Richard-IAnson/Getty Images
Culori structurale. Cum au învățat unele specii să folosească efecte optice pentru a supraviețui și a se reproduce28 min read
Culorile naturale ale faunei nu au doar rol estetic. De la penele strălucitoare ale păunilor și fluturilor Morpho până la abilitatea unor animale de a se ascunde sau „dispărea” cu ajutorul culorilor, natura a creat strategii ingenioase pentru a le ajuta să se adapteze la mediu.
Natura este plină de păsări, insecte și mamifere care de care mai colorate, însă mai niciodată felul în care acestea arată nu este întâmplător – iar uneori efortul evolutiv depus în acest sens e spectaculos. Culorile sunt o parte importantă a vieții de zi cu zi și influențează modul în care lumea este percepută de oameni și animale prin intermediul ochilor și creierului.
Cum percepe ochiul lumina?
De-a lungul evoluției, animalele au dezvoltat un sistem complex pentru percepția culorilor. Ochiul uman, cel mai bine studiat, conține două tipuri de fotoreceptori în retină, fiecare cu roluri distincte în percepția luminii: celulele cu con, responsabile pentru vederea diurnă (de trei tipuri, fiecare specializat în percepția lungimilor de undă lungi – roșii, medii – verzi sau scurte – albastre), și celulele cu bastonaș, care contribuie la vederea nocturnă și percepția nuanțelor de gri. Când lumina ajunge la conurile din retină, acești fotoreceptori trimit semnale către creier, care le procesează și permite percepția culorilor.
Majoritatea obiectelor și suprafețelor nu emit lumină proprie, ci absorb o parte din lumina care ajunge la ele și reflectă restul. Această lumină reflectată este percepută drept culoare. De exemplu, un măr pare roșu deoarece reflectă lungimile de undă roșii și le absoarbe pe celelalte.
Culoarea este determinată atât de proprietățile fizice ale luminii (lungimea de undă), cât și de proprietățile chimice sau structurale ale suprafețelor cu care interacționează undele luminoase. Lumina, provenită din surse diverse, precum soarele sau un bec, este alcătuită din unde electromagnetice de lungimi diferite, iar fiecare lungime de undă corespunde unei culori specifice.
Pentru oameni, lungimile de undă lungi, de aproximativ 700 nm, sunt percepute ca roșii, iar cele scurte, de aproximativ 400 nm, ca violete. Între 400 și 700 nm, în spectrul luminii vizibile, se pot observa toate culorile curcubeului: roșu, portocaliu, galben, verde, albastru și violet. Alte animale percep însă spectre luminoase mai largi sau mai înguste.
Rolul culorii în natură
Culoarea are un rol important în natură, influențând supraviețuirea, reproducerea, comunicarea și adaptarea la mediu. În natură, culorile se împart în două categorii principale: culori pigmentare, care apar datorită unor pigmenți chimici precum clorofila (verde), pigmenții carotenoizi (galben și portocaliu), melanina (maro și negru) etc., și culori structurale, care rezultă din interacțiunea luminii cu structurile microscopice de pe suprafața organismelor. La acestea se adaugă și bioluminiscența, generată de reacții chimice din interiorul unor organisme, care produc lumină.
Pigmenții nu își schimbă culoarea în funcție de unghiul de vizualizare sau de lumina care cade pe ei. În schimb, dintre toate tipurile de culori, cele structurale sunt cele mai spectaculoase, pentru că variază în funcție de unghiul luminii sau de perspectiva din care este privită suprafața și creează efecte vizuale precum străluciri metalice, irizații sau tente sidefate.
Pe lângă aspectul estetic, culorile structurale sunt foarte eficiente din punct de vedere energetic, deoarece, spre deosebire de culorile pigmentare, care se estompează în timp din cauza degradării pigmenților, acestea sunt durabile și sunt generate de fenomene fizice.
Culorile structurale îndeplinesc mai multe roluri esențiale în natură și adesea sunt legate de supraviețuire, comunicare și adaptare. Spre deosebire de culorile bazate pe pigmenți, care provin din proprietățile chimice ale materialelor, culorile structurale apar din modul în care lumina este reflectată și dispersată de nanostructuri complexe de pe suprafața unui obiect sau organism. Astfel, aceste culori sunt de obicei vibrante și pot crea impresii de strălucire, schimbări de culoare sau irizații, în funcție de unghiul luminii și al privitorului.
