Фотонные структуры бабочек

Некоторые бабочки, такие как бабочка Морфо Менелай из Южной Америки и самец горной бабочки Парусник Улисс, обитающий в северной части Австралии, известны своей великолепной радужной окраской. В 2001 году, Пит Вукусик из университета Эксетера обнаружил, что лазурная окраска бабочек возникает благодаря оптической интерференции . Чешуйки на крыльях имеют многослойность, которая отражает световые волны, так что они проходят разные расстояния. Дело в том, что при некоторых длинах волн, свет, отраженный с верхней и нижней поверхностей, будет проходить расстояние равное общему числу волн, так что вершины волн совпадают с вершинами других волн (Рис. 1). Это называется усиливающей интерференцией , благодаря которой этот цвет (синий у этой бабочки) становится намного ярче и чище.

Даже одинарные дифракционные решетки трудно объяснить с помощью дарвиновской цепи постепенных этапов развития. А образование двойных дифракционных решеток объяснить объяснить вообще невозможно.

Таким образом, эти поразительные цвета создаются не пигментами, а чешуйками, образующими дифракционную решетку . Чешуйки представляют собой расположенные на равном расстоянии бороздки или ямки, которые разделяют белый свет на все его цветовые компоненты, но под определенным углом. Ослабляющая интерференция разрушает все цвета за исключением необходимого цвета, который является интенсивным, благодаря усиливающей интерференции . Эти чешуйки получили название «субмикрометровые фотонные структуры », т. к. они могут воздействовать на световые волны. Глубокий черный цвет, украшающий края крыльев бабочки, является результатом не черного пигмента, а фотонных структур, которые улавливают свет.

Это открытие помогло создать весьма эффективные покрытия под названием «Super Black». В будущем оно может быть использовано, также, для создания и других видов покрытий, имеющих поразительный цвет, но без химических отходов, образующихся при производстве пигментов и красящих веществ. Также, это еще один пример биомиметики , когда человеческие технологии имитируют чудеса природы, хотя на самом деле, берут уроки у Самого Творца этой природы.

Двойные решетки

Недавнее исследование показало, что на спинных крыльях бабочки Lamprolenis nitida расположены две концентрирующие дифракционные решетки, рассеянные по чешуйкам, которые издают два основных цветовых сигнала.

Это было новым открытием, т. к. «на сегодня неизвестно, чтобы у животных наблюдались множественные независимые сигналы, исходящие от отдельных фотонных структур в пределах того же самого субмикрометрового механизма» . Чешуйки образуют узор из поперечных ребер и бороздок, которые повторяются через два разных промежутка, а, следовательно, дают разные сигналы.

Исследователи говорят: «Множественные сигналы увеличивают сложность и специфичность оптической сигнатуры, таким образом, усиливая передаваемую информацию. Это может быть особенно важно во время внутриполовых столкновений, в которых радужные цвета крыльев самца используются для демонстрации угрозы» . Исследования показывают, что самцы производят сильные сигналы даже в плохо освещенных лесах, где они обитают и где солнечный свет проникает под купол деревьев нерегулярно. Кроме того, они помогают самкам находить нужный вид в среде, в которой обитает множество других видов.

Откуда взялись эти структуры?

На удивление, исследователи не стали предлагать эволюционную теорию для объяснения происхождения этих структур. Они опирались на факты и предложили вероятные функции использования данных структур. В действительности, даже одинарные дифракционные решетки трудно объяснить с помощью дарвиновской цепи постепенных этапов развития, в которой каждый последующий этап обладает преимуществом над предыдущим. А образование двойных дифракционных решеток объяснить еще труднее. Это действительно так, поскольку большинство бабочек прекрасно обходятся и без этих решеток, а стеклянницам вообще не нужны чешуйки. Поэтому нелогично допускать давление отбора. Отметим, что дарвиновская «теория полового отбора» не способна объяснить то, для чего, собственно, Дарвин ее и выдвинул. Доказательством этому служит знаменитый хвост павлина.

как свет отражается с разных поверхностей. Лазурная окраска бабочек возникает благодаря оптической интерференции, что является объективным свидетельством разумного Сотворения.

Больше биомиметики

Исследователи утверждают, что передовым человеческим технологиям было бы полезно копировать этот дизайн:

«Двойные решетки бабочек Lamprolenis nitida помогли бы решить проблему со спектрометрами, которая заключается в том, что функциональный диапазон их решетки ограничен, так что когда достигается спектральный предел, решетка должна механически меняться для следующих измерений. Установление двух решеток на отдельную саморегулирующуюся поверхность могло бы решить проблему».

Исходя из того, что реальная наука работает по аналогии , справедливости ради, следует отметить, что если уж наши дифракции предполагают разумный замысел, то улучшенная дифракционная решетка тем более указывает на объективные признаки замысла.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 2»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРОЕКТ

«От бабочки к новым материалам»

Выполнили: Городских Павел, 9 «А»,

Русаков Илья, 7 «А» класс

Руководитель: Тихонов Игорь Васильевич,

учитель физики, информатики.

г.Глазов, 2013 год

Содержание:

Введение. Описание проблемы.

Цели проекта.

Суть решения.

3.1. Строение крыла бабочки.

3.2. Физические причина возникновения множества цветовых комбинаций на крыле бабочки.

3.3. Практические приложения, заимствованные человеком у бабочки.

Литература и источники.

Приложения.

«Ум заключается не только в знании,

но и в умении прилагать знание на деле…»

(Аристотель).

Описание проблемы.

Россияне во все времена любили красиво и празднично одеваться, находя природные красители для окрашивания своих нарядов. По мере развития химической науки появились красители на анилиновой основе, получаемые промышленным способом, что позволило производить окрашивание тканей в промышленных масштабах.

Нередко химические красители содержали очень вредные для здоровья человека соединения, например, соединения мышьяка, придающие материалам зелёный цвет, активно использовались для окрашивания обоев и тканей, что приводило к росту бытовых отравлений, резко увеличилось количество промышленных отходов, загрязняющих окружающую среду. Все эти проблемы заставили искать более экологически безопасные способы окрашивания тканей и материалов.

Биоценоз северных районов Удмуртии очень богато представлен разнообразными насекомыми. Особенно разнообразен мир бабочек. Передвигаясь по обочинам вдоль дорог, можно часто видеть бабочек, жуков, стрекоз, сбитых ударной волной, образовавшейся при движении машин. При этом часто попадаются хорошо сохранившиеся экземпляры на радость коллекционеру.

Фотографии бабочек, сделанные нами, на основе коллекционного материала, собранного летом вдоль дорог.

Таким образом, можно собрать за лето и осень коллекцию, дающую представление о насекомых, населяющих север Удмуртии.

