Paw nie ma niebieskiego barwnika. Kolor robi mu siatka mniejsza od fali światła

Pawie pióro w słońcu mieni się błękitem i turkusem, a pod światło okazuje się rdzawobrązowe. Nie ma w nim niebieskiego barwnika. Kolor powstaje z ułożenia pręcików melaniny w keratynie, czyli z geometrii, a nie z chemii pigmentu.

Niebieskie w odbitym świetle, brązowe w przechodzącym

Samiec pawia indyjskiego (Pavo cristatus) rozkłada wachlarz piór z charakterystycznymi oczkami. Kolor nie siedzi w barwniku, tylko w drobnych rozgałęzieniach promieni, tak zwanych barbulach. Pod mikroskopem widać, że każda barbula to rząd siodłowatych komórek, długich na 10 do 30 mikrometrów ^[1].

Oświetlona od góry komórka odbija czysty błękit. Ta sama komórka oglądana w świetle przechodzącym robi się czerwonawo-brązowa. Ten brąz to melanina, ciemny barwnik, który w piórze naprawdę jest. Niebieskiego pigmentu nie ma, a mimo to oko widzi błękit. Wniosek nasuwa się sam: kolor musi powstawać z kształtu.

Siatka o oczkach mniejszych niż fala światła

Pod powierzchnią keratyny leży regularna siatka. Tworzą ją pręciki melaniny o średnicy około 120 nanometrów, poprzedzielane kanałami powietrza o średnicy około 75 nanometrów. Wszystko jest zatopione w keratynie, a warstwa ma od 5 do 12 pięter i około 2 mikrometrów grubości. Nanometr to milionowa część milimetra, więc oczka tej siatki są kilkaset razy mniejsze niż grubość włosa.

Światło odbija się na każdym przejściu między melaniną, keratyną i powietrzem. Odbite fale nakładają się na siebie: jedne się wzmacniają, inne wygaszają. To, która długość fali przetrwa, zależy od odstępu między pręcikami. Siatka działa jak filtr, który odbija wąski zakres barw, a resztę przepuszcza i pochłania.

Ta siatka nie musi być idealnie równa. W modelach zaburzenie średnic pręcików i kanałów o 30 procent zmieniało szczyt odbicia o mniej niż 10 procent. Porządek jest ważny, ale natura nie musi trafiać w nanometr co do sztuki.

W piórach pawia zielonego (Pavo muticus) badacze zmierzyli odstępy w siatce: około 140 nanometrów w barbulach niebieskich, 150 w zielonych i 165 w żółtych. Liczba warstw też się zmienia, od 9 do 12 w niebieskich i zielonych, przez około 6 w żółtych, do około 4 w brązowych ^[2]. Im mniej warstw, tym szerszy i mniej czysty odbity zakres, dlatego żółty i brązowy są mieszaniną barw, a nie jednym czystym kolorem.

Między błękitem a żółcią jest w tej siatce różnica 25 nanometrów. To ułamek grubości włosa, a wystarcza, żeby oko zobaczyło zupełnie inną barwę. W jednym oczku barbule w różnych kolorach mają różne odstępy, więc obok siebie leżą niebieski, zielony i żółty. Wzór powstaje z geometrii, nie z farby nakładanej punkt po punkcie.

Kryształ fotoniczny, czyli pułapka na jedną barwę

Fizycy nazywają taki układ kryształem fotonicznym. Nazwa brzmi groźnie, ale opisuje prostą rzecz: powtarzalną strukturę o rozmiarach porównywalnych z długością fali światła, która jedne fale przepuszcza, a innych nie chce.

Skoro o kolorze decyduje geometria, powinno dać się ją zepsuć i sprawdzić, co się stanie. Zespół z Fudan University zanurzył barbule w glicerynie. Ciecz weszła do kanałów powietrznych, zmniejszyła różnicę współczynników załamania i szczyty odbicia przesunęły się w stronę dłuższych fal. Dla zielonej barbuli przesunięcie wyniosło około 12 nanometrów, a obliczenia przewidywały 10.

