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极乐鸟酷炫求偶仪式的颜色机制:或带来新超黑材料
发布:lee_9124   时间:2018/2/8 11:37:51   阅读:169 
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雄性华美极乐鸟(又称华美风鸟,学名:Lophorina superba)能表演世界上最为特别的求偶舞蹈。为了赢得雌鸟的芳心,雄鸟会把双翼展开,组成类似碟形卫星天线的形状,头顶、胸部的蓝色羽毛分别形成两个蓝点和一条蓝色条带。接着,雄鸟围着灰褐色的雌鸟来回跳跃,展示图案,而雌鸟似乎既感到好奇,又有点被吓到。
 
 


普通羽毛(左)与雄性极乐鸟黑色羽毛(右)的结构对比,下方是二者镀金之后的结果,可以看到极乐鸟羽毛依然保持黑色。

极乐鸟科(Paradisaeidae)又名天堂鸟、风鸟,有着复杂多样的羽毛和求偶技巧,不过它们还有一个值得注意的共同点:黑色羽毛。乍听之下这似乎没什么特别,但近期发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上的一篇论文揭示,这些羽毛能吸收99.95%的光线。换句话说,它们的颜色已经接近纯黑。目前世界上已知最黑的物质是碳纳米管黑体,能吸收最高达99.965%的可见光。

极乐鸟的黑色羽毛之所以能这么“黑”,原因在于它们呈现出一种“混乱森林”式的结构。与典型的鸟类羽毛不同,雄性极乐鸟的黑色羽毛在结构上更为混乱。典型鸟羽或多或少都有结构整齐的分支,有点像分形图案;而天堂鸟的羽毛看起来则像是一片树枝交错的森林。这会导致羽毛中出现大量的空洞。“光线照射在羽毛上面时,会在这些空洞中反复散射,”论文第一作者、哈佛大学演化生物学家达科塔·麦科伊(Dakota McCoy)说,“每一次散射,就会有一小部分光线被吸收,这就是羽毛最后变得如此之黑的原因。”

这种机制十分特别,因为人造超黑材料的原理并不是基于混乱,而是基于严格的结构形式。这里需要提到一个有趣的数据:极乐鸟黑色羽毛能吸收99.95%的直接入射光线,即来自正前方的光,也就是雌鸟所站的方位;如果是来自侧面的光线,吸收数值更可能是96.86%。

这就是所谓的结构性吸收,与色素在动物界中的作用模式有着本质的不同。例如,鹦鹉羽毛上的色素能吸收特定波长的光,同时反射其他波长的光,从而表现出色彩。相比之下,极乐鸟的极黑羽毛在结构性吸收上的特点则是让光线在“丛林”结构中一直“反弹”,不断被吸收。

雄性极乐鸟在羽毛结构上的这种变化有着非常合理的原因:性。让我们回到华美极乐鸟的求偶舞蹈上。这种蓝黑色小鸟的双翼张开时就如同一张黑色幕布,将蓝色圆点和条带凸显得异常鲜艳。这些蓝色也是一种结构性颜色,只不过不是结构性吸收,而是结构性反射。因此,在不同的角度,可以看到蓝色光泽的变化。与黑色羽毛一样,这些蓝色羽毛的颜色机制也与反射或吸收不同波长光线的色素不同。

“我们认为,这些羽毛的全部意义就在于欺骗雌鸟的眼睛和大脑,使它觉得照亮雄鸟的光线要比实际情况少很多,”麦科伊说,“因此在它眼中,世界就变成一个极黑的背景,中间出现鲜明的蓝点,这个点看起来要比实际更亮,甚至亮得像会发光。”蓝色的点和条带甚至可能看起来就像悬浮在空中一样。

精致的求偶舞蹈与骄傲无关,而是性选择的结果。雄鸟之所以这么卖力表演,是因为雌鸟对交配对象十分挑剔。关于这种行为的演化一直是存在争议的问题,但很可能在很久以前,雄性极乐鸟的美丽羽毛就成为了健康的标志,象征没有寄生虫的侵扰。雌鸟对羽毛华丽雄性的挑选,无意中引发了一场“军备竞赛”,雄鸟的表演变得越来越华丽、夸张。因此,到了今天,具有极黑色和亮蓝色羽毛的雄鸟可能并不一定更加健康,而可能只是在虚张声势。这也能解释为什么雌鸟的羽毛颜色会如此单调,极黑的羽毛并不是适应特征——比如能在黑夜里更好地伪装,否则两种性别的鸟应该都会如此酷炫才对。

有趣的是,为什么我们在其他鸟类身上看不到这样的羽毛结构?毕竟,从某种意义上,能吸收几乎所有光线意味着可以隐形了。“可能是因为这会影响羽毛的防水能力,也可能长出这样的羽毛代价更高,”加州科学院鸟类和哺乳动物部负责人杰克·邓巴彻(Jack Dumbacher)说,“肯定存在某种缺点。可能这些羽毛的磨损更快,需要更经常进行补充。”

不过,显而易见的是,演化出极黑的羽毛已经为雄性极乐鸟带来了好处,而人类也可以从中得到启发。麦科伊和她的团队利用扫描电子显微镜对这些羽毛进行了成像,发现用这种技术,电子束往往会使样品带上静电,导致图像质量变差。因此,他们必须首先对羽毛进行处理。

“我们用金来喷涂羽毛,使其可以在显微电镜下进行观察,”麦科伊说,“但我们很惊奇地发现,即使整个表面镀上了一层5纳米厚的金,羽毛看起来仍然是黑色的。”看起来,这些极黑的羽毛不会轻易褪色。

对材料科学领域来说,这或许是一个重大消息。在实验室中制造超黑材料是基于整齐的光散射——比如在材料表面整齐地放置许多微小的圆锥体。如果说极乐鸟的黑色羽毛是混乱无章的重金属音乐,那人工超黑材料就是精确而优雅的古典音乐。因此,材料科学家或许能从这种混乱中获得灵感,利用角蛋白(组成羽毛,以及我们的头发和指甲的主要物质)研制出新型的超黑材料,特别是考虑到目前常规的超黑材料往往十分脆弱。

“羽毛其实非常坚韧,它们很难折断,而且它们是由非常廉价的物质组成的,”麦科伊说,“因此,如果我们能够用3D打印或其他简单低廉的方式来制造这样的材料,我想会非常有用。”


来源:新浪科技
 
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