На первый взгляд эти красивые, переливающиеся всеми цветами радуги насекомые не играют никакой существенной роли в нашей повседневной жизни. Однако при более пристальном наблюдении за ними можно сделать вывод, что они являются опылителями растений, чем существенно влияют на урожайность полей и огородов, а также способствуют сохранению флоры наших полей и лесов.

Разнообразная окрашенность насекомых, способность их менять свою окраску, мимикрируя в зависимости от условий, в которых насекомое находится,

заставила нас задуматься над тем, каким образом насекомым, в частности бабочке, удаётся создавать невероятное количество цветовых оттенков и причудливых узоров . Думаем, что в основе лежат не столько химические, сколько физические процессы (гипотеза проекта ).

Цели проекта:

собрать натурный и исследовательский материал, провести опыты, объясняющие природу узоров, покрывающих поверхность крыльев бабочки;

показать на конкретном примере, как от совершенно обыденного явления можно перейти к рассмотрению сложных явлений природы и дальнейшему применению их на практике.

Суть проблемы.

3.1. Строение крыла бабочки.

До недавнего времени химики считали, что окраска всех материалов, в том числе текстильных, зависит только от присутствия в них красителей и пигментов, способных поглощать какую-то часть лучей видимой части спектра и пропускать (если материалы прозрачны) или отражать (если они непрозрачны) остальные длины волн. Часть спектра, которую отражают материалы, наш глаз и воспринимает как цвет.

Благодаря исследованию бабочки, её способности создавать окраску поверхности своих крыльев, изменять её в зависимости от угла обзора крыла, произошла революция в текстильной промышленности.

Частички крыльев бабочек мы рассмотрели под микроскопом. Оказалось, что крылышки покрыты самыми разнообразными узорами и пигментными пятнами.

Из книги Л. В. Каабака «Бабочки мира». Фото: А. Сочивко

Кроме того, занимаясь этим вопросом, мы нашли фотографии в Интернете, на которых увидели изображение чешуек, покрывающих поверхность крыла бабочек. Оказалось, что поверхность крыла бабочки покрыта невероятно большим количеством ничтожно малых, совершенно бесцветных, имеющих определённую структуру чешуек.

К сожалению, мы не располагали таким мощным орудием исследователя, как электронный микроскоп, который позволил бы увидеть более глубокие структуры строения крыла бабочки, а потому наши исследования касались только поверхностной окраски крыла бабочки.

Чешуйчатое строение у бабочек возникло в юрском периоде более 200 миллионов лет тому назад .

За долгий путь эволюции оно развилось до высокой степени совершенства, что позволяет чешуйкам выполнять столь разнообразные функции, служащие одной цели - сохранению жизни насекомого .

Рис. 1. Поверхность крыла бабочки под электронным микроскопом. Изображение: «Химия и жизнь».

Итак, крылья бабочек покрыты мельчайшими бесцветными чешуйками (то, что все называют пыльцой, но пыльца- это у цветочков, хоть бабочки и переносят пыльцу, но летать они и без неё могут, а без чешуек - нет).

Двухслойный покров чешуек:

увеличивает подъемную силу крыла в планирующем полете;

защищает бабочку от переохлаждения;

уменьшает шум и вибрацию при машущем полете;

поглощает эхолокационные сигналы летучих мышей.

Кроме того, чешуйки защищают крыло от повреждений (при ударе крыла о лист растения или о каплю смолы чешуйки отламываются, снижая силу удара и не давая крылу приклеиться к коре деревьев) и способствуют стеканию статического электричества.

Чешуйки служат для лучшего аэродинамического сцепления с воздушными потоками.

Для нас в данной работе особенно важно то, что в крыльях бабочки возникает тонкослойная интерференция.

Выводы:

1. Чешуйки на крыльях бабочек – это продукт длительной эволюции развития, ЧЕЛОВЕКУ есть чему поучиться у маленькой и хрупкой БАБОЧКИ.

2. Природа ничего не создаёт просто так, а в каждое своё творение вкладывает глубокий смысл.

3 .2 Физические причина возникновения множества цветовых комбинаций на крыле бабочки .

Причиной множества цветовых комбинаций является интерференция (наложения световых волн), а также поглощение или отражение чешуйками отдельных цветов солнечного света.

В XVII веке, естествоиспытатель Роберт Гук, в своей книге «Micrographia », изложив свою теорию цветов, объяснил причину окраски тонких слоёв отражением света от их верхней и нижней границ. Фактически это было первое упоминание интерференции.

Вся красота достигается преломлением света на «пыльце», кроме отдельных пятен - это пигмент.

Рис.2. Изображение: «Химия и жизнь»

Крылья бабочек покрыты плотными рядами чешуек. Чешуйка с крыла морфиды (а ) похожа на дерево с несколькими ярусами «ветвей», в которых и происходит интерференция. Единичная чешуйка моли семейства Urania (в ) состоит из пяти слоев кутикулы, каждый из которых имеет толщину 400 нм и отделен от следующего воздушной прослойкой в 100 нм. Изображение: «Химия и жизнь»

Правильное объяснение структурной окраски впервые дал лорд Джон Уильям Стретт Рэлей в 1917 году. Он вывел формулу для выражения свойств отраженного света регулярных слоистых структур и утверждал, что окраска двойного кристалла, старого потрескавшегося стекла и покрова жучков и бабочек обусловлена не пигментами, а структурой этих материалов.

В крыльях бабочек возникает тонкослойная интерференция. Нижняя часть оптических чешуек пигментирована; пигмент не пропускает свет и тем самым придает большую яркость интерференционной окраске. Лучи света, проходя через прозрачные чешуйки на крыле, отражаются как от их внешних, так и от внутренних поверхностей.

Рис. 3. Интерференция в тонком слое. Изображение: «Химия и жизнь»

В результате два отражения как бы налагаются и усиливают друг друга (правда, возможен и обратный эффект, когда два отражения гасят друг друга).

Рис. 4. Два вида интерференции. Изображение: «Химия и жизнь»

Фактически оба отраженных потока, от внешней и внутренней поверхностей пластины, складываются или вычитаются .

Явление дисперсии хорошо просматривается на фотографиях, полученных с поверхности лазерного диска под электронным микроскопом.

www.netlore.ru

На первой фотографии отчётливо видно, что вся поверхность диска покрыта дорожками, напоминающими при значительном увеличении овраги на рельефе местности. Вторая фотография, выполненная в цвете, отчётливо показывает, что между дорожками располагаются области, напоминающие усечённые треугольные призмы. Из курса физики известно, что при падении на треугольную призму лучей света, возникает явление дисперсии – разложения света на его монохроматические составляющие (на лучи красного, оранжевого, жёлтого, зелёного, голубого, синего, фиолетового цвета). На фотографии можно видеть цвета из указанного спектра.

Нами были проделаны следующие опыты: поверхность лазерного диска была сначала облучена лучами газоразрядной лампы, а затем обычной лампой накаливания.

