Университетов (оба — Великобритания) создали искусственную структуру, которая по своим оптическим свойствам и форме, а также расположению отдельных наноразмерных элементов соответствует крыльям индонезийской бабочки Papilio blumei .

Чешуйки на крыльях P. blumei, определяющие их яркий цвет, покрыты сетью микроскопических углублений. «Обычному человеку чешуйки этой тропической бабочки кажутся ярко-зелёными, — рассказывает один из авторов исследования Матиас Колле (Mathias Kolle), — но при наблюдении с помощью определённого оптического оборудования они представляются синими. Именно этим можно объяснить эволюционную необходимость появления такого вида окраски: бабочка легко замечает своих ярко-синих сородичей, а хищники видят лишь зелёные пятна на зелёном тропическом фоне».

В своих опытах авторы использовали несколько технологий создания тонких слоёв материала (методики осаждения атомных слоёв , осаждения распылением и некоторые другие). В итоге был сформирован аналог поверхности чешуек с их характерными углублениями. Сверху структура была покрыта чередующимися слоями оксидов алюминия и титана.

По мнению учёных, уникальные оптические свойства полученных «чешуек» позволяют использовать их для защиты ценных бумаг. «Конечно, нам ещё нужно оптимизировать процесс производства таких структур, но в будущем они, надеемся, займут своё место на купюрах и в паспортах», — замечает г-н Колле.

Чешуйки P. blumei. Масштабные полоски — 200 (сверху) и 20 мкм.

До недавнего времени химики считали, что окраска всех материалов, в том числе текстильных, зависит только от присутствия в них красителей и пигментов, способных поглощать какую-то часть лучей видимой части спектра и пропускать (если материалы прозрачны) или отражать (если они непрозрачны) остальные длины волн. Ту часть спектра, которую отражают материалы, наш глаз и воспринимает как цвет. Так учили специалистов по синтезу и применению красителей, так было написано в учебниках, и именно таков механизм химической или абсорбционной окраски.

Примерно 20 лет тому назад оказалось, что природа уже многие миллионы лет может создавать окраску и без специальных окрашенных веществ - только за счет упорядоченных структур очень маленьких размеров (наноразмеров). Этот механизм окрашивания, в отличие от «химического», основан только на оптических принципах. Когда свет отражается от наноэлементов, структурированных в полислои - решетки, кружева, бороздки, то, поскольку размеры этих элементов соизмеримы с длиной волны света, происходит интерференция, дифракция и рассеивание волн - в результате мы видим цвет. Такую окраску оптического происхождения назвали «структурной». Оказывается, она, наряду с обычной, встречается в природе довольно часто - у насекомых, птиц, рыб, морских моллюсков и растений.

Структурная окраска в живой природе существует примерно 500 миллионов лет. Можно считать, что первый намек на понятие «структурная окраска» появился в XVII веке у естествоиспытателя Роберта Гука, в его книге «Micrographia ». Ученый изложил свою теорию цветов и объяснил окраску тонких слоев отражением света от их верхней и нижней границ. Фактически это было первое упоминание интерференции. Правильное объяснение структурной окраски впервые дал лорд Джон Уильям Стретт Рэлей в 1917 году. Он вывел формулу для выражения свойств отраженного света регулярных слоистых структур и утверждал, что окраска двойного кристалла, старого потрескавшегося стекла и покрова жучков и бабочек обусловлена не пигментами, а структурой этих материалов. Также Рэлей заметил, что эти «оптические системы характеризуются размером, соизмеримым с длиной волны падающего света».

Следующий толчок к изучению структурной окраски дала появившаяся в 30–40-е годы ХХ века электронная микроскопия. С ее помощью удалось изучить строение перьев, в которых тонкие слои кератина чередуются со слоями воздуха, и доказать, что именно строение - причина радужной окраски. А еще электронная микроскопия показала, что разнообразная окраска крыльев бабочек семейства Morplro и других тоже возникает за счет структуры чешуек (рис. 1). Размер их ячеек и геометрия определяют длину волны отраженного света и его интенсивность (в случае бабочек Morplro мы видим сине-голубой цвет). Как правило, именно бабочек Morplro упоминают, когда речь заходит о структурной окраске. Микроскопическая структура их чешуек, равно как и моли Urania , изучены лучше всего (рис. 2).

