2015高考作文：蝴蝶的翅膀 到底有没有颜色？ 果壳 科技有意思

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2015高考作文：蝴蝶的翅膀，到底有没有颜色？

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2015年安徽高考的作文题目是这样的：

科研人员特地设计了一个有趣的实验，让同学们亲手操作扫描式电子显微镜，观察蝴蝶的翅膀。通过这台可以看清纳米尺度物体三维结构的显微镜，同学们惊奇地发现：原本色彩斑斓的蝴蝶翅膀竟然失去了色彩，显现出奇妙的凹凸不平的结构。原来，蝴蝶的翅膀本是无色的，只是因为具有特殊的微观结构，才会在光线的照射下呈现出缤纷的色彩……

好啦，别说蝴蝶翅膀，你就算拿一桶颜料来，在电子显微镜下也看不到颜色的啊……颜色是光带来的现象，而电子显微镜顾名思义是用电子的，成像效果默认都是灰色，那些彩色照片都是算法生成的伪色。

但蝴蝶翅膀到底有没有颜色呢？

简单地说，有。蝴蝶翅膀的颜色有两个来源，其一是色素“本身”的颜色，其二是鳞片表面特殊结构产生的颜色。

但要详细讲的话……可就多了。

颜色，是生物对于光的主观感受

颜色是一个生物学概念，只存在于生物的眼睛和大脑之中。物理世界是没有颜色这回事儿的；它有的，叫做“光谱功率分布”（spectral power distribution, SPD）。

简单地说，光谱功率分布描述了光的“成分”。光是一种电磁波，正如声波一样，它可以是单一频率的波，也可以是多种不同频率的组合。把每一种频率和它们的“强度”都列出来，就得到了一个光谱功率分布。

而一个有眼睛的生物，就能把光的成分换算成“颜色”。但是，这个换算并不是一一对应的。完全不同的成分，可能看起来给人的感觉一样，比如红光和绿光叠在一起会让人觉得看到了黄光。毕竟眼睛不是光谱仪。

为什么会产生这样的错误判断？因为人的眼睛只有三种感受色觉的细胞。

下图是人眼睛中的三种色觉细胞。

假如你看到波长为550nm的单色光，它对于L和M引发的刺激都同样强烈，而S没有反应，你的大脑将这种状态理解为“黄”。

但如果你看到波长为534nm和564nm的光同时射过来，同样会产生“LM一样强，S没有”的状态，也会觉得这是“黄”。

正因为我们的眼睛比较弱，所以显示器和打印机用寥寥三种成分就可以欺骗眼睛，模拟出自然界大部分东西的颜色感受，而不需要真的发出每种物体“本来”的光线成分。

不过，假如有一种生物比我们多出第四个感受器（比如濑尿虾），或者哪怕是它的感受器分布和我们不一样（比如鸟类），在它看来，这就可能是两种不同的颜色了。反过来，如果有的生物感受器比我们还少（比如狗），那就是我们能分辨的颜色，它们看来都一样。

甚至不同的人之间，对于颜色的判断都可能有所差异——毕竟颜色是一个主观感受，我们也许永远无法知道别人眼中的550nm光到底会产生什么样的感觉。但即便如此，国际照明委员会还是设立了一个标准规范，诸如RGB、CMY这样的颜色体系，就是建立在这个规范的基础上——用三个数字来表示一种颜色。

颜色和光源，脑补的力量

颜色的来源当然是光，但光的来源呢？

自然界的东西可以简单分成两类，要么自己发光，要么自己不发光。对于前者（比如电脑显示器），发出来什么样的光，那就是什么样的颜色；而对于后者（比如印刷品、花、蝴蝶翅膀），那就取决于什么样的光照上去、又有什么样的光反射或者透射回来。

最重要的光源是阳光。阳光里各种波长的可见光都会有一些。因为在人类数百万年演化史里，绝大多数时候阳光是唯一的强光源，所以当我们说一件衣服是“红色”的时候，说的其实是“如果把它放在太阳光下，那么它反射回来的光，会让人的眼睛和大脑觉得是红色的”。

如果把它放在别的光下，就会产生其他的颜色感觉，但是我们的大脑有补偿机制，会试图判断光源的状态，然后光源和反射光相减，从而想象出衣服在正常阳光下“应该”是什么样的。假如你在烛光晚餐，白盘子里盛着黄色的意面，你会觉得意面也变成了白色——你知道光源是黄色的，白盘子在黄光照耀下发黄，因此你会认为意面的黄色不是本来的颜色，也是光源的结果，减掉光源也成了白色。

但是，如果光源的信息不足，比如只看到了一张照片，那么不同的人脑补出来的光源就可能不一样，从而相减之后对这件衣服的颜色判断也不一样——这就是为什么有的人看到白金裙子，有的人看到蓝黑裙子。

