提问:蓝莓到底是什么颜色?真相没几个人知道!

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颜色,是植物的一种语言。
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通过颜色,我们可以看到不同植物在自然界中的适应与竞争,一只通红的苹果,一支正在盛开的粉色花朵以及结满黄色果实的柚子树,这些代表性的颜色都在潜移默化中传递着植物生存的智慧。


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图源davidspeer


但是,纵观整个自然界,蓝色的植物(包括花朵、果实)却并不常见,蓝莓或许是你能最先想到的蓝色植物(果实)。然而,违反常理的是,如果将蓝莓榨成汁,呈现出来的颜色却是深红紫色并非靛蓝色。


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低寒品种的蓝莓 图源diggers


蓝莓的蓝色究竟从何而来?

自然界中的蓝色为何这么稀少?





颜色的由来

17世纪中叶,科学家艾克萨·牛顿做了一个著名实验:光的色散。他让一束白光穿过三棱镜,结果白光被分离成了从红色到紫色的可见光谱,出现这种现象的原因则是由于白光在棱镜中发生了折射,而每种颜色的光其实都有着不同的频率,因此在穿过棱镜时速度也不同,导致颜色会以不同的角度弯曲,分离成可见的光谱。

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一束白光穿过棱镜,呈现出色谱 图源BBCbitesize


这个实验表明,白光其实是由多种颜色混合而成,当不同频率的光(如太阳光)照射到我们的眼睛时,我们的大脑就会自动将不同的颜色组合为白色。


但是,如果白光打在其他地方,情况就发生了变化。例如路边上常见的蓝色交通指示牌,在太阳光照射在表面上时,大多数颜色都会被吸收,而蓝光会被反射,因此,从交通指示牌上照射到我们眼睛上的光主要是蓝光,标志在我们眼中看上去也是蓝色的。


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交通指示牌 图源网络


同样的原理也适用于我们日常生活中看到的大多数事物,蓝莓呈现蓝色是因为反射了蓝光,树叶在绿的时候是因为反射了绿光并吸收了其他颜色。


简单来说,我们眼中看到的这个多彩世界是因为白光照射在物体上,某些颜色被反射,其余颜色被吸收。


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苹果的红色反射到我们的眼中 图源dentalcare


了解了颜色的由来,接下来我们要更进一步——是什么决定了哪些颜色会被反射呢?





蓝莓的蓝是什么蓝?


众所周知,植物体内都含有生物色素,这些色素中的分子以不同的方式与不同颜色的光相互作用,就能选择性吸收某些颜色的光并反射其他颜色的光,这也是颜色的第一种产生方式。


叶绿素就是一个典型例子,许多需要进行光合作用的植物都有叶绿素,在太阳光照射过来时,其中的红光、蓝光、黄光等颜色的光几乎都会被吸收,唯独绿光不会,相反,绿光会被反射,让植物看起来是绿色的。


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 树叶反射绿光 图源vedantu


按照这个思路,许多人也认为蓝莓呈现蓝色也是由于蓝莓中含有花青素但最新的研究明确表明,蓝莓颜色的产生并不是由其中的色素决定的,因为蓝莓中虽然含有高浓度的花青素,不过其散射曲线一般为深红色,与果皮上的靛蓝色完全不同,而在剥开蓝莓的果皮后可以看到深红色的果肉。


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蓝莓表皮撕开后,果肉是红色的



那么,蓝莓如何产生蓝色呢?

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答案来自颜色的第二种产生方式:结构色。这种形式的颜色不太常见,但却能产生自然界中极其鲜艳的颜色。与第一种颜色产生的方式不同,非吸收分子的纳米结构可以通过波干涉与光的相互作用,反射出明亮的、高饱和度的颜色。


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自然界中结构色的例子 图源biomimiicry


那么蓝莓的结构色从哪儿来的呢?不知道大家有没有注意过,蓝莓表面总是覆盖着一层白白的、像霜一样的物质,这其实是它们的保护蜡,很多植物都有。这种植物保护蜡具有自我排序和自我修复能力,决定了植物的大部分特性,比如疏水性、自清洁以及对昆虫和微生物病原体的抵抗力。


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蓝莓表面的保护蜡 图源plantura


显然,植物保护蜡与纤维素等生物材料一样,是研究的热门,但令人惊讶的是,对于保护蜡的研究主要集中在它们表面的疏水性,而对保护蜡的光学特性研究甚少。


来自英国布里斯托尔大学的研究员罗克斯·米德尔顿关注到了这个领域,他对蓝莓蓝色来源很感兴趣,于是取下了蓝莓表面蜡质的样本,并将其重新结晶,结果复现了蓝莓表面的靛蓝色。


通过扫描电子显微镜观察发现,蓝莓表面蜡质涂层中晶体结构随机分布,这些晶体结构会散射蓝色和紫外线,从而使蓝莓呈现出了独特的靛蓝色外观。


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体外重结晶再现结构色保护蜡 图源研究论文附图





蓝色为何罕见?


在自然界,蓝色很少出现在生物体上。少数带有蓝色的物种如风铃草、蝴蝶和热带青蛙,基本上也是依靠结构色来产生这种颜色,其目的主要是防御捕食者。即使是蓝色的岩石和矿物,如蓝宝石和青金石,自然界中也极为稀少。


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蓝铜矿 图源sergebriez


这背后的原因在于:天然蓝色色素在动植物中几乎不存在。并且相较于红色光等波长较长、能量较低的光来说,反射蓝光需要一种能够吸收少量能量的低能光子,以此来吸收光谱中的红色部分,植物很难生成这种大而复杂的分子。因此结构色就提供了一条成本较低的“变蓝”途径。

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 鸟类的鲜艳蓝色羽毛 图源wrearodsawang


尽管蓝色在自然界中很罕见,但人类通过模仿颜色的两种产生方式,已经创造出了丰富多彩的蓝色。无论是利用化学方法调制颜料,还是利用光线和结构的巧妙反射,已经让蓝色从稀有变为了生活中常见的点缀。

参考资料


  1. Self-assembled, disordered structural color from fruit wax bloom
  2. https://doi.org/10.1126/sciadv.adk4219
  3. Bio-inspired Materials: Structural Color in Nature
  4. https://www.sbnature.org/publications/blog/2/posts/66/bio-inspired-materials-structural-color-in-nature
  5. Why is the color blue so rare in nature?


作者:鱼鱼

责编:董小娴

审核:刘鲲 李培元


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