝶。荧光裳凤蝶以其罕见的彩虹色而出名，当它的翅膀慢慢收起，或是从侧面观察的话，金黄色的后翅会变成美丽的蓝绿彩虹色。 当它在花朵上自由地翩翩起舞时，就能看到它在阳光下变幻着绚烂的衣裳，像精灵一样美丽。
从后侧观察荧光裳凤蝶，可以看到金黄色的翅膀披上了蓝绿色的“荧光”。这是结构色和化学色（半透明的金黄色鳞片）一起作用的结果。图片：wikipedia
若是有机会邂逅，不妨安静欣赏。
联系客服
