蝴蝶翅膀显色的机理

蝴蝶翅膀的显色机理

应物31 王聪 2130903014

摘要：蝴蝶的翅膀具备极其丰富的体色，这些颜色的来源大致可

以分为两大类。一类主要依靠昆虫身体表面的化学色素显色，这

样形成的色彩被称为色素色或化学色。蝴蝶还有很多透光鳞片，

而且鳞片还具备沟、脊和瓦片状等纷繁复杂的微小构造，光线在

这些结构之间发生复杂的折射、衍射和反射，最终会由于干涉效

应呈现彩虹般的梦幻色彩。这些颜色是光线在物理结构上变出的魔

术，被称为结构色或物理色，这是昆虫体色的另一类来源，也是本

文所讲的重点。

关键词：蝴蝶、颜色、微观结构、干涉反射。

依靠昆虫身体表面的化学色素显色，这样形成的色彩被称为色素色或化学色。不过，很多昆虫并不仅仅依赖化学色素装扮自己，蝴蝶就是如此。作为鳞翅目昆虫，蝴蝶的两对翅膀上生有表皮细胞演化而来的无数鳞片，排列整齐地覆盖在半透明的基膜上。不同种类的蝴蝶鳞片中含有不同的化学色素，从而具备了不同的原色。当自然光照到化学色素上时，色素分子吸收，反射特定波段的光，从而产生人们看到的色彩。我们看到的大多数具有色彩的物体表面都是如此。

此外，蝴蝶还有很多透光鳞片，而且鳞片还具备沟、脊和瓦片状等纷繁复杂的微小构造，光线在这些结构之间发生复杂的折射、衍射和反射，最终会由于干涉效应呈现彩虹般的梦幻色彩。这些颜色是光线在物理结构上变出的魔术，被称为结构色或物理色，这是昆虫体色的另一类来源。下文以蓝色大闪蝶为例，说明其微观结构如何产生蓝色反射。

左图为蓝色大闪蝶，大家可能认为蓝色大闪蝶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，而之所以看起来这么亮这么蓝，全是鳞片结构色的功劳。

右图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。【图片来自 E.RebeccaCoath.,2007和HowStuffWorks】

我们都知道，光从一种介质进入到另一种介质，会同时发生光的反射和折射。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，具有了干涉的基本条件。而当光发生相长干涉时，即满足n1*2d/cosθ = kλ时，会对该λ波长的光产生极强的反射现象，所产生的光亮度则是色素发光没法儿比的。

把视线移回到蓝色大闪蝶的翅膀。它透明鳞片上的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，而这些反射光线能否发生相长干涉，就取决于相干光波的位相差，蓝色大闪蝶无论是它的厚度，材质，还是它树状脊脉上薄膜的位置，都适合蓝光发生相长干涉。鳞片绽放出的绚丽光彩，正是蓝光相干干涉的产物。

【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。图片来自

E.RebeccaCoath.,2007

】

当然，如果有观察角度的改变，进入眼睛的干涉光线的光程差也会改变，干涉色的效果也会受影响。

图中两只紫斑环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

来自ifoundbutterflies。分布于南亚的紫

斑环蝶，它的翅膀上有两种鳞片，由产生蓝

色结构色的鳞片和产生黑色化学色的鳞片

组成。使得紫斑环蝶舞动时，翅膀的颜色在

绚丽的蓝色和黯然的黑色之间来回变幻。和

镀膜镜头产生的反射色变化一样，镀膜镜头

反射出特定颜色也是由于薄膜干涉引起的。

这也是蝴蝶翅膀的微观结构产生了其绚丽

色彩的有力证据。