Мысль о возможности трехмерных оптических голограмм в живой природе впервые высказана В.Н.Синцовым /1/ в результате анализа работ /2,3/. И хотя нет оснований считать одинаковым механизм образования окраски у бронзового жука, которого рассматривал Рэлей, и у бабочки семейства Морфо, спектр отражения крыла которой снимал Пиллаи (к тому же, работа /3/ оказалась выполненной элементарно неграмотно), тем не менее, эта неожиданная мысль подтвердилась.

Окраска некоторых бабочек - яркая, с сильным "металлическим" блеском, переливчатая - обусловлена не пигментом, а тонкой структурой их прозрачных чешуек, еще в прошлом веке получивших название оптических, или структурно-окрашенных. В эпоху прошлого расцвета оптики ее деятельно изучали Рэлей и Майкельсон. На заре электронной микроскопии структуру оптических чешуек нескольких морфид подробно описал немецкий энтомолог Зюфферт /4/. Тем не менее вопрос о природе подобной окраски так же, как и вопрос о физиологическом назначении соответствующих чешуек, оставался открытым.

"Переливы" лучше всего наблюдаются в условиях максимума, направленного освещения при минимуме рассеянного. Так, у подвида Морфо Патрокл, если луч от источника света, расположенного сзади наблюдателя на уровне его плеча, направлен на бабочку, которую наблюдатель держит на уровне глаз, насыщенная бирюза крыла исчезает вовсе, и по крылу проходят просто полосы дифракционного спектра.

- 306 -

Отчетливо различимы 0, 1 и -1 порядки. В таких же условиях Рэлей наблюдал наиболее выраженные "переливы" окраски жука. При полностью рассеянном освещении (например, сразу после захода солнца) крыло выглядит однотонным и не бирюзовым, а сине-фиолетовым.

Накрывающие друг друга наподобие черепичной крыши оптические чешуйки представляют собой дифракционные решетки площадью 0,15 на 0,18 мм². Штрихи их, так называемые ребра, шириной 0,5 и высотой 1,5 микрона укреплены с помощью ножек-трабекул на очень тонкой и не принимающей участия в оптических процессах нижней мембране. Расстояние между ними порядка 1,5 микрона. Однако область дисперсии отдельной чешуйки больше, чем должна, быть у решетки в 500 штрихов/мм, и достигает 20°. Возможно, в этом повинны неплоская форма лепестка чешуйки или внутреннее строение ребер, набранных из параллельных прозрачных слоев хитина, толщиной около 100 нм, расположенных на расстояниях порядка 250 нм друг над другом.

Как показывают снимка под электронным микроскопом (рис.1), поперечное сечение в любой точке ребра обнаруживает пять слоев, наклоненных к плоскости чешуйки под углом 5°. Согласно /4/ у других морфид число слоев может достигать одиннадцати, а угол - 45°. Самостоятельным структурно-окрашенным элементом, видимым в оптический микроскоп, кажется вышедший на поверхность отрезок слоя. Его цвет обусловлен его индивидуальными особенностями - положением относительно источника света, толщиной и расстоянием до нижележащего слоя - и не зависит от соседних. Самое большое разнообразие цветов на крыле проявляется как раз в условиях наилучшего наблюдения тонкопленочной интерференции когда свет из глубины ребер к наблюдателю не доходит. Изменение положения осветителя с таким расчетом, чтобы свет проходил в сэндвиче слой-воздух-слой более длинный путь, ведет к тому, что один элемент из синего становится голубым, другой из оранжевого - красным и т. д.

- 307 -

- 308 -

Зазоры между слоями разделены перпендикулярными к ним перегородками, расположенными очень параллельно между собой на расстояниях 200-230 им. Ячейка, образованная при пересечении слоев и перегородок, напоминает эллипсоид или сфероид, открытый по обе стороны ребра. В условиях рассеянного освещения, или когда ослаблены (естественным пигментом или напиленным тонким слоем поглощающего металла) эффекты, связанные с зеркальным отражением, плоской дифракцией и тонкопленочной интерференцией, преобладает рассеяние на коллективе ячеек, как на системе диэлектрических частиц. Подсчет полного излучения рассеяния как функции длины волны при учете высших членов, зависящих от констант вещества и размеров сфероидов и эллипсоидов /5-7/ дает наблюдаемый максимум рассеяния в обл. 400-460 нм. Из-за многослойности эта область длин волн выбирается из падающего света несколько раз, чем объясняется окрашивание чешуйки в проходящем свете в дополнительный цвет. Чешуйка должна быть хорошим фильтром.

К четырем взаимно-перпендикулярным решеткам чешуйки (ребра, трабекулы, слои, перегородки) на крыле прибавляется еще одна. Плоскости чешуек в естественном состоянии согнуты. Вследствие параллельной ориентации чешуек на крыле, линии сгиба, делящие их поперек в отношении приблизительно 4:1, продолжают друг друга. Образуется решетка косого треугольного профиля, дифракцию на которой можно наблюдать под скользящим углом к плоскости крыла.

Самое интересное, впрочем, это волноводные свойства ребер и промежутков между слоями. Всем им присуще интенсивное высвечивание в торец. Даже у совершенно черных чешуек, которые биологи никогда не относили к структурно-окрашенным, линия торцов ребер в отраженном свете фиолетовая. Это значит, что, несмотря на поглощение пигмента, какая-то часть света оказывается в объеме ребра и идет вдоль него. Несложный расчет показывает, что наилучшие условия усиления и наименьшие потери при отражении внутри ячеек и от слоев должны создаваться для длины волны 350 нм.

- 309 -

Возможно - для теплозащиты и терморегуляции. Известно, что бабочка не может взлететь, не прогрев предварительно крылья особым подрагиванием, или просто распластав их на солнце. У дневных тропических бабочек Морфо, подолгу парящих на огромных крыльях в потоках нагретого воздуха над кронами леса, может быть обратная проблема: не допустить перегрева крыльев, покрытых к тому же черным пигментом под оптическими чешуйками и с нижней стороны. Двойной настил чешуек надежно защищает прежде всего от ультрафиолета. Чешуйки посажены так, что ультрафиолет "стекает " с крыла в сторону, противоположную туловищу. Кроме того, подобный фильтр может пропускать к определенным участкам крыла свет определенной длины волны, "запускающий" какие-то фотохимические реакции.

Энтомологи считают, что яркие блестящие крылья самцов привлекают самок (самки черные). Привлечение запахом в тропиках считают не эффективным из-за обилия всевозможных других запахов. Вообще о механизме привлечения у дневных бабочек ничего не известно. Морфид неоднократно ловили в больших количествах на разбрасываемые по земле оторванные крылья того же вида. Однако на эту приманку летят только самцы, имеющие такую же окраску, и никогда самки. Значит, самок привлекает не цвет и не блеск. При взмахах крыла ультрафиолетовый, "зайчик" сканирует пространство и заметен издалека, а зрительный рецептор самок имеет максимум чувствительности как раз в области 350 нм. Естественно, увидеть подобный ультрафиолетовый "зайчик" от лежащего на земле крыла самка не может, и ее равнодушие к этой приманке может служить косвенным подтверждением существования сигнализации с помощью описанного выше эффекта. Такой механизм привлечения надежен, удобен и энергетически выгоден.

- 310 -

1. В.Н.Синцов. Материалы III Всесоюзной школы по голографии, Ленинград, стр. 3-10, 1972.

4. E.Kinder, F.Sűffert. Biol.Zbl., 63, 268, 1943.

5. Макс Берн. Оптика, 1937.