大自然的色彩探秘

天空为什么是蓝色的？萤火虫的发光有什么特？变色龙是如何实现变色的？植物园里的四季颜色为什么不同？动物为什么会有保护色? ......要想了解这些知识,赶快加本书，书中讲述了各种类型动植物、自然之色产生的原因或机理，阐述物质的微观结构是怎样决定和影响它们的色彩。内容编排与选取上以各类别的“颜色”为主线，力争图文并茂，通过深浅出的讲述，将难以理解的不同类别的自然之色与无数引人胜的具体色彩实例结合起来，同时又将看似普通的颜色现象，归纳、总结出其深刻的“起源”。书中内容对于读者增加广博的知识，提高科学素养起到了非常好的促作用。 本书面对的读者群体可以是青少年，也可以是化学、专业、美术、艺术设计专业等文理科通用，为设全校性公选课服务，为社会各类群体提供精神食粮。
【推荐语】
观自然风光，探宇宙奥秘，习人文历史传承，丰富阅历，增长见识。精美的图片，赏心悦目的色彩对视觉的冲，身边耳熟能详的自然现象，隐含着不为你所知的的科学道理，作者通过各种无数引人胜的具体色彩实例，探究其“本源”，对美的追求和知识的探求的本能，吸引着读者一页页去欣赏，以了解身边的各种自然现象，天空为什是蓝色的，而不是绿色、黄色或者粉红色的？彩虹是怎样形成的，海市蜃楼是一种什么样的自然现象？动物为什么会有各种颜色？这些颜色在保护、防卫等方面有什么作用？是什么物质在掌控着色彩的变化？春夏秋冬植物的色彩为什么会有如此明显的变化，这其中色素的作用是怎样的？土壤为什么也会有黄、红、黑、青等色彩，这其中又是什么科学道理？有好奇心的朋友不妨拿本书翻看一看，相信你一定会被书中的精彩内容所吸引。 日里，生机勃勃的绿色是主色，绿色植物的叶片细胞内含有多种色素，包括叶绿素、花青素、胡萝卜素、类胡萝卜素等，这几种色素在叶片细胞内所占的分量和位置就决定着叶子颜色，这就像我们调配颜色，许多单色其实是由两种或者多种基本色调和在一起形成的。大部分植物在幼苗时叶子呈黄绿色，长大后叶子变为深绿色，到了秋天就枯黄了。因为植物初生嫩叶的时候，光合作用的能力较弱，合成叶绿素的能力相应较低，而合成叶黄素类的能力稍强。秋天光照减弱，叶子合成叶绿素的能力又相对减少，加之植物体内的某些酶出来分解叶绿素，这样叶片中叶绿素含量日渐减少，叶黄素、胡萝卜素较多的叶片就呈现黄色等，红叶树种此时在叶片中产生了一种叫花色素苷的红色素，所以叶片能够呈现出美丽的红色。 当非叶绿素主导时，叶片的颜色就不是单一的绿色了。如红苋菜的叶子，它的叶片含类叶色素和花青素特别多，一始就是红的。紫叶李、红苋草等的叶子在全部生长季节中都是红的，这是红色素在这些植物叶片中常年都占据优势的缘故。类叶色素有三个同分异构体，主要存在于植物的叶片和果实中，都是有颜色的物质。在没有光照下，植物也能合成它。但是，植物一旦合成了它，就不易分解。还有的彩叶植物只是叶片的某一部分色素含量高，如叶的上表面或下表面。于是，在自然界就出现了许多色彩美丽的彩叶植物。更有意思的是，彩叶的颜色并不是一成不变的。植物叶片所表现的颜色不是由某一种光合色素的**含量所决定，它主要受各种光合色素之间的相对含量以及光合色素与叶片中其它色素的相对含量的高低所决定。