Были получены спектры, которые были сфотографированы.

При этом можно наблюдать очевидное различие, а именно: на верхнем снимке спектр имеет дискретную структуру, чёткие кольца, окрашенные в различные цвета, просматриваются границы, отделяющие одно кольцо от другого. На втором снимке спектр имеет непрерывную структуру, границ, как и самих колец отчётливо не видно. Отсюда можно сделать вывод, что лампы накаливания, испускающие лучи, близкие к солнечному свету, более комфортна человеческому глазу, чем газоразрядные лампы, хотя последние более экономичны.

Выводы:

В процессе постановки эксперимента мы убедились в том, что близко расположенные дорожки, покрывающие поверхность диска, порождают явления дисперсии и интерференции. Именно эти явления создают огромную цветовую гамму .

Поискав в Интернете, нашли фотографии планеты Меркурий. Оказалось, что такая невзрачная в чёрно – белом изображении, вся покрытая бесчисленным количеством больших и ничтожно малых кратеров, как оспинами, зато как она красива в солнечном освещении. Природа и здесь во всём могуществе демонстрирует такие физические явления как дисперсию и интерференцию, как средство создания бесчисленного множества цветовых оттенков. Никакая компьютерная техника никогда не сравнится с могуществом природы. Снова причиной дисперсии и интерференции является бесчисленное количество лунок, кратеров, покрывающих поверхность планеты .

www . solsys . ru . merk 1. jpg

При определенной толщине крыла бабочки, в зависимости от его биологического материала, освещая крыло белым светом, можно увидеть только один цвет. В других случаях на крыльях и панцирях насекомых наблюдается весь спектр цветов, в том числе глубокий черный и белый, радужную окраску.

Систематические исследования перьев птиц, покровов насекомых, чешуи и кожи обитателей морей и океанов продолжаются до сих пор. Оказалось, что в животном мире существует три вида окраски: только структурная (бабочки Morplo ), только пигментная (как у бабочки лимонницы) и структурная в сочетании с пигментной. Синий цвет крыльев часто создаётся структурной окраской, за счёт чешуек, но если к ним добавляется жёлтый пигмент, то появляется дополнительный зелёный цвет.

Если интерференция происходит не в одной пленке, а в многослойном пакете прозрачных пленок, то конструктивная интерференция усилится и окраска будет более интенсивной. Такие многослойные прозрачные конструкции встречаются в оперении птиц, в покровных тканях насекомых, в чешуйках обитателей морей и океанов. Окраска этих живых организмов бывает самых разных цветов, в том числе радужной и переливчатой. У птиц оптические системы формируются комбинацией пигмента меланина, белка кератина и воздуха, а у бабочек исходный материал - азотсодержащий полисахарид хитин и пигменты.

Простейший пример радужной окраски - это тонкая пленка масла, керосина и других органических соединений на воде или красочные мыльные пузыри. Окраски радужная и переливчатая отличаются от структурной тем, что их цвет и оттенок меняются в зависимости от угла зрения наблюдателя. Но физическая природа у них одинаковая.

http :// fotki . yandex .. ru / users / kiv 17190176/ view /42996

На фотографиях отчётливо видно, что окрашенность крыльев бабочки зависит от угла падения на них солнечных лучей.

3.3 Практические приложения, заимствованные человеком у бабочки.

Все вышеуказанные свойства находят себе применение в текстильной промышленности, когда удаётся без использования красителей, создавать различные цветовые гаммы.

До недавнего времени химики считали, что окраска всех материалов (текстильных, строительных) зависит только от присутствия в них красителей и пигментов, способных поглощать какую-то часть лучей видимой части спектра и пропускать (если материалы прозрачны) или отражать (если они непрозрачны) остальные длины волн. Ту часть спектра, которую отражают материалы, наш глаз и воспринимает как цвет.

В авиационной промышленности наблюдения за полётом бабочек позволяют делать полёт летательных аппаратов более устойчивым.

В строительной индустрии при разработке многослойных теплоизоляционных материалов можно использовать модель крыла бабочки.

Оказалось, что природа уже многие миллионы лет может создавать окраску и без специальных окрашенных веществ - только за счёт упорядоченных структур очень маленьких размеров (наноразмеров).

Механизм окрашивания, в отличие от «химического», основан только на оптических принципах. Когда свет отражается от наноэлементов, имеющих вид решетки, кружева, бороздки, то, поскольку размеры этих элементов соизмеримы с длиной волны света, происходит интерференция, дифракция и рассеивание волн - в результате мы видим цвет. Такую окраску оптического происхождения назвали «структурной». Структурная окраска в живой природе существует примерно 500 миллионов лет.

Бабочки «выстраивают» на наружной поверхности своих крыльев тысячи и тысячи крохотных тонкослойных зеркал-чешуек, и каждое такое крохотное зеркальце отражает свет определенной длины волны. В результате возникает совершенно потрясающий эффект отражения необыкновенной яркости. Одна из версий наличия такой яркой окраски - привлечение самок.

Если обтрясти пыльцу с бабочки – насекомое будет травмировано.

Пыльца (чешуйки по-научному, а бабочки - чешуекрылые) бесцветна , а вся красота бабочкина достигается преломлением света на "пыльце", кроме отдельных пятен - это пигмент . Раскраска бабочкина - это её защита, то под какой - либо цветок маскируется, то на крыльях вдруг глаза появляются большущие. Тут-то хищник и испугается. Способность насекомых к мимикрии хорошо известна, активно изучается, делаются практические приложения.

Простейший пример радужной окраски - это тонкая пленка масла, керосина и других органических соединений на воде или красочные мыльные пузыри. Радужная и переливчатая окраски отличаются от структурной тем, что их цвет и оттенок меняются в зависимости от угла зрения наблюдателя. Но физическая природа у них одинаковая.

Исследовательская группа университета Калифорнии (Сан-Диего) в 2009 году получила новые полимерные материалы, изменяющие окраску под действием магнитного поля. Возможные области применения этой технологии - дисплеи, многократно используемая бумага со стирающимся текстом, защита ценных бумаг, экологически чистые пигменты, краски, косметика, чернила для печати.

Можно найти примеры случайной биомиметики в производстве текстиля. Так, определенная периодичность в структуре поверхности синтетических волокон приводит к интересным цветовым и тактильным эффектам. Такую ткань сделали в Японии - она называется «shingosen » (что буквально значит «новое синтетическое волокно» и созвучно названию известного сборника японской средневековой поэзии). Появились новые волокна с наноструктурированной геометрией поверхности. Специальная технология прядения, условия продавливания не только дают повышенную плотность волокон, но и формируют периодическую структуру на их поверхности. Такие волокна благодаря интерференции и рассеянию света ярко и радужно окрашены, как крылья бабочек. Кроме того, подобная структура поверхности улучшает смачиваемость синтетических волокон.

