蝴蝶的光影魔術「手」-科教臺-中國網絡電視臺

　　蝴蝶是唯美自由的象徵，也是重生和快樂的符號，但它最令人津津樂道的，是翅膀上絢麗的花紋和色彩，這幾乎是自然界最絢麗的作品。當飛行員開著飛機在南美的熱帶雨林上空飛過，隔著半英裡都能看見大閃蝶翅膀散發的藍色光芒，而這樣醒目鮮豔的顏色，還會隨著觀察角度的不同發生變化。它為什麼這麼炫，它怎麼這麼炫呢？接下來，就讓我們解開蝴蝶顏色如此絢麗的秘密吧！

　　【美國攝影師桑德 韋德用了24年的時間在世界各地搜集齊了蝴蝶翅膀上的26個字母。圖片來自tech網站】

【用蝴蝶花紋拼成的果殼網！】

　　首先，我們拿出一隻孔雀蛺蝶(Inachis io)，放到顯微鏡下開始觀察，當在光學顯微鏡下放大100倍時，我們可以看到黃色的鱗片，而這隻鱗翅目蝴蝶翅膀上的美麗花紋，就是這些覆蓋在它們無色的半透明翅膜表面的鱗片一片片拼出來的；進一步把它挪到的電子顯微鏡下，放大到5000倍，我們發現，這個鱗片它表面不平整啊，有脊、溝和瓦片狀的細微結構。

　　【孔雀蛺蝶，蛺蝶科（Nymphalidae），孔雀蛺蝶屬（Inachis），第一排第三張是把蝴蝶後翅黃色部位放大到100倍的樣子，第二排第二張則是放大到5000倍的樣子。圖片來自wikipedia】

　　蝴蝶翅膀顏色的來源，就是鱗片內含有的色素和鱗片的這些細微結構，稱之為鱗片的化學色和結構色。

化學色，視覺盛宴的設計師

　　所謂化學色，是指鱗片由於含有不同的色素而顯現出不同的顏色。蝴蝶翅膀的色素一般有黑色素(melanins)，黃酮類物質(flavonoids)，蝶呤(pterins)和眼色素(ommochromes)等四種。蝶呤可以增強光線在單個鱗片裡的反射，因而蝶呤含量高的鱗片會表現豔麗的色彩；而黃酮類物質可以吸收UV（即紫外線），UV的吸收量會被天氣（比如晴空萬裡或烏雲密布）和周圍的環境（比如綠樹成蔭或寸草不生）所影響，從而影響黃酮類物質顏色的強度；黑色素是高分子聚合物，會同時吸收UV和可見光，一般表現為蝴蝶翅膀斑斕花紋底下默默付出的黑色和深棕色的背景。

　　【Christina Brodie畫的各色蝴蝶鱗片，果真是鱗片多了，什麼樣的都有。圖片來自microscopy-uk】

　　每片鱗片都是由一個表皮細胞產生的，有自己獨特的顏色，各色的鱗片們像瓦片一樣彼此重疊，拼湊出眼點，條紋和漸變色等等圖案。

　　【左圖：孔雀蛺蝶的鱗片。右圖：孔雀蛺蝶的鱗片拼成漸變色。圖片來自sciencephotolibrary】

　　【阿波羅絹蝶（Parnassius apollo），絹蝶科（Papilionidae），絹蝶屬（Parnassius），它翅膀上的鱗片拼成眼點。圖片來自sciencephotolibrary】

　　但是鱗片的色素是不穩定的，在蝴蝶死亡後，色素會分解消失。所以蝴蝶標本的顏色就會慢慢地沒有那麼豔麗了。

結構色，光影魔術的創造者

　　結構色是鱗片表面的微觀物理結構產生的。這些微觀結構，比如鱗片內的多層片狀薄膜（也叫肋狀結構，肋片），使光波發生幹涉、衍射和散射而產生了比化學色更加絢麗的顏色。這些色彩可以因不同視距、視角等因素而變化，泛著金屬般的光澤，又稱為彩虹色。

　　幾乎沒有蝴蝶不具有結構色，尤其是閃蝶科和鳳蝶科的蝴蝶。綠帶翠鳳蝶的如螢光般的藍色和綠色、多眼灰蝶若隱若現的淡藍色、曲帶閃蛺蝶華麗的紫色閃光都是結構色的傑作。接下來我們用著名的藍色大閃蝶為例子來看看蝴蝶的鱗片是如何變出這光影魔術的。

　　【分布在南美和中美的藍色大閃蝶（Morpho Didius），閃蝶科（Morphidae），閃蝶屬（Morpho）。圖片來自wiki】

　　大家可能認為藍色大閃蝶的翅膀上應該鋪滿了亮藍色的鱗片。其實，它的鱗片是透明、暗淡的棕色，而之所以看起來這麼亮這麼藍，全是鱗片結構色的功勞。

　　【這是藍色大閃蝶鱗片的微觀結構圖。a）鱗片的放大圖。b）從正面看一片鱗片發現它表面有很多條狀物。c) 再把它夾起來看它的橫切面看出這些條狀物上窄下寬。d) 再放大，我們可以看到這是一種左右長有多層幾丁質肋片的脊脈。圖片來自E. Rebecca Coath., 2007和HowStuffWorks】

　　首先，我們都知道，光從一種介質進入到另一種介質，會同時發生光的反射和折射。如果一束自然光（白光）進入一個厚度為d的薄膜，會在薄膜的上表面發生一次反射，同時折射進入薄膜。由於白光是由各色光組成的，各色光的折射角不一樣，第一次折射就將赤橙黃綠青藍紫不同波長的光分離出來了。這些不同波長的光再遇到薄膜的下表面，又會發生一次反射和折射，若存在多個薄膜則依次類推。這樣，各色光線的第二次反射光線，和它們的第一次反射光線，頻率相同，傳播方向相同，具有了幹涉的基本條件。而當同樣波長的光發生相長幹涉時，所產生的光亮度則是色素髮光沒法兒比的。