Систематические исследования перьев птиц, покровов насекомых, чешуи и кожи обитателей морей и океанов продолжаются до сих пор. Оказалось, что в животном мире существует три вида окраски: только структурная (бабочки Morplo ), только пигментная (как у бабочки лимонницы) и структурная в сочетании с пигментной. Синий цвет крыльев часто создается структурной окраской, за счет чешуек, но если к ним добавляется желтый пигмент, то появляется дополнительный зеленый цвет.

Почему мы видим цвет там, где нет цветного пигмента? Когда свет взаимодействует с тонкой прозрачной пленкой, часть его отражается от ее внешней поверхности, остальной свет проходит через пленку до ее нижней границы, снова отражается, проходит через пленку до верхней ее границы и присоединяется к уже отраженному свету от поверхности (рис. 3).

Поскольку свет проходит путь, равный толщине пленки, волна, отраженная от верхнего края пленки, может совпадать или не совпадать по фазе с тем светом, который отражен от нижней границы. Фактически оба отраженных потока, от внешней и внутренней поверхностей пластины, складываются или вычитаются. Если фазы отраженного света от верхней и нижней поверхности не совпадают, то мы не видим окраску: это называется деструктивной интерференцией. Когда фазы совпадают, мы видим цвет - это конструктивная интерференция (рис. 4). Естественно, разница в фазах двух видов отраженного света будет зависеть от толщины пленки, коэффициента ее преломления, угла освещения и длины волны падающего света. При определенной толщине пленки, определенном коэффициенте преломления и полихроматическом освещении (белым светом) мы можем увидеть только один цвет. В других случаях на крыльях и панцирях (рис. 5) мы наблюдаем весь спектр цветов, в том числе глубокий черный и белый, радужную окраску, опалесцирующую.

Если интерференция происходит не в одной пленке, а в многослойном пакете прозрачных пленок, то конструктивная интерференция усилится и окраска будет более интенсивной. Такие многослойные прозрачные конструкции встречаются в оперении птиц, в покровных тканях насекомых, в чешуйках обитателей морей и океанов. Окраска этих живых организмов бывает самых разных цветов, в том числе радужной и переливчатой. У птиц оптические системы формируются комбинацией пигмента меланина, белка кератина и воздуха, а у бабочек исходный материал - азотсодержащий полисахарид хитин и пигменты.

Простейший пример радужной окраски - это тонкая пленка масла, керосина и других органических соединений на воде или красочные мыльные пузыри. Радужная и переливчатая окраски отличаются от структурной тем, что их цвет и оттенок меняются в зависимости от угла зрения наблюдателя. Но физическая природа у них одинаковая.

Как влияют различные условия на преломление света и на изменение структурной окраски, наблюдать довольно легко. Например, если на крыло бабочки (со структурной окраской) капнуть растворителем с другим коэффициентом преломления, чем у воздуха, то и окраска изменится, согласно законам интерференции. Так, капля ацетона (коэффициент преломления 1,38, воздуха - 1,0) изменяет цвет крыла с синего на зеленый. После испарения ацетона окраска возвращается. Если ацетон заменить растворителем с коэффициентом рефракции 1,56, близким к кутикуле (это плотный слой на поверхности чешуек), то все слои чешуйки образуют гомогенную оптическую систему, интерференция исчезнет вместе со структурной окраской - останется видимым только коричневый меланин.

Очень важная характеристика оптических свойств - то, как организована периодическая структура (1D, 2D, 3D), то есть в скольких направлениях может изменяться поток падающего света. Если в одном или в двух направлениях - это дифракционная решетка, если в трех измерениях - объемная структура или фотонный кристалл. Если периодичность трехмерна (3D), то мы видим окраску независимо от угла зрения. Классический пример фотонного кристалла - опал. Он играет роль оптического фильтра, и именно этими свойствами обусловлены яркие и красочные цвета опала, которые мы видим. В природе подобные 3D структуры обнаружили в хитиновых покровах жуков и на крыльях африканских бабочек-парусников.

