Хамелеоны знамениты тем, что могут практически мгновенно менять свою окраску и как бы растворяться среди растительности благодаря высокотехнологичным фотонным кристаллам на поверхности их бесцветных клеток кожи, преломляющими свойствами которых может управлять.

Долгое время исследователи терялись в догадках, размышляя, как хамелеону - в общем-то, невзрачному и медлительному животному - удается так здорово .

Исследования, проведенные с самцами мадагаскарского пантерного хамелеона (Furcifer pardalis), показали, что в процессе знакомства и общения с самками и другими самцами они меняют окраску с сине-зеленой и зеленой до ярко-красной всего за несколько минут.

Ученые провоцировали самцов хамелеонов на «дуэль» друг с другом и измеряли насыщенность окраски с помощью спектрометра, который позволял фиксировать излучение не только в видимой, но и в ультрафиолетовой части спектра.

Использование такого прибора показало способность хамелеонов «окрашиваться» также в невидимые человеческому глазу цвета.

Фото 1. Хамелеоны меняют цвет не только для маскировки

По результатам эксперимента не было обнаружено особой зависимости между диапазоном используемых цветов и особенностью местообитания хамелеонов.

Наибольший разброс цветов окраски наблюдался у видов с наиболее ярко выраженным социальным поведением (в данном случае - соревнование двух самцов), а не у видов, живущих в местах с большим количеством разноцветных объектов (трава, стволы деревьев, ).

Окраска хамелеонов, которые используют максимальное количество цветов, оказалась самой заметной не и только для их сородичей, но и для , что противоречит теории изменения цвета только для маскировки.

Однако зачастую хищникам не удается напасть на ярко раскрашенных особей, поскольку те при малейших признаках опасности способны за несколько миллисекунд «раствориться» на фоне окружающей среды.

Дальнейшие исследования показали, что перемена окраски связана с особыми клетками внутри кожи хроматофорами, перераспределяющими зерна пигментов четырех цветов.

Эти пигменты поглощают видимый свет на всех длинах волн, кроме определенного (красного, например).

Иридофоры и ксантофоры

Недавно Мишель Милинкович (Michel Milinkovitch) из Женевского университета выяснил, что для хамелеонов еще важнее иридофоры - клетки, которые не поглощают свет, а преобразуют геометрическую структуру поверхности кожи, заставляя ее искривлять или отражать определенные волны.

М. Милинкович и его коллеги изучили кожу хамелеонов с помощью просвечивающей электронной микроскопии и обнаружили там два слоя иридофор.

Верхний слой был покрыт нанокристаллами гуанина, выложенными в виде четко структурированной решетки.

Фото 2. Поверхность кожи хамелеонов испещрена особыми клетками — иридофорами

Расстояния между отдельными кристаллами в решетке ключевую роль в смене окраски: когда самцы находятся в возбужденном состоянии, интервал увеличивается.

Чем больше дистанция, тем сильнее отражается свет с большей длиной волны (красный).

При сближении кристаллов начинает отражаться синий свет.

Затем хамелеонам помогают уже ксантофоры (желтые пигментные клетки): они делают синий цвет зеленым, а красный - оранжевым или желтым.

Милинкович открыл еще и второй уровень кожи с иридофорами, расположенными уже более хаотическим образом. Они очень хорошо отражают свет в ближнем инфракрасном диапазоне.

В жаркой и влажной среде, где живут хамелеоны, эти кристаллы являются важным механизмом защиты от перегрева. Такое строение кожи, по всей видимости, является уникальным.

Однако лишь хамелеоны мастерски пользуются не только пигментами кожи, но и фотонными нанокристаллами, позволяющими управлять светом и с предельной точностью.

Как хамелеоны могут помочь науке

Сейчас исследователи размышляют, каким образом добытые ими сведения могут быть применены на практике, например, при разработке новых средств и способов камуфляжа. И кое-что уже придумали.

Так, ученые из Калифорнийского университета в Беркли создали ультратонкий материал, который может менять цвет на наноуровне, как и кожа хамелеона, в зависимости от натяжения, сгибания или надавливания.

Цвет большинства природных материалов (а также красок, тканей) зависит от их химического состава.

Фото 4. Изучение хамелеонов помогает развивать нанотехнологии

Когда белый свет попадает на поверхность этих материалов, волны света определенной длины поглощаются, а остальные отражаются обратно в окружающее пространство.

Благодаря этому мы и воспринимаем определенные цвета. Изменение цвета, таким образом, требует изменения химического состава материала.

Изобретение американцев использует иной подход к созданию цвета.

Материал изготовлен с помощью так называемой структурной окраски. То есть цвет поверхности (поглощаемые и отражаемые волны) определяет структура материала.

Это неновое явление - природа таким образом создает радужные переливы перьев, крыльев бабочек или экзоскелетов жуков.

Еще 300 лет назад предположил, что некоторые структурные методы окрашивания могут быть использованы при промышленном и коммерческом производстве.

Искусственная кожа хамелеона

Вот как работает искусственная кожа хамелеона.