假如你脑补出来的光源是阴暗的，相减之后就会认为这是白金裙子；假如脑补出来的光源是明亮的，相减之后就会认为这是蓝黑裙子。图片来源：xkcd

而刨除所有这些干扰因素，只考虑物体本身反射光的能力的话——这才终于到了蝴蝶翅膀本身。

色素色和结构色，都是“真”的颜色

如果是一个普通的不透明物体，光线照射上去会有一部分被吸收、另一部分被反射回来。具体哪些被吸收，主要取决于物质分子里的化学键——有些化学键里的电子所处的状态非常容易吸收特定波长的可见光，而剩下其他波长就会反射回来产生颜色的感觉。能起到这样效果的物质就是色素，这样的颜色被称为色素色或者化学色。

但是还有一些物体不那么普通，它表面有特殊结构，让光线反射出来的时候不是胡乱反射，而是发生干涉，从而改变光的成分。这样的结构通常是纤细的平行薄层，层之间的距离和光的波长相当，这样反射出的平行光之间就会有干涉。和色素色不同的是，干涉效果和观看的角度有关系，所以往往会显示出光泽或者虹彩的效果——但也有些鸟类的羽毛上有小气泡，起到散射效果，把虹彩抵消掉。这样的颜色，叫做结构色或者物理色。

蝴蝶鳞片的示意图。图片来源：asknature.org

两种颜色并不矛盾，可以同时存在；比如孔雀的尾巴，就是棕色素和蓝绿结构色的合成效果。同样，两种颜色也不能说谁比谁更“真”：它俩都能实现同样的效果——将特定波长的光线射回你的眼睛，无非实现方式不同罢了。

总的来说，哺乳动物在色素上很受局限，基本上只有黑色素这一类——当然这一类下有很多种，可以显示出黑色、灰色、黄色、褐色、红棕色等等色调，然而从绿色开始就基本没戏了。鸟类会好很多，除了黑色素，还有类胡萝卜素和卟啉，覆盖了亮红色、绿色和粉色，但是对蓝色依然力不从心。我们见到的鸟类身上的蓝色，几乎都是结构色的结果。

蝴蝶的翅膀：博采众长

蝴蝶翅膀里两种颜色都有。闪蝶是一个著名的例子。雄性的闪蝶翅膀背面拥有非常美丽的蓝色虹彩，这是结构色；但是它的翅膀腹面却是棕色的，这就是色素色。

蝴蝶的结构色来自它翅膀上的鳞片。每一片都由一个细胞长成，非常微小，肉眼看起来就像是粉末；一排排鳞片像瓦片一样交叠起来。鳞片的下方没有什么特殊结构，但上方有许多几丁质组成的细微平行横条，闪蝶的两条之间相距200nm，差不多是蓝光波长的一半。这样来回两次正好差一个蓝光波长，相互加强；其他波长的光相比之下就弱下去了。

闪蝶的鳞片和鳞片上的细微结构。图片来源：asknature.org

这些横条的下面还有一层黑色素，能起到吸收杂光的作用，让蓝色更加鲜艳。

相比之下，虽然闪蝶的腹面也有鳞片，但是横条之间的距离要更细，对应的波长已经离开了可见光的范畴，所以没有明显的结构色，只会显示出内层的色素色。

闪蝶翅膀反光的最重要用途，大概是通讯。雄性闪蝶用这样的闪光互相划分地盘，相互回避，人工模拟出的蓝色闪光会让其他的雄性不愿靠近。鳞片能够反射70%以上的蓝光，比起色素要高效很多，而且闪蝶的眼睛也是对蓝色最为敏感。

但是这样的副作用就是过于显眼，容易被捕食者发现；毕竟很多鸟类也对蓝紫光甚至紫外光极为敏感。一种猜想认为，飞行的时候腹面的褐色能够起到补偿作用：由于蝴蝶在飞行时翅膀不断扇动，在空中的捕食者看来就是从闪烁蓝色到褐色之间不断地切换，仿佛是一个光点闪烁一下，消失了，然后在另一个地方重新出现。这会让捕食者很难连续锁定并追踪它的具体位置。

因此，回到原题目：题中的表述是不合适的。电子显微镜使用电子而不是可见光，因此颜色无从谈起，电镜照片本体都是灰色的，后期使用算法添加伪色。而在可见光下，无论是色素色还是结构色，都是物质对光的作用，无非原理不同，谈不上谁真谁假——毕竟，自然界只有光的组合，无论是天空的蔚蓝、玫瑰的火红还是橙子的金黄，都只是人脑中的概念罢了。（编辑：Ent）

The End

发布于2015 06 08， 本文版权属于果壳网（），禁止转载。如有需要，请。

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