Culorile structurale au roluri importante și interesante în natură, nu doar pentru aspectul lor strălucitor și irizat. Ele ajută la atragerea partenerilor, la camuflaj, la derutarea prădătorilor, la avertizare (cum ar fi culorile vii care indică pericol), la comunicare, imitarea altor specii și păcălirea prăzii sau prădătorilor, dar și la // „The Paradox of Iridescent Signals”, doi.org //
Fluture Morpho. Foto: Paul Souders/Getty Images
Frumusețea e în ochiul privitorului
Unul dintre cele mai comune roluri ale culorilor structurale în natură este de a atrage parteneri. Culorile strălucitoare și irizate produse de mecanismele structurale servesc adesea ca indicii vizuale de // „Fitness de reproducere” (sau fitness reproductiv) este un termen folosit în biologie și ecologie pentru a descrie capacitatea unui organism de a supraviețui și de a-și transmite genele următoarei generații. Cu alte cuvinte, se referă la succesul reproductiv al unui individ – cât de bine se adaptează la mediu și câți descendenți produce care ajung, la rândul lor, să se reproducă. Fitness-ul de reproducere este esențial în procesul de selecție naturală, unde indivizii cu trăsături mai bine adaptate mediului tind să aibă mai mulți descendenți, contribuind astfel la perpetuarea acestor trăsături în populație. // și calitate genetică, ajutând indivizii să aleagă cei mai buni parteneri.
Un exemplu binecunoscut de culori structurale folosite pentru atragerea partenerilor este păunul (Pavo cristatus). Păunul nu este apreciat pentru trilurile sale sau pentru construirea cuiburilor, ci și pentru coada sa impresionantă, plină de pene în culori irizate de albastru, verde, mov și nuanțe metalice de maro. Când își desfășoară coada, păunițele nu sunt interesate de sunetele lui stridente, ci aleg partenerul pe baza dansului și penajului său spectaculos, care indică sănătatea și vitalitatea masculului.
Penele păunului sunt printre cele mai spectaculoase din regnul animal, iar culorile lor par să se schimbe pe măsură ce păunul se mișcă. Aceste culori sunt rezultatul structurii microscopice a penelor, formate din straturi fine de cheratină, care funcționează ca mici oglinzi (cristale fotonice). Aceste straturi reflectă lumina în moduri speciale, creând culorile vibrante prin fenomenul de interferență luminoasă. Lumina reflectată de diferite straturi se amestecă, generând efectul irizat care face ca penele să pară că schimbă culoarea.
Charles Darwin a folosit coada păunului pentru a ilustra selecția sexuală, un proces evolutiv în care anumite trăsături se dezvoltă pentru a crește succesul reproductiv, chiar dacă acestea pot reduce șansele de supraviețuire individuală. Coada păunului, deși costisitoare de întreținut și făcându-l mai vizibil pentru prădători, îi mărește șansele de a atrage o parteneră și de a se reproduce.
Un alt exemplu sunt fluturii exotici din genul Morpho, ale căror aripi de un albastru strălucitor pe partea superioară pot fi văzute de la distanțe mari, pentru a atrage femelele. Fluturii Morpho trăiesc în America de Sud, America Centrală și Mexic, iar culoarea albastră a aripilor masculilor este rezultatul unui efect optic cauzat de structura microscopică a solzilor de pe aripi. De asemenea, aripile reflectă lumina în spectrul UV, un fenomen folosit în comunicarea între masculi rivali sau între // „9 – Why are Morpho Blue?”, doi.org //
Solzi de pe aripile fluturilor Morpho. Imagini realizate cu ajutorul microscopiei electronice (SEM). Foto: Rozalia Motoc
Oglindă, oglinjoară, cine, cum și pe unde zboară?
Culorile structurale sunt folosite cu succes de multe specii de animale pentru a confunda prădătorii. Fluturii Morpho, de exemplu, își țin aripile închise atunci când stau pe loc, camuflându-se în vegetație, datorită părții inferioare a aripilor, colorată în maro, crem și negru.
Aceste culori sunt complet diferite de albastrul strălucitor, cu reflexe metalice, de pe partea superioară a aripilor, care poate avea irizații violete sau verzui, în funcție de lumină. Dacă sunt deranjați, fluturii zboară brusc, iar schimbul rapid între culorile închise și albastrul intens al aripilor pe fundalul cerului îi derutează pe prădători, oferindu-le timp să scape în siguranță.
