26.01.2018

Разгадан секрет очень черных крыльев райских птиц

Американские ученые, заинтригованные глубокой черной окраской перьев некоторых видов райских птиц, изучили их строение под электронным микроскопом. Выяснилось, что черный цвет обусловлен не пигментами — меланинами, — как это обычно бывает у птиц. Все дело в строении бородок пера, на концах которых есть «бахрома» из нановыростов. Такая структура отлично поглощает свет — до 99,95% видимого спектра, что и приводит к очень насыщенной черной окраске. По показателю поглощения перья райских птиц близки к Vantablack — самому черному из известных материалов.

В живой природе цвет может формироваться двумя способами — пигментным и структурным. В первом случае он возникает благодаря специальным молекулам — пигментам, которые избирательно поглощают, отражают или испускают свет с определенной длиной волны. Во втором случае цвет зависит от структуры поверхности, на которую падает свет и которая его избирательно поглощает и/или отражает. Подробно о структурной окраске рассказано в статье Т. Романовской «Структурный цвет в живой природе». Частный вариант структурной окраски — структурная абсорбция, то есть поглощение света поверхностью. Если таким образом поглощается весь или почти весь видимый спектр, получается черная окраска.

Черное оперение птиц

У большинства птиц черный цвет оперения обусловлен пигментами — меланинами. Они отвечают за черноту хорошо известных нам птиц: ворон, грачей, черных дроздов и др. Кроме того, у некоторых птиц из-за правильно упорядоченных волокон верхнего слоя кератина возникает иридесценция (вариант структурной окраски). Иридесценция выражается в радужных переливах и/или металлическом блеске.

Самцов чудесной райской птицы отличает необычное поведение. Ухаживая за самкой, самец складывает крылья и растопыривает перья так, что перестает вообще быть похожим на птицу (рис. 1, g)! Опытные наблюдатели заметили еще одну особенность этого и ряда других видов райских птиц (семейство Paradisaeidae). Черный цвет их оперения визуально кажется темнее (чернее), чем черное оперение других птиц (рис. 1). Недавно группа ученых из США подтвердила это наблюдение и, главное, разобралась, как возникает этот эффект. Для этого исследователи изучили черные перья семи видов (все они изображены на рис. 1): шести видов райских птиц и одного вида — мелампитты — из близкого семейства (Melampittidae). У мелампитты и райской вороны черная окраска обусловлена меланинами, то есть их черный цвет — вполне обычный. А у остальных участвовавших в исследовании райских птиц есть «суперчерные» партии оперения. Как правило, они используются в брачных демонстрациях. У некоторых видов, например, у чудесной райской птицы, наряду с суперчерными, есть и обычные меланиновые черные перья. Они расположены на спине, и при токовании самец самке их специально не демонстрирует. Ученые изучили не только суперчерные перья этого вида, но и обычные, взятые со спины.

Для начала перья изучали с помощью спектрофотометра и дейтерий-галогенового источника света DH-2000-BAL фирмы Ocean Optics. Этот источник, благодаря дейтериевой и галогеновой лампам, а также специальным фильтрам, может, в частности, давать на выходе свет заданной интенсивности, в составе которого в равной степени представлен весь видимый спектр. Это позволяет избежать искажений в спектрах изучаемых образцов, поскольку они освещаются сбалансированным световым пучком.

Спектрофотометрия показала, что суперчерное оперение отражает всего 0,05–0,31% света (то есть поглощает до 99,95% видимого спектра). А обычные черные перья (райской вороны, мелампитты, и те, что были взяты со спины чудесной райской птицы) отражают на один, а то и на два порядка больше: 3,2–4,7% излучения (рис. 2).

Эти значения говорят о том, что светопоглощательная способность суперчерных перьев райских птиц приближается к искусственным материалам с очень высокой степенью поглощения. Так, самый черный на сегодня материал — Vantablack — поглощает 99,965% видимого света. Vantablack состоит из вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, а поглощение происходит за счет того, что свет проникает внутрь материала, где происходит многократное отражение от стенок нанотрубок.

