这种鸟的羽毛像黑洞一样黑

这种鸟的羽毛像黑洞一样黑
2018年01月12日 14:20 蝌蚪五线谱

  鸟类和航空工程师有什么相同之处呢?

  二者都发明了 “超黑”表面,任何靠近这种表面的光线都会被毫无保留地吸收,这实在是让人难以置信。

  当然,这些材料是由科学家有意发明的,而鸟类的这一奇异的特点则是进化的结果。我跟这篇文章的另一位作者特里萨·费奥,以及我们的同事托德·A·哈维和里克·普兰最近研究了一些超黑羽毛, 这些羽毛来自于一些世界上最奇特的动物:天堂鸟。

  这些长相华丽的小鸟来自新几内亚岛的巴布亚岛以及周边地区。雄鸟的羽毛颜色鲜艳夺目,而且会跳复杂的求偶舞。而雌鸟的羽毛则是棕褐色的,显得相对单调;在择偶时它们会认真视察雄性鸟类的羽毛色样和舞姿。

  我们想要了解更多关于这些鸟类的“超黑”羽毛以及这些羽毛是怎么发挥作用的知识。这些羽毛能够如此高效地吸收光能到底是什么原理呢?

  显微镜下,奇特的羽毛

  天堂鸟在进化过程中获得了很多了不起的特性,但是却没有一个特性比雄鸟的柔软黑羽毛更加不可思议。

  这种羽毛的黑色是一种至暗之黑,以至于你的双眼无法在其表面聚焦。它就像是一个洞穴,或者说空间中一个模糊的黑洞。

  通过光学测量,我们发现这些羽毛斑块吸收高达99.95%的直接入射光。这与人造的极黑材料例如太阳能电池板,太空望远镜的内壁,甚至最黑的黑材料:能够吸收99.96%的光线的vantablack都不相上下。

左图:小黑脚风鸟的正常黑羽毛。 右图:天堂鸟的超黑羽毛(达科他·麦考伊,CC BY-ND)

  正常的羽毛是平整的,看着像分形;当你用显微镜将其放大的时候,你会看见每一个羽毛分支都像微小而平整的羽毛。

  通过一个强大的扫描电子显微镜,我们都惊讶地发现超黑羽毛看着就像微型的珊瑚礁、试管刷或者挂满叶子的树木。

  这些微小的、形状特异的小东西一同形成一个锯齿状、凹凸不平的表面,这个表面充满着微型的陷阱,等待着光线的到来。当光线直射到这些表面的微观结构时,它们在各种陷阱中被分散再分散并最终被吸收,而不是被反射回观察者那里。

  这是一个重复的过程:每当散射发生,光线的一部分就会被吸收,如此往复,直到光线几乎被完全吸收。

  像“黑硅”这样的人造超黑材料也依赖于一种吸收光原理,科学家们称之为结构吸收。就像超黑羽毛那样,它们的微型“吸光陷阱”的原理就是通过粗糙的表面重复散射光线,但是它们实际应用的表面形状却与超黑羽毛不一样。

  跟羽毛的洗瓶刷形状不同,人类工程师们设计了大小匀称的微型锥体和凹坑。这些结构性黑色的材料,几乎没有暴露的平整面,与镜子恰恰相反。

天堂鸟的羽毛(右图)在被金覆盖时仍然是超黑的(达科他·麦考伊,CC BY-ND)

  天堂鸟的超黑羽毛即使被具有光泽的金属金覆盖时仍然能够有效地吸收光线,因而保持黑色。

  超黑羽毛的这种特性并不是由于羽毛内部的色素或者整齐的纳米结构而形成的,而是因为其生理表面结构,就像人造黑硅一样。

  生物进化和人类智慧达到了一致。

  超黑羽毛的优点

  然而,为什么这些鸟类具有这么黑的斑块?又是什么选择性的优点使得这一特性得以进化?

  人们很容易会想到,超黑的颜色在一定程度上能够帮助动物伪装,使其能够躲避捕食者的猎杀。事实上,一些蛇具有超黑鳞屑,这种鳞屑可以让蛇在树叶堆里伪装成树叶的影子,让它们能够混入深林地面空间。蛇的例子说明了进化是自然淘汰的结果,也就是说,“适者生存”。

  但是其他因素也会影响进化的过程的,其中包括随机选择或者雌雄淘汰。我的同事里克·普兰在他的新书《美丽进化论》中指出了达尔文被遗忘的择偶理论是怎样塑造动物世界的,择偶是一股推动进化的强大力量。

  在天堂鸟的世界里,超黑羽毛则让雄鸟在雌鸟的眼里显得更加漂亮。

  我们要明白, 超黑羽毛能够让天堂雄鸟的求偶舞更加突出。 雄鸟积极地向雌鸟展示它们的超黑色斑, 以保证雌鸟难以将目光从它们身上移开。

  这是因为这些羽毛都是有高度方向性的, 而且它们从正前方看是最黑的。

  另外, 超黑斑块总是散布在天堂鸟的身上每一个地方, 或者在颜色比较鲜艳的色斑周围。 超黑斑块的抗反光结构使其周围的颜色显得更加明亮, 几乎是光亮的。

  也就是说, 超黑颜色是一种进化而得的光学错觉, 这一种错觉的产生源于我们的眼睛和大脑对我们对于周围光线的感知作出调整的方式。

  在孤注一掷的求偶比赛中, 一根不够蓝的羽毛就足以让雄性天堂鸟失去一只雌性天堂鸟的青睐。

  显而易见, 雌性天堂鸟更喜欢拥有超黑羽毛的雌性天堂鸟。雌鸟一般选择最吸引它的雄鸟来进行交配, 因而这种让万千雌鸟为之倾倒的漂亮羽毛的基因才得以代代相传; 而羽毛没那么黑的雄鸟, 则通常被雌鸟忽视, 所以它们的基因并不会遗传到下一代。 雌雄淘汰推动着天堂雄鸟的羽毛往超黑羽毛的方向进化。

  进化并不是一个有序连贯的过程; 而进化军备竞赛能够带来很了不起的革新。 或许这些有着独特微型结构的超黑羽毛能够最终启发人类发明更好的太阳能电板或者新型纺织品。 目前已有的超黑蝴蝶翅膀证明了这一点。

  进化这样修修补补已有百万年, 其中还有很多未知的谜底等着我们去探索。

  蝌蚪五线谱编译自sciencealert,译者 李二宝,转载须授权

黑洞羽毛雄鸟
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