植物叶中同时存在花青苷和叶绿素时，叶片就会呈现红色或紫红色，紫叶桃的叶片之所以表现为红色，是因为叶片中积累的糖量多，在叶片中形成的花青苷的量也就高，因此表现为红色。 几乎所有动物都具有一定的体色，这是生物适应环境的重要手段之一，生物的这种体色被称为生物色(biochrome)。生物色可分为化学色(chemical colours或pigmentary colour)和结构色(structural colours)两种，化学色主要是由生物体内所含的**色素引起的。动物体内常见的色素有黑色素、嘌呤色素、喋呤色素、血红素等。结构色是生物体亚显微结构所导致的一种光学效果，即对可见光行选择性反射、透射等而呈现的颜色，与色素着色无关。柳紫闪蛱蝶雄蝶翅膀正面的黑色部分，它的化学色是黑色，但结构色是宝石蓝。 动物的化学色是由于动物体一定部位有某些特定化合物(类胡萝卜素群、胆汁色素群、黑色素、萘醌系色素群、嘌呤色素、喋啶系色素群、四吡咯色素和其它色素等)的存在造成的，这些化合物吸收可见光区某种波长的光波，而反射其它光波，形成各种颜色。根据色素化合物所在位置不同，色素色又可分为表皮色、真皮色、真皮下色和表皮上色4类。动物的体色一般是由细胞内的色素体或细胞分泌的色素颗粒来体现，色素细胞一般位于真皮内。在无脊椎动物中，色素细胞的位置多系并行排列；在脊椎动物中，色素细胞的位置多系上下排列：含有吲哚色素的黑色素细胞在*上层，含有类胡萝卜素的红色与黄色细胞在中间层，含有类胡萝卜素的青色细胞在*下层，含有卟啉色素的无色细胞位于黑色细胞与青色细胞之间，并散存于红、黄二色细胞的周围。鸟类和哺乳类的羽毛和毛发都是其皮肤的衍生物，它们的色泽由其结构决定。羽色的产生有两种途径，一种是借助色素生成，如*常见的黑色素用于产生各种棕(褐)色及黑色，绿色素及红色素较为少见。另一种着色方式是由羽毛的物理结构引起的，如星椋鸟身上亮丽的青绿色等。 鱼类、两栖类、爬行类及头足类软体动物和某些甲壳类动物的体色是由于真皮中含有大量色素细胞，色素细胞中含有由蛋白质和色素结合而成的各种色素颗粒。根据色素细胞所含的色素颗粒、色素分子、色素色、运动性以及光反射器官等，一般将色素细胞分为：黑色、白色、黄色、红色和虹彩色素细胞五类。不同类型的色素细胞，其形态结构、色素色和呈色物质等有所不同(见表5.1)，不同比例间的配合形成了各色花纹、斑、形貌等。例如，一些虾虎鱼的蓝色是由于皮肤鸟嘌呤细胞中鸟嘌呤结晶反射光线的结果；虾、蟹等甲壳类动物青色外壳是虾青素酯和虾青素(astaxanthin)为主的显色，外表呈现红色的虾、蟹含有虾红素(astacin)，就是以其烯醇型的虾青素与蛋白质的结合物；绿色树蛙的真皮含有黄色素细胞与鸟嘌呤细胞，二者共同对可见光作用的结果导致绿色的形成；等等。 蝴蝶翅膀上的鳞片使照射其上的光产生折射、反射、干涉等，形成各种华丽的色彩，黑色多由酪氨酸氧化形成的黑色素产生，黄色、红色、橘红色则是由类胡萝卜素、花青素、花黄素等色素产生。南美洲拟色蝴蝶绚丽夺目的紫色翅膀是由衍射引起的，且颜色随着观察角度的变化而变化。紫色帝王蝶及甲壳虫等所显示的也是虹彩色，多数情况下，它们所显示的并不是纯种的紫色，而是一种混有蓝、绿和紫色的虹彩色。