В окраске бабочек встречаются и вариации структуры, которые называют «обратный опал». Это означает, что вместо плотно упакованных сфер на крыльях бабочек есть особая решетка (сетка из кутикулы) с дырочками, заполненными воздухом. Конечно, подобные структуры очень интересны, в том числе и для создания искусственного фотонного кристалла нового типа. Фотонные рукотворные кристаллы широко используют в оптике, в лазерной технике, в производстве волноводов и электроники.

Природные технологии - самые совершенные. Повторить их трудно, но начиная с 60-х годов ХХ века совместные исследования биологов, зоологов, физиков, химиков, математиков начали давать результаты в теоретической и практической биомиметике. В области колористики также начались первые попытки имитации структурной окраски. Безусловно, такая технология имела бы свои преимущества. Во-первых, синтез красителей - это довольно энергоемкое и малоэкологичное производство. Во-вторых, структурная краска устойчива к свету в отличие от традиционной, которая практически всегда выцветает со временем. Но пока структурная окраска - это новая сложнейшая нанотехнология с кучей нерешенных проблем.

Например, уже описана технология получения из коллоидного раствора пленок со структурной окраской. Первоначально полученные пленки были белыми - свет очень сильно рассеивался из-за дефектов в структуре кристаллической пленки. Но потом туда добавили частицы, которые абсорбировали рассеянный свет, и проявилась структурно окрашенная в синий цвет пленка. Кстати, крыло бабочек Morpho супергидрофобно, в чем не уступает лотосу, и эту пленку тоже удалось сделать гидрофобной. Перспектива использования нового материала - самоочищающиеся окрашенные поверхности.

Исследовательская группа университета Калифорнии (Сан-Диего) в 2009 году получила новые полимерные материалы, изменяющие окраску под действием магнитного поля. В магнитном поле микросферы (наночастицы оксидов железа), добавленные в полимер, ориентируются определенным образом и формируют фотонный кристалл, дающий цвет. Возможные области применения этой технологии - дисплеи, многократно используемая бумага со стирающимся текстом, защита ценных бумаг, экологически чистые пигменты, краски, косметика, чернила для печати и т. д.

Можно найти примеры случайной биомиметики в производстве текстиля. Так, определенная периодичность в структуре поверхности синтетических волокон приводит к интересным цветовым и тактильным эффектам. Такую ткань сделали в Японии - она называется «shingosen » (что буквально значит «новое синтетическое волокно» и созвучно названию известного сборника японской средневековой поэзии). Появились новые волокна с наноструктурированной геометрией поверхности. Специальная технология прядения, условия продавливания через фильеры расплава или раствора полимера и осаждения не только дают повышенную плотность волокон, но и формируют периодическую структуру на их поверхности. Такие волокна благодаря интерференции и рассеянию света ярко и радужно окрашены, как крылья бабочек. Кроме того, подобная структура поверхности улучшает смачиваемость гидрофобных синтетических волокон.

Текстильщики предлагают также «микрократерные» волокна, поверхность которых покрыта углублениями с диаметром несколько сот нанометров. Они хорошо рассеивают падающий свет, что углубляет окраску. Этот принцип в природе используют многие насекомые черного цвета.

Пока природа лучше, чем человек, справляется со многими задачами. Но человек понемногу учится делать все более сложные вещи, поэтому, может быть, завтра производство тканей цвета крыла тропической бабочки или морского перламутра станут рядовыми технологиями.

Фотонные структуры бабочек

Некоторые бабочки, такие как бабочка Морфо Менелай из Южной Америки и самец горной бабочки Парусник Улисс, обитающий в северной части Австралии, известны своей великолепной радужной окраской. В 2001 году, Пит Вукусик из университета Эксетера обнаружил, что лазурная окраска бабочек возникает благодаря оптической интерференции . Чешуйки на крыльях имеют многослойность, которая отражает световые волны, так что они проходят разные расстояния. Дело в том, что при некоторых длинах волн, свет, отраженный с верхней и нижней поверхностей, будет проходить расстояние равное общему числу волн, так что вершины волн совпадают с вершинами других волн (Рис. 1). Это называется усиливающей интерференцией , благодаря которой этот цвет (синий у этой бабочки) становится намного ярче и чище.