Barwnik zachowałby się inaczej. Pigment nie zmienia koloru dlatego, że wokół niego zmienił się współczynnik załamania. Gliceryna zadziałała, bo podmieniła powietrze w nanostrukturze, a nie chemię pręcików.

Barbula nie jest płaskim lusterkiem. Ma kształt siodła i dwie takie warstwy, po jednej przy każdej powierzchni. Odbicia idą więc w lekko różne strony i kolor widać pod szerszym kątem, a nie tylko z jednego ustawienia oka.

Badacze sprawdzili ten obraz dwiema metodami obliczeniowymi: uproszczonym modelem warstwowym i pełną symulacją pola elektromagnetycznego. Obie dały podobne widma, co wzmacnia wniosek, że o barwie decyduje stos melaniny i powietrza, a nie ukryty pigment.

Pawie pióro w wodzie, czyli eksperyment sprzed czterech wieków

Podobny test, tylko bez spektrometru, zrobił w XVII wieku Robert Hooke. Zauważył, że kolor pawiego pióra zmienia się z kątem patrzenia, a po zanurzeniu pióra w wodzie blakł. Zapisał wtedy „Fantastical” i uznał, że odpowiada za to odbicie i załamanie światła na drobnych wypukłościach ^[3]. Nie miał pojęcia o nanometrach, ale wskazał właściwy trop.

Woda i gliceryna działają podobnie: wchodzą w puste miejsca i zmieniają warunki odbicia. Różnica jest w precyzji. Hooke widział, że coś znika. Współczesne pomiary pokazują, o ile przesuwa się szczyt odbicia i dlaczego akurat tyle.

Dlaczego kolor się mieni

Kryształ fotoniczny nie odbija jednej barwy niezależnie od wszystkiego. Kąt padania zmienia warunki nakładania fal, więc szczyt odbicia przesuwa się w stronę krótszych fal, gdy patrzymy pod innym kątem. Stąd iryzacja: wachlarz pawia zmienia barwę przy najmniejszym ruchu.

Ptak rozkłada ten wachlarz w zalotach, a kolory falują wraz z kątem patrzenia. Fizyka, która ma przyciągać oko, robi to sama, bez udziału barwnika.

Kolor, którego nie da się zetrzeć

Zwykły barwnik da się rozmazać, spłukać albo wyblaknąć na słońcu. Kolor strukturalny znika inaczej: gdy siatka traci porządek, odbicie blednie i zostaje brąz melaniny. To dlatego pióro, które w pełnym słońcu wygląda jak klejnot, w cieniu i pod światło okazuje się zwyczajnie brązowe.

Ten sam trik działa w technice. Inżynierowie naśladują nanostruktury z piór i skrzydeł, żeby robić kolorowe plastiki i wyświetlacze, które zawdzięczają barwę kształtowi, a nie pigmentowi. Pomysł jest stary jak świat zwierząt, tylko wykonanie dopiero teraz staje się powtarzalne.

Paw nie musi mieć niebieskiego barwnika. Wystarczy mu odpowiednio ułożona melanina i odrobina światła.

Źródła

1. Pascal Freyer, Bodo D. Wilts, Doekele G. Stavenga, „Reflections on iridescent neck and breast feathers of the peacock, Pavo cristatus”, Interface Focus 9(1), 2018. https://doi.org/10.1098/rsfs.2018.0043
2. Jian Zi, Xindi Yu, Yizhou Li, Xinhua Hu, Chun Xu, Xingjun Wang, Xiaohan Liu, Rongtang Fu, „Coloration strategies in peacock feathers”, PNAS 100(22), 2003. https://doi.org/10.1073/pnas.2133313100
3. Jordi Gomis-Bresco, Jose Viosca, „Structural colour: peacocks, Romans and Robert Hooke”, Science in School, 2015. https://scienceinschool.org/article/2015/structural-colour-peacocks-romans-and-robert-hooke/
4. Zdjęcie: Bernard Spragg, „Another Peacock image…”, Wikimedia Commons, licencja CC0. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Another_Peacock_image…_(8315398357).jpg Kadr do proporcji 16:9 i zmniejszenie do 1200×675.