红翅尖粉蝶含红蝶呤和胡萝卜素，因而有红色的翅膀；中美角翅黄粉蝶含黄蝶呤和橘红蝶呤，翅色黄灿灿的；蓝闪蝶含蝶蓝素，翅膀为暗蓝色；路比绿灰蝶含胆绿素或蝶蓝素，翅膀为青绿色；白翅尖粉蝶含白嘌呤，翅膀为白色；巴黎翠凤蝶含有真黑素，翅膀为黑色。一些鳞翅目昆虫的鱗片与刚毛可产生衍射色，蜻蜒、蝇类、甲虫等透明薄翼中，*直观察到虹彩现象都源自单层薄膜干涉，闪蝶的虹彩色颜色大部分都是来自于复杂的脊一多层膜结构，碧凤蝶翅膀上闪亮的绿色来自于体内的一维周期性结构，天牛Tmesisternus isabellae在干湿不同状态下展示了可逆的黄绿/红颜色变化，这种变化来源于其鞘翅上微绒毛的可调一维光子晶体。栖息在雨林中的独角仙，其外壳通过和材料的耦合而具有变色功能，干燥环境下呈绿色，潮湿环境下呈黑色。 动物的呈色机制多种多样，鸟类的羽色、蝴蝶的翅色主要是由于光的干涉现象所引起；火鸡头颈周围皮肤呈蓝色和灵长类动物脸部、臀部及生殖区皮肤的蓝色则是由于射光中的蓝紫部分被表皮组织中的大量细小颗粒(直径与光波长相当)反射出来，而射光中的红黄部分则透过这个颗粒层、被真皮组织中的黑色素吸收所致。实际上，生物界中的结构色主要形式有干涉(薄膜干涉和多层膜干涉)、衍射、散射、光子晶体结构生色和无序结构所产生的颜色等。也有色素颗粒形成的不同毛色的差异等，更有生物化学反应导致的化学色变化，以及化学物理色(色素结构色或称结合色)等。蓝翠鸟和许多鹦鹉的蓝色羽毛所呈之色与照射光的反射有关，一些绿色或紫色基本是蓝色成分结合适量黄色或红色形成的，如鸽子颈部绿色和紫色的羽毛。绿色鸟羽中的黄色成分是由叶红素控制的。光的散射、干涉等对鸟羽呈色同样重要，如孔雀、蜂鸟羽毛绚丽的色彩，绿色和紫色都是由角蛋白上表皮的干涉效应造成的。虫绿素、卟啉色素等生物色素制造红色、橙色或黄色。孔雀尾羽眼斑上的羽毛是二维光子晶体结构，周期数目不同，呈色不同。美洲蜂鸟身上闪闪发亮的虹彩源自鸟翼不停拍动使羽毛不断的晃动，光的干涉作用和薄膜效果给人造成的视错觉。 所有的昆虫都含有细胞色素分子，一些在低氧环境中生活的昆虫也合成血红蛋白。某些卟啉代谢中形成的黄色、绿色、红色或褐色非金属化合物系列成分被称为胆色素(bilin)类，一般为绿色或者与蛋白质结合后形成蓝色的色蛋白。色蛋白可以与类胡萝卜素结合形成昆虫的许多绿色色素。黄色的类胡萝卜素常与蓝色四吡咯色素结合，形成很多昆虫的绿色。在巴拿马生活的一种龟甲虫charidotella egregia，在受到外力刺激后，能将自己的颜色由绿色变成红色，这种甲虫变色的机理是色素色和结构色共同作用的结果。 巨嘴鸟拥有巨大的集合多种色彩的鸟喙，托哥巨嘴鸟的喙据说是所有鸟中*光彩夺目的。黄鹂、蜂虎、咬鹃是色彩非常丰富的鸟，雄性威尔逊极乐鸟有着与众不同的里拉琴琴弦状的尾羽。秘书鸟的脑袋后方长有一长排羽冠，每根羽冠就好像西方古代用的羽毛笔一样。
【作者】
涂华民，河北师大化学与材料科学学院，教授，主要从事无机化学本科和研究生专业基础课的讲授，并从事无机化学相关领域的基础科研工作，重侧重于新型功能材料与新能源方面的应用研究，对于分子生物无机化学及谱学分析技术方面有一定的基础。担任《光谱实验室》杂志编委。目前在校设《颜色与化学》公课程,深受学生喜爱。