Даже одинарные дифракционные решетки трудно объяснить с помощью дарвиновской цепи постепенных этапов развития. А образование двойных дифракционных решеток объяснить объяснить вообще невозможно.

Таким образом, эти поразительные цвета создаются не пигментами, а чешуйками, образующими дифракционную решетку . Чешуйки представляют собой расположенные на равном расстоянии бороздки или ямки, которые разделяют белый свет на все его цветовые компоненты, но под определенным углом. Ослабляющая интерференция разрушает все цвета за исключением необходимого цвета, который является интенсивным, благодаря усиливающей интерференции . Эти чешуйки получили название «субмикрометровые фотонные структуры », т. к. они могут воздействовать на световые волны. Глубокий черный цвет, украшающий края крыльев бабочки, является результатом не черного пигмента, а фотонных структур, которые улавливают свет.

Это открытие помогло создать весьма эффективные покрытия под названием «Super Black». В будущем оно может быть использовано, также, для создания и других видов покрытий, имеющих поразительный цвет, но без химических отходов, образующихся при производстве пигментов и красящих веществ. Также, это еще один пример биомиметики , когда человеческие технологии имитируют чудеса природы, хотя на самом деле, берут уроки у Самого Творца этой природы.

Двойные решетки

Недавнее исследование показало, что на спинных крыльях бабочки Lamprolenis nitida расположены две концентрирующие дифракционные решетки, рассеянные по чешуйкам, которые издают два основных цветовых сигнала.

Это было новым открытием, т. к. «на сегодня неизвестно, чтобы у животных наблюдались множественные независимые сигналы, исходящие от отдельных фотонных структур в пределах того же самого субмикрометрового механизма» . Чешуйки образуют узор из поперечных ребер и бороздок, которые повторяются через два разных промежутка, а, следовательно, дают разные сигналы.

Исследователи говорят: «Множественные сигналы увеличивают сложность и специфичность оптической сигнатуры, таким образом, усиливая передаваемую информацию. Это может быть особенно важно во время внутриполовых столкновений, в которых радужные цвета крыльев самца используются для демонстрации угрозы» . Исследования показывают, что самцы производят сильные сигналы даже в плохо освещенных лесах, где они обитают и где солнечный свет проникает под купол деревьев нерегулярно. Кроме того, они помогают самкам находить нужный вид в среде, в которой обитает множество других видов.

Откуда взялись эти структуры?

На удивление, исследователи не стали предлагать эволюционную теорию для объяснения происхождения этих структур. Они опирались на факты и предложили вероятные функции использования данных структур. В действительности, даже одинарные дифракционные решетки трудно объяснить с помощью дарвиновской цепи постепенных этапов развития, в которой каждый последующий этап обладает преимуществом над предыдущим. А образование двойных дифракционных решеток объяснить еще труднее. Это действительно так, поскольку большинство бабочек прекрасно обходятся и без этих решеток, а стеклянницам вообще не нужны чешуйки. Поэтому нелогично допускать давление отбора. Отметим, что дарвиновская «теория полового отбора» не способна объяснить то, для чего, собственно, Дарвин ее и выдвинул. Доказательством этому служит знаменитый хвост павлина.

как свет отражается с разных поверхностей. Лазурная окраска бабочек возникает благодаря оптической интерференции, что является объективным свидетельством разумного Сотворения.

Больше биомиметики

Исследователи утверждают, что передовым человеческим технологиям было бы полезно копировать этот дизайн:

«Двойные решетки бабочек Lamprolenis nitida помогли бы решить проблему со спектрометрами, которая заключается в том, что функциональный диапазон их решетки ограничен, так что когда достигается спектральный предел, решетка должна механически меняться для следующих измерений. Установление двух решеток на отдельную саморегулирующуюся поверхность могло бы решить проблему».

