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提问:蓝莓到底是什么颜色?真相没几个人知道!

中科院物理所  · 公众号  · 物理  · 2024-10-30 11:30

正文

颜色,是植物的一种语言。


通过颜色,我们可以看到不同植物在自然界中的适应与竞争,一只通红的苹果,一支正在盛开的粉色花朵以及结满黄色果实的柚子树,这些代表性的颜色都在潜移默化中传递着植物生存的智慧。


图源david  speer


但是,纵观整个自然界,蓝色的植物(包括花朵、果实)却并不常见,蓝莓或许是你能最先想到的蓝色植物(果实)。然而,违反常理的是,如果将蓝莓榨成汁,呈现出来的颜色却是深红紫色并非靛蓝色。


低寒品种的蓝莓 图源diggers


蓝莓的蓝色究竟从何而来?

自然界中的蓝色为何这么稀少?





颜色的由来

17世纪中叶,科学家艾克萨·牛顿做了一个著名实验:光的色散。他让一束白光穿过三棱镜,结果白光被分离成了从红色到紫色的可见光谱,出现这种现象的原因则是由于白光在棱镜中发生了折射,而每种颜色的光其实都有着不同的频率,因此在穿过棱镜时速度也不同,导致颜色会以不同的角度弯曲,分离成可见的光谱。

一束白光穿过棱镜,呈现出色谱 图源BBC bitesize


这个实验表明,白光其实是由多种颜色混合而成,当不同频率的光(如太阳光)照射到我们的眼睛时,我们的大脑就会自动将不同的颜色组合为白色。


但是,如果白光打在其他地方,情况就发生了变化。例如路边上常见的蓝色交通指示牌,在太阳光照射在表面上时,大多数颜色都会被吸收,而蓝光会被反射,因此,从交通指示牌上照射到我们眼睛上的光主要是蓝光,标志在我们眼中看上去也是蓝色的。


交通指示牌 图源网络


同样的原理也适用于我们日常生活中看到的大多数事物,蓝莓呈现蓝色是因为反射了蓝光,树叶在绿的时候是因为反射了绿光并吸收了其他颜色。


简单来说,我们眼中看到的这个多彩世界是因为白光照射在物体上,某些颜色被反射,其余颜色被吸收。


苹果的红色反射到我们的眼中 图源dentalcare


了解了颜色的由来,接下来我们要更进一步——是什么决定了哪些颜色会被反射呢?





蓝莓的蓝是什么蓝?


众所周知,植物体内都含有生物色素,这些色素中的分子以不同的方式与不同颜色的光相互作用,就能选择性吸收某些颜色的光并反射其他颜色的光,这也是颜色的第一种产生方式。


叶绿素就是一个典型例子,许多需要进行光合作用的植物都有叶绿素,在太阳光照射过来时,其中的红光、蓝光、黄光等颜色的光几乎都会被吸收,唯独绿光不会,相反,绿光会被反射,让植物看起来是绿色的。


 树叶反射绿光 图源vedantu


按照这个思路,许多人也认为蓝莓呈现蓝色也是由于蓝莓中含有花青素。但最新的研究明确表明,蓝莓颜色的产生并不是由其中的色素决定的,因为蓝莓中虽然含有高浓度的花青素,不过其散射曲线一般为深红色,与果皮上的靛蓝色完全不同,而在剥开蓝莓的果皮后可以看到深红色的果肉。


蓝莓表皮撕开后,果肉是红色的



那么,蓝莓如何产生蓝色呢?


答案来自颜色的第二种产生方式:结构色。这种形式的颜色不太常见,但却能产生自然界中极其鲜艳的颜色。与第一种颜色产生的方式不同,非吸收分子的纳米结构可以通过波干涉与光的相互作用,反射出明亮的、高饱和度的颜色。


自然界中结构色的例子 图源biomimiicry


那么蓝莓的结构色从哪儿来的呢?不知道大家有没有注意过,蓝莓表面总是覆盖着一层白白的、像霜一样的物质,这其实是它们的保护蜡,很多植物都有。这种植物保护蜡具有自我排序和自我修复能力,决定了植物的大部分特性,比如疏水性、自清洁以及对昆虫和微生物病原体的抵抗力。


蓝莓表面的保护蜡 图源plantura


显然,植物保护蜡与纤维素等生物材料一样,是研究的热门,但令人惊讶的是,对于保护蜡的研究主要集中在它们表面的疏水性,而对保护蜡的光学特性研究甚少。


来自英国布里斯托尔大学的研究员罗克斯·米德尔顿关注到了这个领域,他对蓝莓蓝色来源很感兴趣,于是取下了蓝莓表面蜡质的样本,并将其重新结晶,结果复现了蓝莓表面的靛蓝色。


通过扫描电子显微镜观察发现,蓝莓表面蜡质涂层中晶体结构随机分布,这些晶体结构会散射蓝色和紫外线,从而使蓝莓呈现出了独特的靛蓝色外观。


体外重结晶再现结构色保护蜡 图源研究论文附图





蓝色为何罕见?


在自然界,蓝色很少出现在生物体上。少数带有蓝色的物种如风铃草、蝴蝶和热带青蛙,基本上也是依靠结构色来产生这种颜色,其目的主要是防御捕食者。即使是蓝色的岩石和矿物,如蓝宝石和青金石,自然界中也极为稀少。


蓝铜矿 图源serge briez


这背后的原因在于:天然蓝色色素在动植物中几乎不存在。并且相较于红色光等波长较长、能量较低的光来说,反射蓝光需要一种能够吸收少量能量的低能光子,以此来吸收光谱中的红色部分,植物很难生成这种大而复杂的分子。因此结构色就提供了一条成本较低的“变蓝”途径。

 鸟类的鲜艳蓝色羽毛 图源wrea rodsawang


尽管蓝色在自然界中很罕见,但人类通过模仿颜色的两种产生方式,已经创造出了丰富多彩的蓝色。无论是利用化学方法调制颜料,还是利用光线和结构的巧妙反射,已经让蓝色从稀有变为了生活中常见的点缀。

参考资料


  1. Self-assembled, disordered structural color from fruit wax bloom
  2. https://doi.org/10.1126/sciadv.adk4219
  3. Bio-inspired Materials: Structural Color in Nature
  4. https://www.sbnature.org/publications/blog/2/posts/66/bio-inspired-materials-structural-color-in-nature
  5. Why is the color blue so rare in nature?
  6. https://www.livescience.com/why-blue-rare-in-nature.html


作者:鱼鱼

责编:董小娴

审核:刘鲲 李培元


来源:蝌蚪五线谱

编辑:紫竹小筑


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