Чешуйки крыла бабочки урании

Вы видите чешуйки на поверхности крыла бабочки урании мадагаскарской (Chrysiridia (Urania) ripheus), снятые при двадцатикратном увеличении. Сложная форма и взаимное расположение чешуек обеспечивает яркую и разнообразную окраску крыльев этой бабочки. Снимок попал в Топ-20 международного конкурса микрофотографии Nikon Small World 2018.

Размах крыльев урании мадагаскарской может достигать 11 см. Фото © Antoinette Douglas-Dufresne с сайта flickr.com

На крыльях урании есть как черные участки, так и цветные, с радужными переливами — от красно-оранжевого до металлически-голубого и зеленого оттенков. Для самих бабочек эта окраска еще богаче, так как они видят также и в ультрафиолетовой части спектра. Но пигмент здесь задействован только один — черный. Всё остальное многообразие цветов получается в результате преломления и отражения света сложными оптическими структурами.

Исследование под микроскопом показало, что крылья урании покрыты двумя слоями чешуек. Нижний слой состоит из плоских чешуек, окрашенных черным пигментом. Верхний — из изогнутых чешуек, часть из которых черные, а остальные полностью лишены пигмента (прозрачные). Именно из непигментированных чешуек сложены цветные участки крыльев бабочки.

Микрофотография поверхности крыла урании. Виден верхний слой, состоящий из чешуек двух типов. Снято при десятикратном увеличении. Фото с сайта flickr.com

Каждая из верхних чешуек сложена из нескольких слоев кутикулы, разделенных воздушными прослойками. Толщина этих слоев на разных участках крыльев бабочки коррелирует с окраской: чем тоньше слои, тем больше цвет участка сдвигается от зеленой к пурпурно-красной части спектра. В местах перехода от одного цвета к другому толщина слоев резко меняется.

Вверху: слева — продольные срезы непигментированных чешуек, взятых из верхнего слоя на разных участках крыльев урании. Видны слои кутикулы разной толщины (темные), разделенные воздушными прослойками (светлые). Длина масштабных отрезков — 1 мкм. Справа — участки крыльев (a — верхняя поверхность крыла, b — нижняя), из которых брались чешуйки, структура которых показана слева. Фрагмент, выделенный красным прямоугольником, показан справа, цифрами (от 1 до 7) на нем отмечены отдельные чешуйки. Зависимость отражательной способности этих чешуек от длины волны показана на графике внизу. Длина масштабного отрезка — 2 мм. Изображения из статьи S. Yoshioka et al., 2007. Coloration using higher order optical interference in the wing pattern of the Madagascan sunset moth

Лучи света, проходя через разные слои кутикулы и воздуха в прозрачных верхних чешуйках, по-разному преломляются в них, отражаются от поверхностей и рассеиваются. Световые волны накладываются друг на друга, амплитуды волн, оказавшихся в одной фазе, складываются — возникает интерференция (см. также Интерференционные тайны природы). При этом максимума интенсивности в разных точках достигают волны разной длины: когда эти максимумы улавливаются нашим глазом, мы видим разные цвета. То есть с точки зрения физики слои чешуек представляют собой фотонный кристалл.

Длины световых волн, достигающих максимума интенсивности благодаря интерференции в чешуйках из разных участков верхней (a, c) и нижней (b, d) сторон крыльев урании. Длина отрезка справа соответствует длине волны 500 нанометров. Изображения из статьи S. Yoshioka et al., 2007. Coloration using higher order optical interference in the wing pattern of the Madagascan sunset moth

Однако этим всё не ограничивается. Чешуйки верхнего слоя завиваются, местами частично накладываясь друг на друга. Поэтому некоторые лучи света проходят через чешуйку больше одного раза, отражаясь от разных ее поверхностей. При этом возникает вторичная интерференция, которая дополнительно усложняет цветовую картину. Черная «подложка» нижнего слоя чешуек поглощает свет, делая окраску цветных участков еще ярче.

Таким образом, окраска крыльев урании мадагаскарской имеет двоякий, химически-структурный характер: частично ее дает химическое вещество (черный пигмент), частично — оптические явления, которые возникают при прохождении света через прозрачные чешуйки (то есть через микроструктуры покровов тела). Для бабочек такой комбинированный характер окраски достаточно редок, но у других животных встречается шире: например, зеленая окраска многих амфибий и рептилий получается за счет пропускания лучей синего структурного цвета через вышележащий слой клеток с желтым пигментом (см. Структурный цвет в живой природе).

Структурный тип окраски имеет свои биологические преимущества: животному не нужно синтезировать большое количество пигментов, чтобы получить яркую и разнообразную окраску (урания, как мы видим, обходится только одним). При этом структурная окраска позволяет также добиваться блеска и переливов оттенков (при изменении угла, под которым глаз «зрителя» находится к объекту).

Верхнее изображение получено с помощью фокус-стекинга (см. Focus stacking) — особого метода цифровой обработки изображений. Его суть вкратце такова: сначала делается несколько снимков разных частей объекта, с разными фокусными расстояниями. Потом эти изображения объединяются в один снимок, у которого, таким образом, получается гораздо большая глубина резкости, чем у любого из исходных изображений. Этот метод часто используется в микрофотографии, когда снимаемая область и расстояние от нее до объектива чрезвычайно малы и в объектив просто не попадает достаточно света, чтобы получить сколько-нибудь заметную глубину резкости.

Фото с сайта nikonsmallworld.com.

Олег Соколенко