Исходя из того, что реальная наука работает по аналогии , справедливости ради, следует отметить, что если уж наши дифракции предполагают разумный замысел, то улучшенная дифракционная решетка тем более указывает на объективные признаки замысла.

Один и тот же ген регулирует развитие пигментной и структурной окраски крыльев у бабочек

Окраска насекомых - в частности, крыльев бабочек - может формироваться двумя способами: при помощи пигментов или из-за оптических эффектов на поверхности их тела. Второй способ - так называемая структурная окраска - в основном дает «переливчатые» цвета. Новое исследование американских энтомологов, проведенное с целью уточнить механизм воздействия гена optix на пигментную окраску, показало, что он также связан с развитием одного из вариантов структурной окраски. Полученные в ходе исследований мутантные формы бабочек оказались похожи на особей других видов, что позволяет пролить свет на механизм не только развития, но и эволюции окраски крыльев бабочек.

Окраска крыльев бабочек привлекает внимание не только особей противоположного пола их собственного вида или коллекционеров (уже нашего с вами вида), но и эволюционных биологов, так как является наглядной моделью сложного, состоящего из многих элементов, морфологического признака, в развитии и эволюции которого взаимодействуют генетические, онтогенетические и экологические факторы. Исследования эволюции окраски крыла этих насекомых начались еще задолго до начала геномной эры в биологии: в частности, ею занимался известный российский энтомолог Борис Николаевич Шванвич, на надгробии которого даже изображен выведенный им архетип рисунка на крыльях бабочек (рис. 1).

При этом окраска насекомых (и крылья бабочек тут - не исключение) может быть разной природы: пигментной и структурной. Первая определяется специальными красящими веществами - пигментами, как у большинства животных. А вот структурная окраска возникает за счет оптических эффектов (дифракции, интерференции, рассеяния света и т. д.) в кутикуле. Часто это разнообразные «металлические», переливчатые рисунки.

В настоящее время открыто несколько генов, регулирующих окраску крыльев бабочек: optix, WntA, doublesex и cortex . Этот список оказывается неожиданно маленьким. При этом входящие в него гены, как было показано, отвечают не за наличие или отсутствие отдельных полосок или глазков, а за общие различия в рисунке между разными популяциями и видами. Точный же механизм действия этих генов остается неизвестным, как и то, насколько консервативна их роль в развитии окраски у этих насекомых (то есть насколько менялись их функции в формировании окраски в ходе эволюции).

Например, ген optix отвечает за различия в красно-оранжевом рисунке у видов из рода Heliconius : изменчивость окраски в гибридных зонах ассоциирована с изменчивостью в последовательности этого гена (см. R. D. Reed et al., 2011. optix drives the repeated convergent evolution of butterfly wing pattern mimicry. Кроме того, известно, что этот ген регулирует и развитие зацепок у бабочек - особым образом преобразованных чешуек на заднем крае переднего и на переднем крае заднего крыла, которые в полете сцепляют крылья и превращают их в единую плоскость (так называемая «функциональная двукрылость»).

Группа исследователей из Лаборатории эволюции и развития рисунков на крыльях бабочек Департамента экологии и эволюционной биологии Корнеллского университета (США) во главе с Робертом Ридом (Robert D. Reed) изучила работу гена optix у четырех видов бабочек из семейства нимфалид (Nymphalidae): Heliconius erato, Agraulis vanillae, Vanessa cardui и Junonia coenia . Эти виды были выбраны как представляющие разные филогенетические ветви внутри семейства: первые два относятся к подсемейству геликонин (Heliconinae), а последние - нимфалин (Nymphalinae). Для выявления роли гена optix в формировании окраски исследователи получили мутантных особей, нокаутных по этому гену, то есть особей, у которых этот ген не работал. Для этого с помощью технологии редактирования генома CRISPR/Cas9 удалили из генома копии этого гена.