Кремниевая пленка, которая в 1000 раз тоньше человеческого (около 120 нм), крепится на слой силикона, а затем на нее наносятся крошечные (меньше длины волны света) ребра.

Кремниевый слой настолько гибок, что его можно сравнить с кожей, причем крепиться он может практически к любой поверхности.

Изменяемое расстояние между ребрами-рифлениями, или микрогофрами, позволяет получать различные цвета.

Кроме того, материал имеет высокую способность. Он отражает до 83% падающего света, так что на деле искусственная кожа оказывается столь же яркой, как и кожа настоящего хамелеона.

Фото 5. Хамелеоны — непревзойденные мастера маскировки

Материал производит чистые цвета - от зеленого до желтого, оранжевого и красного. А еще новый материал оказался намного более легким и , чем получалось раньше.

Это первый случай, когда кому-то удалось изготовить гибкую структуру, подобную хамелеоновой коже, которая может изменять цвет просто при сгибании.

Если у вас есть поверхность с определенными структурами, расположенными таким образом, чтобы взаимодействовать с волнами света определенной длины, вы можете изменять ее цвет, влияя на и ее свойства и размеры.

Разработчики полагают, что материал на основе кремния может найти применение при изготовлении энергосберегающих цветных дисплеев, различных камуфляжных материалов и покрытий.

А еще их можно использовать для визуального отображения структурного износа и здании, мостов, крыльев и других важных конструкций (при появлении трещины слегка изменяется натяжение материала, а значит, даже незначительные трещины станут более заметными для глаза человека).

Исследователи также сумели создать ткань, которая может изменять свой цвет в зависимости от того, каким образом она согнута.

Основой для этого материала стал полупроводник силикон.

В мельчайшие разрезы на его поверхности ученые вставили также силиконовые частицы шириной 120 нм, которые способны отражать волны разного спектра и, соответственно, окрашиваться в разные цвета - зеленый, желтый, красный или оранжевый.

Цвет, в который окрасится ткань, зависит от того, каким образом она согнута или сложена, причем изменяется он мгновенно.

Ну, а в широком смысле речь идет о создании материалов, которые позволят полностью изменить облик нашего мира.

Видео о хамелеонах:

Экзотический, своеобразный, загадочный, сверхъестественный… Так можно охарактеризовать хамелеона. Он живет на одной планете с нами, но выглядит так, будто бы прибыл из космоса. То ли маленький динозаврик, то ли инопланетянин. Иначе про хамелеона и не скажешь… Об этих рептилиях наверняка слышал каждый, но н аибольшую известность хамелеоны приобрели за счет своей уникальной способности менять цвет кожи.

Хамелеоны всегда вызывали у людей интерес. Еще в 48 году до н. э. хамелеона описывал Аристотель отмечая, что окраска меня­ется, когда он надувается. А древнеримский ученый Плиний ошибочно связывал изме­нение окраски исключительно с фоном. В XVII веке немецкий ученый Вормиус объяснял цветовую игру «страданиями и переживаниями» хамелеона. Может быть, Вормиус несколько польстил животному, называя его нехитрую психическую деятельность «пережива­ниями», но оказалось, что он был ближе всех к истине.

Чем вызывается изменение цвета кожи у хамелеона?

Люди, как правило, ассоциируют хамелеона с хитростью и маскировкой, полагая, что рептилия меняет цвет кожи, маскируясь под окружающую местность и предметы. Вы будете разочарованы, но это не более, чем миф. Их способность менять окрас имеет совсем другую природу. В первую очередь, способность менять цвет – это своеобразная коммуникация. Таким способом хамелеон общается с себе подобными. В лучшем виде окрас рептилии проявляется при встрече с другим самцом. Когда это происходит, они раздувают гортань и увеличиваются в размерах, как бы надуваются, причем умеют надувать только один бок. Окрас их становится существенно ярче. Это своего рода соревнование двух «джентльменов». Чаще всего более крупный хамелеон воспринимается как доминантный, а порой они набрасываются друг на друга с распахнутыми пастями. Воюют до тех пор, пока один из них не отступит. При встрече с самкой окрас будет таким же, но раздуваться в присутствии дамы хамелеон не станет.

Таким образом, животные меняют цветовую гамму, когда хотят чтобы их заметили, заявляя о границах своей территории другим самцам, или, напротив, привлекая невест. Конечно, они отлично могут прятаться среди листвы, но обычно, когда рептилия меняет цвет, она старается выделиться.

Цвет хамелеона меняется и в зависимости от состояния его организма. Изменение температуры, освещения и влажности, неблагоприятные условия содержания, болезнь, голод, обезвоживание, злость, страх, стресс – все эти факторы также влияют на окраску кожи животного. Если хамелеон испытывает стресс, он будет более темных тонов. Одним словом, изменение цвета хамелеона – это сигнал того, что случилось что-то выпадающее за рамки «нормальности» в понимании животного.

