Хотя среди животных и насекомых существует большое разнообразие цветов, вы наверняка удивитесь, узнав, почему тело группы жуков кажется купающимся в каком-то драгоценном металле.
Среди животных существует большое разнообразие окрасов. Некоторые группы более незаметны, но другие, такие как определенные птицы или некоторые бабочки, демонстрируют яркую и эффектную окраску. У некоторых, как на перьях сороки виднеется металлический блеск, когда на них падает свет. Но есть группа жуков, тело которых, кажется, купается в каком-то драгоценном металле.
Металлические жуки
Это род Chrysina из семейства Scarabaeidae, к которому принадлежат навозные жуки, народное название которого — «жук-самоцвет». Эта большая группа жуков, от 1 до 4 сантиметров в длину, включает виды с более или менее заметной зеленой окраской, некоторые, как C. gloriosa, с металлическими полосами, покрывающими надкрылья, и другие, как C. quetzalcoatli, с бордовыми узорами смешанными с зеленым оттенком.
Но, возможно, наиболее яркими видами этого рода являются те, у которых все тело имеет характерный металлический блеск: C. chrysargyrea имеет металлический темно-зеленый цвет; C. optima еще более темный, почти блестяще-черный, как минерал гематит; C. limbata , полностью серебристый; C. resplendens очень похож, хотя и более желтоватый. И, конечно же, жук в верхней части этой статьи, Chrysina aurigans, который, кажется, сделан из чистейшего золота.
Представители рода Chrysina обитают исключительно на американском континенте, от юга США через Мексику и Центральную Америку до Венесуэлы, Колумбии и Эквадора.
Однако жуки с металлическими тонами есть и в других частях мира. В Испании есть Cetonia aurata из того же семейства Scarabaeidae, который сияет более скромным темно-зеленым цветом, с грубой текстурой и матовыми кремовыми пятнами.
Есть ли у металлических жуков металл?
Европейские металлические жуки, такие как Cetonia aurata, безусловно, впечатляют, но их шероховатость выдает их за живых существ. Металлический блеск рода Chrysina в сочетании с их гладкой поверхностью делает их действительно похожими на жуков из золота, серебра или платины, тонко отполированных и тщательно обработанных каким-нибудь ювелиром. Уже на фото они впечатляют, а вживую ломают все наши схемы.
Первая интуиция подводит нас к мысли, что это любопытство связано с тем, что существо должно содержать металл на поверхности своего экзоскелета. Если посмотреть на спектр отражения видимого света C. aurigans и сравнить его со спектром золота, можно увидеть, что, хотя кутикула жука отражает меньше света, чем драгоценный металл, график очень похож.
Однако эти жуки не накапливают металл в своей кутикуле. Происхождение этой яркости кроется в микроструктурах его экзоскелета.
Структурный цвет, придаваемый кутикулой
В природе существует два способа отображения цвета. Один, наиболее известный, связан с использованием пигментов, молекул, которые поглощают определенные длины волн видимого света и отражают другие. Это пигменты хлорофилла, придающие растениям их зеленый оттенок, или меланин, окрашивающий нашу кожу в самые разные тона. Но не пигменты придают жукам их цвет; но вторая форма, менее известная, но также присутствующая у других животных, например, на крылья бабочек или перья некоторых птиц. Это структурный цвет.
Кутикула жуков и вообще насекомых состоит из трех слоев. Внешний слой, называемый эпикутикулой, тонкий и прозрачный, состоит из гидрофобных веществ, обеспечивающих водонепроницаемость тела животного и препятствующих обезвоживанию. Несмотря на кажущуюся хрупкость, он обладает очень интересными оптическими свойствами; когда его поверхность совершенно гладкая, он очень эффективно рассеивает свет, придавая животному блестящий вид.
Нижний слой — эндокутикула. Это самый стойкий, жесткий и прочный слой, он образует твердую часть экзоскелета насекомых, и его функция в основном структурная.
Между эпикутикулой и эндокутикулой находится промежуточный слой, экзокутикула, отвечающий за окраску. У жука-самоцвета экзокутикула пластинчатая, состоящая из множества уложенных друг на друга слоев хитина. Эти листы чередуются между некоторыми, состоящими исключительно из хитина, прозрачными, и другими с крошечными кристаллами мочевой кислоты, которые увеличивают отражательную способность поверхности до 20 раз.
Отражение и преломление света
Но этот свет не всегда отражается одинаково. Все мы наблюдали, как карандаш в стакане с водой как бы гнется; явление, которое связано с тем, что показатель преломления света в воздухе иной, чем в воде, и когда свет падает на поверхность жидкости, лучи «изгибаются» и порождают этот оптический эффект.
Точно так же, когда свет падает на эпикутикулу жука и проникает слой за слоем в экзокутикулу, свет преломляется и отражается, рассеивая различные длины волн, как стеклянная призма. У серебристых жуков излучаются все длины волн, и в результате получается белый металлический блеск — сумма всех цветов света.
Однако у других жуков не все длины волн одинаково эффективно отражаются.
В зависимости от микрокристаллического состава чередующихся слоев хитина с мочевой кислотой определенные длины волн задерживаются внутри кутикулы и не могут выйти наружу. У золотых жуков поглощаются синие и зеленые длины волн, а желтые и последующие длины волн внезапно высвобождаются, как показано на графике отражения. Спектр подобен золоту. В других случаях желтые длины волн также сохраняются, давая более медное свечение, или, наоборот, сохраняются оранжевые и красные цвета и пропускают остальные, давая зеленое свечение.
Использованная литература:
Кампос-Фернандес, К. и др. 2011. Спектры отражения видимого света от кутикулярных слоистых материалов. Экспресс оптических материалов, 1 (1), 85-100. DOI: 10.1364/OME.1.000085
Эрнандес-Хименес, М. и др. 2014. Качественная корреляция между структурной хиральностью через кутикулу скарабеев Chrysina aurigans и левосторонней круговой поляризацией отраженного света. Optical Materials Express, 4 (12), 2632—2645. DOI: 10.1364/OME.4.002632
Либби, Э. и др. 2014. Отражение света кутикулой скарабеев C. aurigans: биологический широкополосный отражатель света с левой круговой поляризацией. Journal of Optics, 16 (8), 082001. DOI: 10.1088/2040—8978/16/8/082001.
Томас, Д.Б. и соавт. 2007. Размышления о золотых скарабеях. Американский энтомолог, 53 (4), 224-230. DOI: 10.1093/ae/53.4.224
Варгас, В.Е. и соавт. 2016. Отражение света кутикулами скарабеев Chrysina Jewel: оптические измерения, морфологическая характеристика и теоретическое моделирование. Оптика и фотоника, 6 (7), 146-163. DOI: 10.4236/opj.2016.67017