Un alt fluture care folosește o tactică similară este Argyrophorus argenteus, o specie montană din familia Nymphalidae, care trăiește în pajiștile din Munții Anzi, în Chile și Argentina, la altitudini de 1.200-3.000 de metri. Acesta este apreciat de colecționari pentru aspectul său spectaculos, fiind cunoscut și sub numele de „Silver Satyr” (Satirul Argintiu). Masculii au aripile pe fața superioară de un argintiu strălucitor, cu o ușoară irizație, datorită structurii solzilor de pe aripi, care reflectă lumina selectiv. Numele genului este foarte sugestiv, derivând din grecescul argyros („argint”) și pherein („a purta”). Femelele au o culoare argintie mai opacă, cu un chenar maro închis pe aripi.
Când se odihnesc, fluturii își țin aripile pliate vertical, la fel ca fluturii Morpho. Masculii își folosesc aripile strălucitoare ca pe o oglindă, orbind potențialii prădători. Acest efect este foarte eficient și în zbor, deoarece schimbul rapid de expunere a aripilor împiedică prădătorii să focalizeze corect. Femelele, în caz de pericol, adoptă o tactică diferită: se lasă să cadă cu aripile pliate, ascunzând zonele strălucitoare, și se refugiază la baza tufelor, unde devin mai greu de observat.
Își schimbă culorile pentru a se camufla
Chiar dacă pare contraintuitiv, culorile structurale pot ajuta anumite animale să se ascundă de prădători. Familia Chrysomelidae, de exemplu, include multe specii de gândaci cu culori metalice irizate, care par adevărate bijuterii vii. Studii recente // „Interactions between color and gloss in iridescent camouflage”, academic.oup.com // au arătat că gândacii cu culori structurale și iridescente derutează mai eficient prădătorii, în special păsările, care au mai puțin succes în a-i captura.
Un exemplu este „gândacul cu picioare de broască” (Sagra femorata), care are o varietate de culori metalizate datorită unor structuri microscopice din chitina exoscheletului, ce modifică modul în care lumina este reflectată. Aceste reflexii iridescente funcționează surprinzător ca un camuflaj – gândacii devin mai greu de zărit printre vegetația lucioasă și sunt protejați de prădători.
Ileana (Cetonia aurata). Foto: Ana-Maria Krapal
În cazul coleopterelor precum croitorul salciei (Aronia moschata) sau ileana (Cetonia aurata), acestea prezintă straturi de melanină (pigmentul negru/maro) care alternează cu straturi de chitină de la nivelul exoscheletului. Alternanța straturilor transparente cu cele pigmentate creează culorile metalizate de verde-arămiu.
Viermele Bobbit (Eunice aphroditois) este un prădător marin care folosește culorile structurale pentru camuflaj, dar din perspectiva unui prădător. Acest vierme, care poate atinge până la trei metri lungime, are un corp segmentat și subțire, cu o colorație strălucitoare, metalizată și iridescentă. În mediul său subacvatic, lumina reflectată de corpul său poate varia între albastru, violet, verde, auriu sau chiar nuanțe de curcubeu.
Deși aceste culori par atrăgătoare, ele îl ajută să se camufleze printre nisip și sedimente pe fundul oceanului. În apele adânci, unde lumina este slabă, irizațiile se pot confunda cu mediul înconjurător, iar asta face ca viermele mai greu de detectat de către prada sa. Colorația strălucitoare poate, de asemenea, să deruteze prădătorii care ar vrea să-l atace, deoarece în apă tulbure, aceste culori îl fac greu de distins. În plus, deși nu este veninos, culorile sale pot servi și ca un avertisment vizual și sugerează pericolul pe care îl reprezintă ca prădător rapid și eficient.
Comunicarea este cheia
Culorile structurale joacă adesea un rol în comunicarea vizuală între indivizii aceleiași specii, fie că este vorba de interacțiuni sociale, exprimarea dominanței sau ritualuri de împerechere.
Mandrilul Mandrillus sphinx este o primată cunoscută pentru culorile spectaculoase ale masculilor. Aceștia au pielea feței și a posteriorului de un albastru intens, care contrastează cu un roșu aprins. Deși și femelele prezintă aceste culori, ele sunt mult mai palide, datorită prezenței pigmentului melanic. Culoarea albastră nu este dată de pigmenți, ci este un efect optic structural, similar cu modul în care apare albastrul în penele unor păsări, precum gaițele. Microstructurile din piele, formate din fibre de colagen dispuse paralel, reflectă lumina doar în lungimi de undă albastre și creează această nuanță distinctă.