Текстильщики предлагают также «микрократерные» волокна, поверхность которых покрыта углублениями с диаметром несколько сот нанометров. Они хорошо рассеивают падающий свет, что углубляет окраску. Этот принцип в природе используют многие насекомые черного цвета.

Пока природа лучше, чем человек, справляется со многими задачами. Но человек понемногу учится делать все более сложные вещи, поэтому, может быть, завтра производство тканей цвета крыла тропической бабочки или морского перламутра станут рядовыми технологиями.

4. Предложенные методы и инструменты реализации.

В средствах массовой информации постоянно появляются сообщения об угрожающем положении в экологии. На территории Удмуртии имеется накопление огромных масс промышленных и бытовых отходов (около ста миллионов тонн).

К числу промышленных отходов относятся отходы органического и неорганического происхождения. Органические отходы могут быть переработаны в удобрения и вывезены на поля, либо сожжены, либо сами ликвидируются, разлагаясь естественным путём.

Другое дело неорганические отходы, которые практически не разлагаются и постоянно накапливаются. Например, стекло . Каждая фирма старается придать своей продукции привлекательный вид, поэтому производятся бутылки и стеклотара самых разнообразных форм, которые потом населению совершенно некуда сдать, и они попадают в отходы.

Залоговая стоимость стеклотары, которая входит в стоимость самой продукции делится между производителем и продавцом продукции. Населению достаются горы пустых бутылок и стеклотары на улицах, в общественных местах в виде мусора.

Можно, конечно, заставить производителей выпускать гостированную стеклотару, чтобы затем её собирать практически полностью, обеспечив приём стеклотары у населения, как это было во времена не столь отдалённые, но пока это, по - видимому, невозможно.

Хотя бы частично эту проблему можно решить, пустив стеклянные отходы на производство строительной товарной продукции.

Одним из таких видов продукции является стеклобетон.

В настоящее время наша строительная индустрия очень нуждается в дешёвых, качественных, энергосберегающих строительных материалах.

Развёртывание индивидуального строительства в массовых размерах невозможно без большого количества строительных материалов, отвечающих заявленным требованиям.

Стекло – это неорганическое соединение с очень высокими экологическими показателями. Стеклянная тара всегда относилась к таре высокой категории.

Известно о войнах строительных компаний на Западе, когда фирмы, производящие строительные материалы с применением алебастра, конфликтовали с компаниями, производящими строительные материалы на базе полимеров и новых химических составов и технологий, причём наличие асбеста в материалах увязывалось с ростом онкологических заболеваний, хотя известно, что алебастр – древнейший строительный материал.

Для производства бетона используются следующие компоненты:

песок;

цемент;

заполнители (щебень, гравий, шлак);

добавки;

вода.

В нашем городе предприятий чёрной металлургии нет, теплоэлектростанции и котельные переведены на природный газ.

Шлак образуется при сжигании твёрдых видов топлива. В основном это каменные угли, сланцы, но котельные в нашем городе с такими видами топлива не работают, а потому шлак, как строительный материал, встречающийся раньше повсеместно, стал дефицитным материалом.

Карьеров и горных выработок у нас тоже поблизости нет, поэтому доставка железнодорожным транспортом щебня и гравия значительно увеличивает стоимость этих компонентов, необходимых для производства бетона, и без того очень дорогих.

В то же время материалы, которые можно использовать в качестве заполнителя при производстве бетона, находятся буквально у нас под ногами.

Таким материалом может быть стекло, которое можно извлекать из мусора, а также обеспечив приём любой стеклопосуды (бутылки, банки, битое стекло, пузырьки).

В последнее время дачники и огородники увлекаются возведением на своих участках теплиц из полимерных материалов, при этом разбираются старые теплицы, использующие стеклянное покрытие. В местах сбора отходов скапливаются горы стекла, которое также можно использовать при производстве бетона, что уже и делают сметливые хозяева огородных участков, использующие битое стекло при заливке фундаментов своих дачных сооружений.

Зачем покупать дорогой гравий и, тем более, щебень, когда можно дробить стекло и добавлять его в раствор, а затем, возведя опалубку под фундамент, выполнить заливку.

В городском строительстве можно делать то же самое при производстве железобетонных плит. Стекло обладает очень низкой теплопроводностью, а, значит, плиты станут «теплее», а горы стеклянного мусора станут востребованным строительным материалом. Кроме того, стеклянной дроблёнкой можно покрывать поверхность железобетонных панелей в момент их затвердевания. Дом, построенный из таких панелей, под действием уличного освещения, фар автомобилей будет светиться всеми цветами радуги, что придаст городу в вечернее время более нарядный и праздничный вид.

5. Планы и сроки реализации проекта.

В мае 2010 года во время проведения муниципального конкурса «Лучшая инновационная идея, технология для применения в деятельности субъекта малого и среднего предпринимательства города Глазова» под руководством Заместителя Главы Администрации г.Глазова, начальника Управления экономики и развития города Т.Г.Гафиатуллина и директора городского фонда поддержки малого предпринимательства Н.А.Трегубова совместная работа учителя физики и информатики Тихонова Игоря Васильевича и ученика 8«А» класса Корепанова Сергея (МБОУ «СОШ№2» г. Глазов) « Стеклобетон» получила второе место в конкурсе и денежную премию:

Тихонов И.В. – 500 рублей, Корепанов Сергей – 1000 рублей.

Частные предприниматели, занимающиеся производством железобетонных изделий идею реализовали.

Литература.

Г. Е. Кричевский. Химическая технология текстильных материалов. Москва, МГУ, 2001, 540 с.

Структурная окраска.Герман Евсеевич Кричевский, профессор, доктор технических наук, .

13.

Приложение 1. Основные ключевые понятия.

Интерференция света – результат наложения волн с последующим усилением или ослаблением интенсивности света.

Дисперсия света – это разложение солнечного света, имеющего белый цвет, на семь цветов радуги (красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый).

Чешуйки - крылья бабочек покрыты мельчайшими чешуйками (то, что все называют пыльцой, пыльца - это у цветочков, хоть бабочки и переносят пыльцу, но летать они и без неё могут, а без чешуек - нет).

Пигмент – окрашенное вещество в организме, участвующее в его жизнедеятельности и придающее цвет коже, волосам, чешуе, цветам, листьям.

Биоценоз – совокупность растений, животных, и микроорганизмов, населяющих данный участок суши или водоёма и характеризующихся определёнными отношениями между собой и приспособленностью к условиям окружающей среды.

Эволюция – процесс постепенного непрерывного количественного изменения, подготавливающий качественные изменения; вообще развитие.

Бионика – раздел кибернетики, занимающийся изучением строения и жизнедеятельности организмов в целях постановки и решения новых инженерных задач.

