Рис. 1. Самцы райских птиц (а, c–g) и вида из близкого семейства (b). а — райская ворона (Lycororax pyrrhopterus), b — мелампитта (Melampitta lugubris, семейство Melampittidae, родственное райским птицам), c — астрапия принцессы Стефании (Astrapia stephaniae), d — нитчатая райская птица (Seleucidis melanoleucos), e — щитоносная райская птица (Lophorina paradisea) во время ухаживания, f — паротия Ванеса (Parotia wahnesi), g — чудесная райская птица (Lophorina superba) во время токования (на переднем плане — самка). У птиц на фото a и b «обычный» черный цвет оперения, на фото c–g — в оперении есть «суперчерные» партии. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature communications

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.

Черная окраска у птиц бывает матовой (как на голове калифорнийского перепела Callipepla californica, а), блестящей (как у обыкновенного ворона Corvus corax, b) и иридисцентной (как у лодкохвостого гракла Quiscalus major, c). d–f — бородки второго порядка соответствующего вида под просвечивающим электронным микроскопом (длины масштабных отрезков — 2 мкм). Видно, что чем больше меланиновых гранул, тем темнее окраска (в частности, матовая окраска калифорнийского перепела чернее блестящего оперения ворона). Фото из статьи R. Maia et al. 2010. What makes a feather shine? A nanostructural basis for glossy black colours in feathers

«Элементы» уже рассказывали о необычном поведении самцов чудесной райской птицы. 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).

Рис. 2. Отражательная способность (% отраженного света) перьев шести видов райских птиц и мелампитты. У чудесной райской птицы (Lophorina superba) отдельно изучали перья спины (back) и суперчерные перья «накидки» (cape). Обычным черным перьям соответствуют три верхние линии красного, розового и синего цветов, а скопление линий внизу графика — суперчерные перья райских птиц. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature communications

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, она 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 490×380 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.

а — общий вид самца бабочки Troides aeacus (длина масштабного отрезка — 2 см). b — фотография черной поверхности крыльев с помощью оптического микроскопа (длина масштабного отрезка — 50 мкм). c, d — микрофотографии крыла под электронным микроскопом при разном увеличении: длины масштабных отрезков — 5 мкм (c) и 1 мкм (d). Показаны отверстия (holes), гребни (ridges) и жилки (rib). e, f — модель наноструктуры суперчерных чешуек (e — вид сбоку, f — вид сверху): видны отверстия (помечено буквой «k» на виде сверху) и ребра (буква «а» на виде сбоку указывает на расстояние между соседними ребрами). Фото и рисунки из статьи Q. Zhao et al., 2011. Art of blackness in butterfly wings as natural solar collector

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 (см. Стержень, бородки и крючки). 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.

Рис. 3. Перья Melampitta lugubris (обычный черный цвет) и Parotia wahnesi (суперчерный) под электронным микроскопом. Видны бородки первого порядка и отходящие от них бородки второго порядка, которые у паротии имеют выросты. Фото из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Nature communications

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).

Рис. 4. Перо мелапитты после напыления на него золота выглядит золотым (a). Суперчерный цвет пера щитоносной райской птицы не меняется даже после нанесения золотой пыли (b). Фото из обсуждаемой статьи в Nature communications

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.

Источник: elementy.ru