Culorile vibrante ale masculilor au un rol esențial în comunicare și reproducere. Masculii dominanți prezintă culori mai intense, albastrul și roșul sunt semne clare ale sănătății și fertilității. Aceste semnale vizuale sunt utilizate pentru a stabili ierarhia în grup și pentru a atrage femelele. Masculii cu culori mai puternice sunt, de obicei, cei mai dominanți și // „Structural colouration of mammalian skin: convergent evolution of coherently scattering dermal collagen arrays”, doi.org //
Albastrul din penele gaițelor (Garrulus glandarius) și al dumbrăvencelor (Coracias garrulus) apare diferit față de cel al păunilor, deși toate sunt culori fizice, fără pigmenți albaștri. În cazul gaițelor, structura microscopică a penelor este similară unui burete, cu straturi de cheratină alternate cu straturi de aer. Când lumina lovește aceste pene, diferite culori ale luminii se împrăștie, dar doar lumina albastră se reflectă spre ochi, lucru care face penele să pară albastre, indiferent de unghiul din care sunt privite. Totuși, fără lumină (în umbră sau întuneric), penele nu mai par albastre, ci maronii sau gri, deoarece aceasta este culoarea pigmenților reali din pene.
La păun, însă, culorile rămân strălucitoare indiferent de lumină, datorită fenomenului de interferență, care face ca reflexiile multiple de pe structurile microscopice ale penelor să intensifice culoarea și creează efecte vizuale mult mai vibrante.
Uite-l, nu e!
Membrii familiei Sapphirinidae, mici crustacee marine înrudite cu creveții și crabii, sunt organisme translucide care trăiesc în apele de suprafață ale oceanelor și mărilor din întreaga lume, acolo unde lumina soarelui ajunge ușor. Femelele au o colorație discretă, dar masculii folosesc plăci cristaline hexagonale (cristale fotonice) în pielea lor pentru a reflecta lumina, care formează irizații în nuanțe de verde, albastru, violet și, în anumite condiții, devin complet invizibili.
Aceste copepode, cunoscute și sub numele de „safire marine” (din genul Sapphirina), sunt un exemplu remarcabil al colorației structurale în natură. Grosimea stratului de citoplasmă dintre plăcile cristaline influențează grosimea totală a structurilor și determină astfel culoarea vizibilă. Masculii înoată în spirală, iar unghiul la care lumina lovește plăcile cristaline variază, lucru care creează reflexii colorate. Pe măsură ce unghiul luminii se schimbă, lungimile de undă reflectate devin mai scurte. Uneori, acestea intră în spectrul ultraviolet, ceea ce îi face invizibili ochiului uman.
Strategia este dublu avantajoasă din punct de vedere evolutiv: masculii devin vizibili pentru femele pe termen scurt, dar imediat după, devin invizibili, ceea ce îi ajută // „Structural Basis for the Brilliant Colors of the Sapphirinid Copepods”, pubs.acs.org //
Melc marin din genul Haliotis. Foto: Paul Starosta/Getty Images
Melcii și scoicile au, de asemenea, culori structurale, dar acestea nu sunt folosite pentru comunicare sau apărare, ci apar datorită structurii cochiliilor. Sideful, care acoperă interiorul cochiliilor, este alcătuit din straturi extrem de subțiri și rezistente de carbonat de calciu și alternează cu straturi de conchiolină, o proteină specifică. Această structură stratificată este responsabilă pentru irizațiile atractive ale sidefului.
Melcii marini din genul Haliotis (cunoscuți ca paua sau abalone) sunt renumiți pentru cochiliile lor cu un sidef strălucitor, în culori fascinante. Acest sidef a fost folosit de-a lungul timpului în bijuterii și decorațiuni, datorită irizațiilor sale speciale. Din păcate, popularitatea acestor cochilii a dus la supraexploatarea speciilor în unele regiuni ale lumii și a afectat populațiile de Haliotis.
În concluzie, culorile structurale din natură nu au un rol pur estetic, ci oferă un avantaj evolutiv prin îmbunătățirea capacității organismelor de a supraviețui, de a se reproduce și de a comunica, adesea în moduri frapante și dinamice.
Rubrica Jurnal de naturalist este o colaborare între Muzeul Național de Istorie Naturală „Grigore Antipa” și Mindcraft Stories și conține texte realizate de cercetătorii muzeului, care-și propun să ofere cititorilor articole despre biodiversitatea din România.