Амплитуда – наибольшее отклонение колеблющейся по определённому закону величины от среднего значения.

Мимикрия – один из видов покровительственной окраски и формы, при которой насекомое, животное похожи на предметы окружающей среды, растения, на несъедобные растения или хищных животных.

Меланин – пигмент чёрного или коричневого цвета, широко распространены в растительных и животных тканях, определяют окраску кожных покровов (волос, перьев, чешуи).

Кератин – белки, составляющие основу рогового слоя кожи, волос, перьев, ногтей.

Биомеханика – изучает механические свойства живых тканей, органов, организма в целом.

Приложение 2. Бабочка может быть очень грозной. Не сердите бабочку – без урожая останетесь .

Нашествие белых бабочек в Удмуртии

В садах и огородах жители наблюдают массовое нашествие белых бабочек – Боярышницы . Боярышницы в большом количестве буквально облепляют кустарники и плодовые деревья.
Для информации:
Боярышница (Aporia crataegi), бабочка семейства белянок. Крылья в размахе до 65 мм, белые с чёрными жилками. Гусеница длиной до 45 мм, серовато-коричневая с полосками на спине. Распространена в умеренной и отчасти северной Евразии, в Северной Америке. Повреждает плодовые деревья. Бабочки вылетают в июне, яйца откладывают кучками по 30-150 штук на листья.

Гусеницы появляются в конце лета и скелетируют листья; зимуют на деревьях в гнёздах; весной расползаются из них и выедают почки, объедают листья, бутоны и цветки. Меры борьбы: сбор и сжигание зимних гнёзд; опрыскивание насаждений инсектицидами.

Хочется надеяться, что причин для беспокойства нет, дело в том, что все массовые имеют “волну жизни”, и эти бабочки Боярышницы не исключение. Обычно, подобный пик длится около двух-трёх лет. И сейчас как раз мы наблюдаем этот пик «волны жизни» Боярышницы, массового размножения этого вида насекомых в Удмуртии.
Для лесного хозяйства Боярышница не опасна, как считают специалисты, потому что в основном бабочка питается листьями боярышника и черемухи, а когда питания на всех насекомых не хватает, это наблюдается как раз в годы массового размножения, то насекомые переключаются на культурные виды растений: кустарники, плодовые деревья и в частности на малину. Опасны гусеницы, а не сами бабочки Боярышницы.
Нашествие этих насекомых может угрожать урожаю плодовых культур. Бороться с этими вредителями можно попробовать народными способами: опрыскивать растения растворами табака, полыни или чеснока.

Заключение.

Природные технологии - самые совершенные. Повторить их трудно, но начиная с 60-х годов ХХ века совместные исследования биологов, зоологов, физиков, химиков, математиков начали давать результаты в теоретической и практической биомиметике. В области колористики также начались первые попытки имитации структурной окраски. Безусловно, такая технология имела бы свои преимущества. Во-первых, синтез красителей - это довольно энергоемкое и малоэкологичное производство. Во-вторых, структурная краска устойчива к свету в отличие от традиционной, которая практически всегда выцветает со временем. Но пока структурная окраска - это новая сложнейшая нанотехнология с кучей нерешённых проблем.

Возможно решению многих физических, технических вопросов поможет знание национальных традиций, а романтизм, одухотворённость, воспроизведённые в верованиях и преданиях давно ушедших поколений, придадут решениям столь ценимую коллекционерами и тонкими ценителями старины патину древности.

Именно в эпоху Возрождения создавались самые грандиозные шедевры, навеянные древней мифологией и библейскими образами, делались самые смелые открытия. Неспроста сейчас активно изучаются и предпринимаются попытки воссоздать и реконструировать по сохранившимся в древних манустриптах чертежам аппараты, активно применявшиеся людьми во времена Древнего Египта, Древней Греции и Рима.

Часто с удивлением делаем для себя открытие, что люди тех эпох были нисколько не глупее нас, а порой их ум был куда более изворотлив, так как работать и творить им приходилось в более скудную материальными средствами эпоху. Именно наши предки, к нашему удивлению, подсказывают нам новые решения текущих проблем, протягивая руку помощи из глубины эпох, хотя мы порой признавать этого не хотим.

В морфологическом отношении чешуекрылые (бабочки ) составляют довольно компактную группу крылатых насекомых. Все тело и 4 крыла густо покрыты чешуйками и частично волосками. Голова с крупными фасеточными глазами, хорошо развитыми нижнегубными щупиками и расположенным между ними длинным спирально скрученным сосущим хоботком. Только у зубатых молей (Micropterigidae) ротовой аппарат грызущего типа. Усики хорошо развиты, самого разнообразного строения - от нитевидных до перистых или булавовидных.

Крылья обычно широкие, треугольные, реже узкие или даже ланцетовидные. Чаще всего передние крылья несколько шире задних, но иногда (например, у видов семейства Crambidae ) наблюдаются обратные соотношения: задние крылья гораздо шире узких передних крыльев. У низших чешуекрылых (Micropterigidae, Eriocraniidae, Hepialidae ) обе пары крыльев примерно одинаковы по форме и размерам.

Передние и задние крылья скреплены друг с другом специальным сцепочным аппаратом. Наиболее распространен френатный тип сцепления крыльев. В этом случае сцепление осуществляется с помощью френулума (уздечки) и ретинанулума (зацепки). Уздечка представлена одной или несколькими крепкими щетинками в основании заднего крыла, а зацепка - либо рядом щетинок, либо загнутым выростом в основании переднего крыла. В некоторых группах френатный сцепочный аппарат исчезает (например, у булавоусых чешуекрылых - Rhopalocera и коконопрядов - Lasiocampidae ), и соединение крыльев обеспечивается наложением переднего крыла на расширенное основание заднего крыла. Такой тип сцепления крыльев называется аплексиформным.

Жилкование крыльев чешуекрылых характеризуется значительной (редукцией поперечных жилок и незначительным ветвлением основных продольных стволов. В пределах отряда выделяется 2 типа жилкования крыльев.

Чешуйки на крыльях различно окрашены и образуют часто довольно сложный рисунок. Нередко наблюдается структурная окраска (пятна с металлическим блеском). По наружному и заднему краю крыльев тянется бахрома, состоящая из нескольких рядов чешуек и волосков.

В грудном отделе наиболее развита среднегрудь). Переднегрудь по бокам тергита несет лопастевидные придатки - патагии. В среднегруди сходные образования расположены над основанием передних крыльев и называются тегулами. Ноги бегательные, часто со шпорами на голенях. У некоторых чешуекрылых передние ноги сильно (редуцированы, спрятаны в волосяном покрове, и бабочки передвигаются на четырех ногах.