Впервые роль гена optix в формировании окраски крыльев была показана как раз на модельном виде Heliconius erato , у которого его экспрессия в зачатках крыльев куколок оказалась локализована на тех участках, которые у имаго имеют красный цвет. В согласии с этим у особей H. erato с вырезанным геном optix красная пигментация, характерная для дикого типа, пропала, а место красного пигмента оммохрома занял черный меланин (рис. 2, А). Такая же картина наблюдалась и у более базального (то есть расположенного на филогенетическом древе ближе к общему предку всех нимфалид) вида A. vanillae (рис. 2, D) - притом, что предыдущие исследования экспрессии не выявили связи с рисунком на крыльях у этого вида. Так как применение технологии CRISPR/Cas9 привело к появлению мозаичных мутантов (некоторые клетки внутри особи не отредактировались и породили клоны с нормальным геномом), то эффект нокаута гена optix еще нагляднее виден на границе таких мозаичных областей, где оммохромы заменяются на меланин (рис. 2, B, E). При этом участки, черные и в диком типе (пятна на нижней стороне крыльев у A. vanillae ), остались черными и у мутантов (рис. 2, F).

Рис. 2. Влияние нокаута гена optix на морфологию и окраску чешуек у H. erato и A. vanillae. А - слева направо: окраска крыльев H. erato дикого типа и мутантная с сильной, слабой и средней степенью выраженности нокаута гена optix. Каждая пара крыльев происходит от мозаичного мутанта, у которого степень нокаута различалась в правой и левой половинах тела. B - граница между участками крыла, развившихся из мутантных (mutant) и нормальных (wt) клонов клеток. C–C"" - еще один участок крыла мутантной особи, на котором видна граница между клонами мутантных и нормальных клеток, выраженная в изменении окраски и изменении морфологии чешуек с зацепок на обычные. D - окраска крыльев (верхняя сторона и испод) у нормальных и мутантных особей A. vanillae. E - граница между участками крыла, развившихся из клонов мутантных и нормальных клеток. F - черные пятна (указаны стрелками) на брюшной стороне крыльев у мутантных бабочек остались такими же, как и в диком типе. G и G" - зацепки у нормальных и мутантных особей. Источник: из обсуждаемой статьи в PNAS

Нокаут гена optix у представителей подсемейства нимфалин, отделившегося от геликонин еще в конце мезозоя (75–80 млн лет назад) привел к тем же последствиям (рис. 3, 4): замене оммохромомов на меланин. Правда, у V. cardui такое замещение, приведшее к гипермеланизации (общему почернению) произошло только на верхней стороне крыльев, в то время как на исподе (нижней стороне) красный пигмент исчез, ничем не заместившись (рис. 4). Однако среди куколок позднего возраста, не развившихся в имаго, нашлись экземпляры с зачерненными исподами (рис. 4, Е). Поясню, что у куколок поздних возрастов крылья уже практически полностью сформированы, поэтому, вскрыв умершую куколку, их можно увидеть.

Как было отмечено выше, экспрессия гена optix также связана с преобразованными чешуйками. Данные, полученные авторами обсуждаемой статьи, подтвердили участие этого гена в развитии необычной морфологии этих структур: у всех четырех исследованных видов нокаут optix приводил к тому, что зацепки развивались как обычные чешуйки (рис. 2, C, G, 3, F и 4, F). Более того, у трех видов (кроме J. coenia ), у которых зацепки пигментированы, изменения морфологии сопровождалось и изменением окраски, что говорит об участии этого гена в развитии обоих признаков.

Самый же неожиданный результат получился у вида J. coenia : нокаут гена optix не только привел к изменению пигментной окраски по пути меланизации, а вызвал появление голубой иризации (см. Iridescence)! Этот вариант структурной окраски возникает из-за многократного отражения света от полупрозрачных поверхностей (в данном случае - гребней на чешуйках) и проявляется в голубоватом свечении, меняющемся при рассматривании крыла под разными углами. Причем слабее иризация была выражена на тех участках крыла, где в норме у бабочек наблюдается черный цвет (то есть ген optix выключен).