　　【上圖：白光遇到薄膜時發生的折射和反射。下圖：當兩列相干光波相遇時，如果位相差異為波長的整數倍，那麼它們的波峰會和波峰相遇，波谷會和波谷相遇，光波的振幅變大，亮度提高，這種現象叫做相長幹涉（constructive interference）。圖片來自HowStuffWorks】

　　現在我們把視線移回到藍色大閃蝶的翅膀。它透明鱗片上的樹狀脊結構的每個肋片，都是一片薄膜，薄膜之間都隔著空氣層，自然光會不斷地在空氣層和肋片裡發生反射和折射，產生多種顏色的可以發生幹涉的反射光線。

　　【藍色大閃蝶鱗片上的樹狀脊脈以及肋片結構示意圖。圖片中標出的d1、d2、h、θ、Φ等因素，都是決定結構色的關鍵。圖片來自E. Rebecca Coath., 2007】

　　而這些反射光線能否發生相長幹涉，就取決於相干光波的位相差了，這相位差打哪兒來？就是第二條反射光線比第一條反射光線多在薄膜裡轉悠的那一圈兒，這取決於薄膜的厚度，薄膜的材質，光波的波長，光線的入射角度等等。沒錯，藍色大閃蝶鱗片綻放出的絢麗光彩，正是藍光相干幹涉的產物。無論是它的厚度，材質，還是它樹狀脊脈上薄膜的位置，都是那麼的適合藍光發生相長幹涉，無數條藍光的反射光線發生相長幹涉，能產生巨亮巨亮的藍光，蓋過其它顏色，亮到讓飛行員開著飛機在南美的熱帶雨林上空飛過，隔著半英裡都能看見。

當化學色和結構色水乳交融

　　鱗片的化學色構成蝴蝶靜態的美麗花紋，而結構色，則賦予靜止花紋以生命，讓它隨著光線發生動態的變化。正是這兩種色彩的水乳交融，讓自然界造就出那麼多色彩斑斕的蝴蝶。

　　【柳紫閃蛺蝶（Apatura ilia），蛺蝶科（Nymphalidae），閃蛺蝶屬（Apatura），左圖中的是雌蝶，右圖中的是雄蝶。圖片來自wiki】

　　柳紫閃蛺蝶，這種原生於歐洲和亞洲大部份地區的蝴蝶，它翅膀正面的黑色部分，就是由黑色的化學色和寶藍色的結構色組成。所以它撲閃翅膀的時候，我們就可能看見不同的顏色，時而是深沉的黑色，時而是閃閃的藍紫色。

　　【紫斑環蝶 (Thaumantis diores)，環蝶科(Amathusiidae)，斑環蝶屬(ThaumantisHübner)。圖中兩隻蝴蝶由於拍照角度不同，翅膀上呈現的藍色螢光的程度也不同。圖片來自ifoundbutterflies】

　　分布於南亞的紫斑環蝶，它的翅膀上有兩種鱗片，由產生藍色結構色的鱗片和產生黑色化學色的鱗片組成。使得紫斑環蝶舞動時，翅膀的顏色在絢麗的藍色和黯然的黑色之間來回變幻。

　　【螢光裳鳳蝶（Troides magellanus），鳳蝶科（Papilionidae），鳳蝶屬（Troides）。左邊：雄蝶標本。右圖：上為雄蝶，下為雌蝶。圖片來自wikipedia】

　　【從後側觀察螢光裳鳳蝶的標本，可以看到金黃色的翅膀披上了藍綠色的「螢光」。這就是結構色和化學色（半透明的金黃色鱗片）一起作用的結果。圖片來自wikipedia】

　　螢光裳鳳蝶又叫珠光鳳蝶，目前僅發現分布於菲律賓、臺灣的蘭嶼島，它是臺灣最大的蝴蝶。螢光裳鳳蝶以其罕見的彩虹色而出名，當它的翅膀慢慢收起，或是從側面觀察的話，金黃色的後翅會變成美麗的藍綠彩虹色。 當它在花朵上自由地翩翩起舞的時候，只需輕輕一睹，就能看到它在陽光下變幻著絢爛的衣裳，像精靈一樣美麗。

需要提醒的是，收藏美麗，並不只有殺戮的方式，何苦把它做成呆板的標本（那個悲慘的遺照啊）？邂逅的話，拍張照片就好了！

　　參考資料：

[1]	E.Rebecca Coath, Investigating the Use of Replica Morpho Butterfly Scales for Colour Displays, University of Southampton, School of Electronics and Computer Science (2007) (May)

[2]	劉廣平,宣益民,韓玉閣.Morpho蝴蝶結構顯色特性研究,雷射生物學報,2006,15（5）：511-514

[3]	邱兆美,韓志武.蝴蝶鱗片微觀結構與模型分析,農業機械學報,2009,40（11）:193-196,207

[4]	鄔立巖.典型蝴蝶鱗片微結構及其反射光學特性[D],吉林大學,2006,(10)

[5]	關會英.典型蝴蝶鱗片結構色形成機理及其微觀結構研究,吉林大學,2007

[6]	韓志武,鄔立巖, 邱兆美,任露.紫斑環蝶鱗片的微結構及其結構色,科學通報,2008

[7]	鍾敏,沈佐銳.鱗翅目昆蟲鱗片的結構發育與眼斑的形成,昆蟲知識,2003,40(5)