Дневные чешуекрылые, образующие естественную группу Rhopalocera, в состоянии покоя поднимают и складывают крылья над спиной. У большинства остальных бабочек обе пары крыльев отводятся назад, складываются и вытягиваются вдоль брюшка; только некоторые пяденицы (Geometridae ) и павлиноглазки (Attacidae ) не складывают крылья, а держат их распростертыми в стороны.

Брюшко состоит из 9 сегментов. Последний сегмент резко модифицирован, особенно у самцов, у которых он формирует копулятивный аппарат. Структурные особенности копулятивного аппарата широко используются в систематике, позволяя четко разграничивать даже близкие виды. У самок последние сегменты брюшка (обычно с седьмого до девятого) преобразованы в телескопический мягкий яйцеклад. В большинстве случаев половая система самок у бабочек открывается наружу двумя половыми отверстиями. Одно из них, терминальное, служит только для откладки яиц, второе, расположенное либо на конце седьмого сегмента, либо на восьмом сегменте, является совокупительным отверстием. Этот тип половой системы назван дитризным и характерен для большинства чешуекрылых. Однако в архаичных семействах (Micropterigidae, Eriocraniidae и др.) половая система построена по так называемому монотризному типу, при котором имеется только одно половое отверстие. И наконец, в семействе Hepialidae , хотя и развиты два половых отверстия, оба они занимают терминальное положение.

Характерная черта бабочек - развитие у многих из них криптических приспособлений, обеспечивающих их защиту от хищников. Сложные рисунки на крыльях имитируют отдельные элементы окружающей среды. Так, у некоторых совок (Nootuidae ), сидящих днем на стволах деревьев, передние крылья по окраске и рисунку сходны с лишайниками. Задние крылья, прикрытые сверху передними, не видны и не имеют сложного рисунка. То же самое наблюдается и у дендрофильных пядениц (Geometridae ), у которых на передних крыльях часто воспроизводится изображение структуры коры. У некоторых нимфалид (Nymphalidae ) при складывании крыльев наружной оказывается их нижняя сторона. Именно эта сторона окрашена у многих из них в темно-бурые тона, что в сочетании с изрезанным контуром крыльев создает полную иллюзию засохшего прошлогоднего листа.

Часто параллельно с криптической окраской у бабочек наблюдаются рисунки с яркими, броскими пятнами. Почти все нимфалиды, обладающие криптическим рисунком на исподе крыльев, сверху окрашены исключительно эффектно. Многоцветная яркая окраска используется бабочками для распознавания особей своего вида. У пестрянок (Zygaenidae ), обладающих ядовитой гемолимфой, яркая контрастная окраска крыльев и брюшка выполняет иную сигнальную функцию, указывая на их несъедобность для хищников. У части чешуекрылых, ведущих дневной образ жизни, возникает замечательное внешнее сходство с хорошо защищенными насекомыми, такими как жалящие перепончатокрылые. У стеклянниц (Sesiidae ) такое сходство достигается окраской брюшка и прозрачностью узких крыльев, на которых практически полностью редуцированы чешуйки.

Основным источником пищи для бабочек служит нектар. Перелетая при питании с цветка на цветок, бабочки, наряду с двукрылыми, перепончатокрылыми и жуками активно участвуют в опылении растений. Примечательно, что бабочки, обладая достаточно длинным хоботком, посещают цветки не только с открыто расположенными источниками нектара, но и с нектаром, глубоко скрытым в шпорцах цветков или на дне трубчатого венчика и соответственно недоступным для других насекомых. Цветки многих гвоздичных и орхидных благодаря их морфологии могут опыляться только чешуекрылыми. У некоторых тропических орхидей возникают специальные приспособления к опылению цветков чешуекрылыми.

Помимо нектара многие бабочки охотно поглощают сок, вытекающий из пораненных деревьев или плодов. В жаркий летний день можно наблюдать большие скопления белянок (Pieridae ) возле луж. Сюда же, привлеченные водой, прилетают и другие чешуекрылые. Многие дневные бабочки часто кормятся на экскрементах позвоночных животных. Независимо в самых различных семействах чешуекрылых возникает афагия: бабочки не питаются и их хоботок подвергается редукции. Среди насекомых с полным превращением чешуекрылые - единственная крупная группа, в которой столь часто наблюдается переход к афагии.

Большинство чешуекрылых ведет ночной образ жизни и только некоторые группы активны днем. Среди последних ведущее место принадлежит булавоусым, или дневным чешуекрылым (Rhopalocera) - группе, чрезвычайно обильно представленной в тропиках. Дневной образ жизни характерен также для ярко окрашенных пестрянок (Zygaenidae ) и стеклянниц (Sesiidae ). Среди других семейств чешуекрылых палеарктической фауны виды с дневной активностью встречаются спорадически. Некоторые совки (Noctuidae ), пяденицы (Geometridae ), огневки (Pyralidae ), листовертки (Tortricidae ) обладают круглосуточной активностью, однако днем эти бабочки чаще всего активны в пасмурную погоду или в затененных местах.

Чешуекрылые - насекомые с четко выраженным половым диморфизмом, который проявляется в строении усиков и сцепочного аппарата крыльев, в характере крылового рисунка и в степени опушения брюшка. Наиболее демонстративный половой диморфизм в рисунке крыльев наблюдается как у дневных, так и у ночных чешуекрылых. Ярким примером половых различий может служить расцветка крыльев у непарного шелкопряда (Ocneria dispar L.). Самки этого вида крупные, со светлыми, почти белыми крыльями; они резко отличаются от мелких и стройных самцов со сложным бурым рисунком на крыльях. Усики у самок непарного шелкопряда слабо гребенчатые, у самцов сильно гребенчатые. Половой диморфизм в окраске крыльев может быть выражен в ультрафиолетовой части спектра и невидим для глаза человека. Так, совершенно одинаковые белые бабочки боярышницы (Aporia crataegi L.) на самом деле диморфны, и самцы отличаются от самок ультрафиолетовым рисунком.

Крайним выражением полового диморфизма могут служить мешочницы (Psychidae ), некоторые пяденицы (Geometridae ), отдельные виды волнянок (Lymantriidae ) и листоверток (Tortricidae ), у которых самки в отличие от самцов не имеют крыльев, либо обладают их рудиментами. Самки многих чешуекрылых выделяют пахучие вещества (феромоны), запахи которых самцы улавливают обонятельными рецепторами. Чувствительность рецепторов довольно высока, и самцы улавливают запах самки с расстояния в несколько десятков, а иногда и сотен метров.

До недавнего времени химики считали, что окраска всех материалов, в том числе текстильных, зависит только от присутствия в них красителей и пигментов, способных поглощать какую-то часть лучей видимой части спектра и пропускать (если материалы прозрачны) или отражать (если они непрозрачны) остальные длины волн. Ту часть спектра, которую отражают материалы, наш глаз и воспринимает как цвет. Так учили специалистов по синтезу и применению красителей, так было написано в учебниках, и именно таков механизм химической или абсорбционной окраски.