Суперчерные крылья бабочек

Помимо перьев райских птиц хорошо поглощают свет крылья некоторых бабочек. Поглощая до 98–99% видимого света, они также выглядят очень черными. Это связано с особой микроструктурой чешуек. (Напомним, что крылья бабочек покрыты маленькими чешуйками, налегающими одна на другую по принципу черепицы.) Суперчерные чешуйки самца бабочки Troides aeacus из семейства парусников (Papilionidae, рис. а) состоят из верхней антибликовой части и тонкой пленки под ней. Верхняя часть состоит из равномерно распределенных Λ-образных гребней. Гребни соединены между собой перемычками — жилками. В результате образуется решетка с продолговатыми отверстиями размерами около 490х380 нм (и диагональю около 620 нм, рис. с–e).

Поскольку длина волны видимого света попадает в диапазон 380–780 нм, размеры отверстий позволяют проникать в них большей части видимого света. Фотоны света «заходят» в отверстия и многократно отражаются от них. Свет с большей длиной волны отражается в основном от гребней, так как внутрь отверстий пройти не может. Многократное отражение приводит к поглощению света — так же, как и в случае Vantablack.

Чтобы разобраться с необычными особенностями черного оперения райских птиц, ученые использовали растровый электронный микроскоп. Как известно, перья птиц состоят из стержня, от которого отходят бородки первого порядка, от которых, в свою очередь, отходят бородки второго порядка. Бородки первого и второго порядков располагаются более-менее в одной плоскости, формируя опахало пера.

Выяснилось, что суперчерные перья райских птиц имеют особое строение бородок второго порядка. Прежде всего, кончики бородок второго порядка расходятся на множество микровыростов, образующих бахрому (рис. 3). Есть и еще одна особенность: бородки второго порядка как бы приподняты над плоскостью, в которой находятся стержень пера и бородки первого порядка. В результате они формирую плотный (за счет микровыростов) слой, повернутый примерно на 30° в сторону кончика пера.

Слой крошечных нановыростов и ответственен за поглощение света. Дело в том, что сечение микровыростов меньше длины волны света. Это дает возможность свету проникать внутрь пера. Таким образом, часть попадающего на перо света поглощается, а часть проникает внутрь, но почти ничего не отражается наружу. Внутри пера фотоны света снова отражаются, и часть их опять поглощается. За счет большого количества микровыростов происходит многократное отражение, и каждый раз какая-то часть света поглощается. Это и приводит в результате к тому, чтобы перо поглощает большую часть света. В целом, принцип поглощения тот же, что у материала Vantablack.

Благодаря такой структуре пера в общем-то неважно, какую пигментную окраску оно имеет. Ведь фактически весь свет все равно поглощается. Исследователи подтвердили это оригинальным способом: покрыли перья золотой пылью. Обычное черное перо мелапитты (черный цвет которого обусловлен меланинами) после этой операции стало золотым. А вот с суперчерным пером ничего не произошло: оно как было черным, поглощающим большую часть видимого света, так и осталось (рис. 4).

Интересно, что у райских птиц, как и у бабочек, суперчерные участки часто соседствуют с пятнами очень ярких цветов, как бы оттеняя их. На основе этого наблюдения ученые предположили, что суперчерный цвет возник, чтобы подчеркивать яркие партии оперения. А те, в свою очередь, могут играть роль в брачном поведении. Пока, впрочем, это только гипотеза.

Подготовлено по материалам: Dakota E. McCoy, Teresa Feo, Todd Alan Harvey & Richard O. Prum. Structural absorption by barbule microstructures of super black bird of paradise feathers // Nature communications. 2018. DOI: 10.1038/s41467-017-02088-w.

Алексей Опаев

Источники:

1. elementy.ru