蝴蝶的特征是什么简单(蝴蝶的特征是什么样的)

蝴蝶是自然界中的“色彩大师”，它不仅展现了大自然的美学，也给人们带来了独特的视觉盛宴和科学家研究的灵感。

图片来源：veer图库图片来源:veer画廊

大多数蝴蝶艳丽的颜色都不是“染”出来的。它们翅膀上的颜色是由微小的鳞片产生的，这些鳞片会在翼膜上覆盖两三层。经过数亿年的进化，覆盖在蝴蝶和飞蛾翅膀上的数万片鳞片进化成了形状各异的精细构型，特殊的微纳结构“自然”呈现出各种颜色。蝴蝶的翅膀是怎么“变”成现在的样子的？三角函数可以帮助我们回答这个问题。

最近，科学家构建了一个基于三角周期函数的数值模型，该模型以化石和目前生命中发现的鳞片微纳结构为基础，还原了鳞翅目(俗称蝴蝶、飞蛾)鳞片微纳结构的演化过程和相应的光学性质变化。该研究成果于5月31日在线发表在《高级光学材料》杂志上。(戳“稍等……”看报纸)

研究这个演变过程，意义何在？

昆虫的着色形式有色素色和结构色，其中微纳结构产生的结构色更加鲜艳饱满，不会随时间而褪色。

小知识

我们可以看到两种颜色:色素色和结构色。

颜色的出现来自于物质分子对光的选择性吸收。不同的颜料或染料分子，由于其内部化学结构不同，吸收波长不同，可以表现出不同的颜色。

颜色是微观物理结构与自然光相互作用(如散射、干涉、衍射等)产生的颜色。)，而它的产生有赖于对物质微观形态的精确控制。同样的材料或物质，在不改变其化学成分的情况下，仅通过调制其微纳结构，就能呈现出不同的色彩效果。

一直以来，古生物学家都在试图通过化石信息重现古昆虫的颜色特征，通过微纳结构的演化探索早期地球生态环境的变化。

这些“古老”的信息对我们有什么用？事实上，这种进化过程可以给材料研究中微纳构型的选择、优化和利用带来很多启发。

随着材料科学研究的深入，越来越多的微纳结构在力学、光学、电磁学等领域发挥着重要作用。了解自然界中不同微纳结构的演化过程，有助于深化构型优化和昆虫对环境适应性的理解，从而针对特定的性能需求，更高效地匹配相应的高效构型。近年来，一些纳米孔、纳米柱和更复杂的三位微纳结构在图像传感器、太阳能电池和半导体等领域发挥了重要作用。

找到足够的研究样本并不容易

鳞翅目昆虫鳞片结构的进化一直是生物学家关注的焦点。此前，古生物学家通过化石信息发现早期鳞翅目微纳结构多以多层膜的形式存在。

但由于鳞翅目昆虫体型较小，翅膀多为疏水性，在湖泊沉积物中很难保持完整，所以多见于琥珀中。因此，很难保存相关物种进化每个阶段的所有化石样本，也不可能收集完整进化过程中的所有化石样本。微纳结构演化的探索只能停留在几个零散的时间节点上。

遗传学家试图通过提取控制蝴蝶鳞片形态的基因来探索颜色的遗传机制，但大多只停留在色素颜色的研究上，由于基因的多效性，很难准确提取控制微纳结构遗传的决定性片段。

没有足够的研究样本，如何研究进化过程？这时，三角函数出现了。

三角函数&昆虫

昆虫体内的微纳结构大多具有周期性，这与三角函数的周期性一致。再者，扩展三角函数来表达三维的周期结构空应该是准确的。

从三角函数sin(x)=t的最简单形式出发，它的解是一维数轴上的周期点，是二维平面直角坐标中垂直于x轴的一组等距直线。将其推广到三维空并在一定范围内加宽参数t，可以得到有限厚度的多层膜。这为鳞翅目多层膜结构起源的假说提供了数学支持。

见证奇迹的时刻:进化过程的演绎古代的蝴蝶并没有像现在这样绚丽的颜色，但是随着蝴蝶翅膀上的数值模型越来越复杂，显示的颜色也越来越多。

目前，原蝶的微纳结构主要分为四类，即广泛存在于蓝蝶中的树枝状结构、凤蝶中的孔洞状结构、凤蝶眼斑中的坑状结构和一些小灰蝶中存在的三维复杂光子晶体结构。

基于蝶类鳞翅目化石信息中发现的早期多层膜结构的数学方程(sin(x)=t)，通过加入其他结构特征对应的特征三角函数，可以得到现代鳞翅目四种典型结构的数值模型。

见证奇迹的时刻到了。

光学模拟结果显示，当垂直的“树干”结构逐渐长成“树枝”时，观察者几乎从各个角度都能看到翅膀的金属色，颜色变得更加明亮。原来，蓝色蝴蝶翅膀上的亮蓝色就是这么来的！

当垂直多层膜逐渐弯曲并演变成纳米孔时，该结构捕获光线的能力逐渐加强，可以使蝴蝶更高效地吸收太阳光能量，帮助生活在高山地区的蝴蝶充分利用阳光来维持体温。

当多层膜折叠后，相邻的多层膜逐渐连接，演变成三维螺旋二十面体结构时，结构的饱和度不断提高，意味着警戒色不断增强，有利于小灰蝶个体利用翅膀上鲜艳的颜色恐吓天敌。

除了鳞翅目，叶蝉、甲虫等其他昆虫中的微纳结构也可以用同样的方法匹配到精确的数值模型。由于构型数值方程用三角函数表示，参数的取值和设置可以大大简化。

本研究通过三角函数模型有力地支持了鳞翅目多层膜结构起源的假说，还原了蝴蝶体内几种典型翅鳞的进化过程以及相应光学性质的优化。也为仿生构型材料制备和器件设计提供了理论模型基础。

随着加工和制备技术的进步，在未来的生活中，相信微纳结构将在低能辐射冷却、光学传感器、高分辨率液晶面板、轻质高强结构等领域发挥越来越重要的作用。

参考链接:

https://journals.plos.org/plosbiology/article? id = 10.1371/journal . pbio . 1001200

作者:赵新坤王璋(上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室)

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