Примерно 20 лет тому назад оказалось, что природа уже многие миллионы лет может создавать окраску и без специальных окрашенных веществ - только за счет упорядоченных структур очень маленьких размеров (наноразмеров). Этот механизм окрашивания, в отличие от «химического», основан только на оптических принципах. Когда свет отражается от наноэлементов, структурированных в полислои - решетки, кружева, бороздки, то, поскольку размеры этих элементов соизмеримы с длиной волны света, происходит интерференция, дифракция и рассеивание волн - в результате мы видим цвет. Такую окраску оптического происхождения назвали «структурной». Оказывается, она, наряду с обычной, встречается в природе довольно часто - у насекомых, птиц, рыб, морских моллюсков и растений.

Структурная окраска в живой природе существует примерно 500 миллионов лет. Можно считать, что первый намек на понятие «структурная окраска» появился в XVII веке у естествоиспытателя Роберта Гука, в его книге «Micrographia ». Ученый изложил свою теорию цветов и объяснил окраску тонких слоев отражением света от их верхней и нижней границ. Фактически это было первое упоминание интерференции. Правильное объяснение структурной окраски впервые дал лорд Джон Уильям Стретт Рэлей в 1917 году. Он вывел формулу для выражения свойств отраженного света регулярных слоистых структур и утверждал, что окраска двойного кристалла, старого потрескавшегося стекла и покрова жучков и бабочек обусловлена не пигментами, а структурой этих материалов. Также Рэлей заметил, что эти «оптические системы характеризуются размером, соизмеримым с длиной волны падающего света».

Следующий толчок к изучению структурной окраски дала появившаяся в 30–40-е годы ХХ века электронная микроскопия. С ее помощью удалось изучить строение перьев, в которых тонкие слои кератина чередуются со слоями воздуха, и доказать, что именно строение - причина радужной окраски. А еще электронная микроскопия показала, что разнообразная окраска крыльев бабочек семейства Morplro и других тоже возникает за счет структуры чешуек (рис. 1). Размер их ячеек и геометрия определяют длину волны отраженного света и его интенсивность (в случае бабочек Morplro мы видим сине-голубой цвет). Как правило, именно бабочек Morplro упоминают, когда речь заходит о структурной окраске. Микроскопическая структура их чешуек, равно как и моли Urania , изучены лучше всего (рис. 2).

Систематические исследования перьев птиц, покровов насекомых, чешуи и кожи обитателей морей и океанов продолжаются до сих пор. Оказалось, что в животном мире существует три вида окраски: только структурная (бабочки Morplo ), только пигментная (как у бабочки лимонницы) и структурная в сочетании с пигментной. Синий цвет крыльев часто создается структурной окраской, за счет чешуек, но если к ним добавляется желтый пигмент, то появляется дополнительный зеленый цвет.

Почему мы видим цвет там, где нет цветного пигмента? Когда свет взаимодействует с тонкой прозрачной пленкой, часть его отражается от ее внешней поверхности, остальной свет проходит через пленку до ее нижней границы, снова отражается, проходит через пленку до верхней ее границы и присоединяется к уже отраженному свету от поверхности (рис. 3).

Поскольку свет проходит путь, равный толщине пленки, волна, отраженная от верхнего края пленки, может совпадать или не совпадать по фазе с тем светом, который отражен от нижней границы. Фактически оба отраженных потока, от внешней и внутренней поверхностей пластины, складываются или вычитаются. Если фазы отраженного света от верхней и нижней поверхности не совпадают, то мы не видим окраску: это называется деструктивной интерференцией. Когда фазы совпадают, мы видим цвет - это конструктивная интерференция (рис. 4). Естественно, разница в фазах двух видов отраженного света будет зависеть от толщины пленки, коэффициента ее преломления, угла освещения и длины волны падающего света. При определенной толщине пленки, определенном коэффициенте преломления и полихроматическом освещении (белым светом) мы можем увидеть только один цвет. В других случаях на крыльях и панцирях (рис. 5) мы наблюдаем весь спектр цветов, в том числе глубокий черный и белый, радужную окраску, опалесцирующую.

Если интерференция происходит не в одной пленке, а в многослойном пакете прозрачных пленок, то конструктивная интерференция усилится и окраска будет более интенсивной. Такие многослойные прозрачные конструкции встречаются в оперении птиц, в покровных тканях насекомых, в чешуйках обитателей морей и океанов. Окраска этих живых организмов бывает самых разных цветов, в том числе радужной и переливчатой. У птиц оптические системы формируются комбинацией пигмента меланина, белка кератина и воздуха, а у бабочек исходный материал - азотсодержащий полисахарид хитин и пигменты.

Простейший пример радужной окраски - это тонкая пленка масла, керосина и других органических соединений на воде или красочные мыльные пузыри. Радужная и переливчатая окраски отличаются от структурной тем, что их цвет и оттенок меняются в зависимости от угла зрения наблюдателя. Но физическая природа у них одинаковая.

Как влияют различные условия на преломление света и на изменение структурной окраски, наблюдать довольно легко. Например, если на крыло бабочки (со структурной окраской) капнуть растворителем с другим коэффициентом преломления, чем у воздуха, то и окраска изменится, согласно законам интерференции. Так, капля ацетона (коэффициент преломления 1,38, воздуха - 1,0) изменяет цвет крыла с синего на зеленый. После испарения ацетона окраска возвращается. Если ацетон заменить растворителем с коэффициентом рефракции 1,56, близким к кутикуле (это плотный слой на поверхности чешуек), то все слои чешуйки образуют гомогенную оптическую систему, интерференция исчезнет вместе со структурной окраской - останется видимым только коричневый меланин.

Очень важная характеристика оптических свойств - то, как организована периодическая структура (1D, 2D, 3D), то есть в скольких направлениях может изменяться поток падающего света. Если в одном или в двух направлениях - это дифракционная решетка, если в трех измерениях - объемная структура или фотонный кристалл. Если периодичность трехмерна (3D), то мы видим окраску независимо от угла зрения. Классический пример фотонного кристалла - опал. Он играет роль оптического фильтра, и именно этими свойствами обусловлены яркие и красочные цвета опала, которые мы видим. В природе подобные 3D структуры обнаружили в хитиновых покровах жуков и на крыльях африканских бабочек-парусников.

В окраске бабочек встречаются и вариации структуры, которые называют «обратный опал». Это означает, что вместо плотно упакованных сфер на крыльях бабочек есть особая решетка (сетка из кутикулы) с дырочками, заполненными воздухом. Конечно, подобные структуры очень интересны, в том числе и для создания искусственного фотонного кристалла нового типа. Фотонные рукотворные кристаллы широко используют в оптике, в лазерной технике, в производстве волноводов и электроники.

Природные технологии - самые совершенные. Повторить их трудно, но начиная с 60-х годов ХХ века совместные исследования биологов, зоологов, физиков, химиков, математиков начали давать результаты в теоретической и практической биомиметике. В области колористики также начались первые попытки имитации структурной окраски. Безусловно, такая технология имела бы свои преимущества. Во-первых, синтез красителей - это довольно энергоемкое и малоэкологичное производство. Во-вторых, структурная краска устойчива к свету в отличие от традиционной, которая практически всегда выцветает со временем. Но пока структурная окраска - это новая сложнейшая нанотехнология с кучей нерешенных проблем.

Например, уже описана технология получения из коллоидного раствора пленок со структурной окраской. Первоначально полученные пленки были белыми - свет очень сильно рассеивался из-за дефектов в структуре кристаллической пленки. Но потом туда добавили частицы, которые абсорбировали рассеянный свет, и проявилась структурно окрашенная в синий цвет пленка. Кстати, крыло бабочек Morpho супергидрофобно, в чем не уступает лотосу, и эту пленку тоже удалось сделать гидрофобной. Перспектива использования нового материала - самоочищающиеся окрашенные поверхности.

Исследовательская группа университета Калифорнии (Сан-Диего) в 2009 году получила новые полимерные материалы, изменяющие окраску под действием магнитного поля. В магнитном поле микросферы (наночастицы оксидов железа), добавленные в полимер, ориентируются определенным образом и формируют фотонный кристалл, дающий цвет. Возможные области применения этой технологии - дисплеи, многократно используемая бумага со стирающимся текстом, защита ценных бумаг, экологически чистые пигменты, краски, косметика, чернила для печати и т. д.

Можно найти примеры случайной биомиметики в производстве текстиля. Так, определенная периодичность в структуре поверхности синтетических волокон приводит к интересным цветовым и тактильным эффектам. Такую ткань сделали в Японии - она называется «shingosen » (что буквально значит «новое синтетическое волокно» и созвучно названию известного сборника японской средневековой поэзии). Появились новые волокна с наноструктурированной геометрией поверхности. Специальная технология прядения, условия продавливания через фильеры расплава или раствора полимера и осаждения не только дают повышенную плотность волокон, но и формируют периодическую структуру на их поверхности. Такие волокна благодаря интерференции и рассеянию света ярко и радужно окрашены, как крылья бабочек. Кроме того, подобная структура поверхности улучшает смачиваемость гидрофобных синтетических волокон.

Текстильщики предлагают также «микрократерные» волокна, поверхность которых покрыта углублениями с диаметром несколько сот нанометров. Они хорошо рассеивают падающий свет, что углубляет окраску. Этот принцип в природе используют многие насекомые черного цвета.

Пока природа лучше, чем человек, справляется со многими задачами. Но человек понемногу учится делать все более сложные вещи, поэтому, может быть, завтра производство тканей цвета крыла тропической бабочки или морского перламутра станут рядовыми технологиями.

Окраска крыльев бабочек может быть пигментной (зависит от содержащихся пигментов), оптической (зависит от преломления света) и комбинационной (сочетающая два предыдущих типа окраски).

Типы окраски крыльев бабочек

Лимонница (Gonepteryx rhamni). Типичный пример пигментной окраски крыльев.


Сатир (Cithaerias esmeralda). Прозрачные крылья почти полностью лишены чешуек.

Морфо аматонте (Morpho amathonte). Типичный пример оптической окраски крыльев.

Каждая пигментная чешуйка содержит в себе только один пигмент.Наиболее часто это меланин, придающий чёрный и коричневый цвета, и липохромы каротиноиды — характеризующиеся светочувствительностью и обуславливающие жёлто-зелёную, жёлтую, бурую, оранжевую и красную окраску. Флавоноиды обеспечивают окраску жёлтого, белого, красного и коричневого цветов.

У белянок жёлтая окраска обусловлена пигментом ксантоперином и пуриновыми основаниями, образующимися из накопленной мочевой кислоты.

Выделяют два типа пигментов — диффузные и зернистые. Первые окрашивают хитин, но у чешуек пигменты содержатся в рельефе, а хитиновая пластинка часто лишена пигмента либо слабо окрашена.

Зернистые пигменты имеются только у представителей семейства белянки (Pieridae), и погружены в хитиновую оболочку чешуек.

Расположение различно окрашенных чешуек на крыле закономерно и образует сложные рисунки, характерные для каждого вида, а часто и систематической группы.

Урания мадагаскарская.

Отчётливо видна асимметричность рисунка на нижних крыльях.

При оптической окраске в чешуйках бабочек возникает тонкослойная интерференция. Пигмент в нижней части этих чешуек не пропускает свет и придаёт бо́льшую яркость интерференционной окраске.

Лучи света, проходя через чешуйки, отражаются как от их внешних, так и от внутренних поверхностей, и в результате два отражения накладываются и усиливают друг друга.

Среди обладающих металлической окраской чешуек бабочек можно различить два типа: с морщинистыми пластинками чешуек и косыми параллельными бороздками (морфиды); и с гораздо более толстой верхней пластинкой, которая является относительно ровной (урании).

Бабочки с оптической окраской крыльев — морфиды, урании и отчасти парусники, некоторые виды нимфалид (Nymphalidae), голубянок (Lycaenidae), белянок (Pieridae) и некоторые другие.

Своеобразны сатиры рода Cithaerias из Южной Америки, крылья которых, утратив чешуйки, стали прозрачными, и только на задних крыльях сохраняются типичные для сатиров «глазки». Также частично прозрачные крылья имеют некоторые виды геликонид, стеклянниц, бражников.

Почти у всех бабочек рисунок на левой паре крыльев идентичен рисунку правой, являясь его зеркальным отражением, но существует исключение — урания мадагаскарская (Chrysiridia madagascariensis) с асимметричностью рисунка на крыльях.

Полиморфизм — появление различных форм, отличающихся по окраске и ряду признаков, внутри одного вида. Например, у особей медведицы-кайя (Arctia caja), развивающихся в одинаковых условиях, порой наблюдается вариабельность окраски, причём иногда эти различия настолько велики, что бабочек можно принять за представителей различных видов.

Среди европейских видов, примером полиморфизма служит большая лесная перламутровка (Argynnis paphia), у которой самцы одинаковый окраски, но самки бывают двух форм. Наряду с обычными рыжими самками, встречается тёмная форма valesina, у которой общий фон крыльев зеленовато-серый.

Если отличия между различными формами самцов или самок ограничиваются цветом окраски, не задевая других признаков, то такие частные случаи полиморфизма сводятся к дихроизму (двухцветности) или полихроизму (многоцветности) особей каждого пола; так, например, у упомянутой выше большой лесной перламутровки имеет место дихроизм самок.