Важно: от стресса хамелеонов нужно всячески оберегать. Не стоит задирать хамелеона, показывать ему других животных, часто пересаживать на другие места. Стресс будет выражаться не только в смене окраски, но и в отказе от пищи. Вообще, хамелеоны – не стрессоуствойчивые животные. Помните, что самое страшное для рептилий – это стресс. Стрессовое состояние может закончиться плачевно. Нередки летальные исходы.

Наблюдая длительное время за хамелеоном, вы научитесь понимать то, что хочет выразить ваш питомец, меняя окраску. А если окрас хамелеона вдруг совпадет с окружающим его фоном, то это случайность, и не более.

Как хамелеон меняет цвет? Механизм изменения окраса

Зоологи выяснили, что хамелеон способен менять окраску благодаря особому строению кожных покровов. В наружном и более глубоком слое кожи рептилии имеются светоотражающие клетки – хроматофоры. Они содержат зерна пигментов черного, красного, желтого и темно-коричневого цветов. Когда отростки хроматоформ сокращаются, зерна пигментов распределяются в их центре, а кожа животного приобретает беловатый либо желтый окрас. В случае, если темный пигмент сосредотачивается в наружном слое, то кожный покров приобретает темную окраску. При сочетании пигментов появляются разнообразные цветовые оттенки. Благодаря данному механизму цветовая «палитра» рептилии оказывается весьма насыщенной.

Цвет хамелеона может моментально меняться от светлого до пурпурного, затем до черного и темно-коричневого. Окраска меняется как на всем теле, так и на его отдельных участках, сопровождаясь появлением или исчезновением полос или пятен различных цветов.

В качестве основного цвета для хамелеонов характерен зеленый. Также встречаются желтые, серые и коричневые животные.

Цветовая гамма хамелеонов

Существует мнение, что потомки динозавров могут окрашиваться в какой угодно цвет, но это не так. Хамелеоны разных видов могут менять цветовую палитру в довольно широком диапазоне, но только в пределах, отведенных именно этому конкретному виду. Под воздействием вышеназванных факторов рептилия способна изменять цвета и приобретать новые оттенки, но в рамках своей цветовой гаммы. Так, например, буквально за секунду самец из зеленого может стать оранжевым или красным. Эти же хамелеоны, засыпая, становятся бледно-желтыми, розовыми или красными. Или, взять, к примеру, йеменского хамелеона. Зеленый в спокойном состоянии, будучи испуганным или злым, йеменский хамелеон может стать черным с желтыми и зелеными пятнышками.

Нетрудно догадаться, что при содержании хамелеона в домашних условиях у него нет особых причин менять цвет кожи. Вы же не станете намеренно пугать подопечного или содержать в неблагоприятных для него условиях. Поэтому не стоит рассчитывать на то, что ваш домашний динозаврик постоянно будет переливаться разными цветами, как новогодняя гирлянда.

Вконтакте

10 декабря 2016 в 17:27

Физика в мире животных: хамелеоны и их цвет

• Научно-популярное ,
• Экология

Источник: National Georaphic

Хамелеоны - очень необычные животные. Их отличает и способ питания, и система зрения, и возможность изменять цвет тела в зависимости от различных факторов. Раньше ученые считали, что хамелеон выработал способ маскироваться под окружающую среду, защищаясь от хищников. На самом деле, цвет кожи хамелеон меняет в зависимости от температуры воздуха, освещенности, настроения и протекающих в организме физиологических процессов (например, беременность самки).

Каким образом животное меняет цвет кожи? Ученые уже довольно давно выяснили, что причина - в пигментных клетках, которые называются хроматофоры. Эти клетки переводятся с греческого как «краску несущие». Принцип их работы довольно сложен. Каждая такая клетка содержит в цитоплазме пигменты, которые и позволяют коже животного менять свой цвет. Главные пигментные клетки хамелеонов - меланоциты и меланофоры, которые содержат в специфических органеллах (меланосомах) разные модификации меланина. Затем идут ксантофоры, которые содержат каротиноиды, флавины и птеридины, содержащие пигменты цветовой гаммы от желтого до красного.

Эти пигменты размещаются в других органеллах, получивших название птериносомы. Находятся они и в свободном состоянии, в виде капель, размещаясь в цитоплазме. Есть еще иридоциты или гуанофоры, которые содержат кристаллы гуанидина. Эти кристаллы обеспечивают серебристую или золотистую окраску. Под давлением и воздействием химических соединений кристаллы могут изменять местоположение . При увеличении между ними расстояния изменяется и спектр отражаемого кожей цвета. Чем выше зазор, тем выше смещение от синей части спектра к зеленой и затем - к красной.

Как это работает?

Хроматофоры в большинстве своем находятся наиболее глубоком и волокнистом слое кожи животного. Эти клетки содержат зерна пигмента, как и говорилось выше. Причем в некоторых хроматофорах пигментных зерен больше, чем в остальных. Значение имеет еще и расположение пигмента в такой клетке. Он может быть равномерно распределен по клетке, может находиться в ее разветвлениях или прямо в центре. Особенностью хроматофор является то, что пигментные зерна могут перемещаться по такой клетке.

Источник: National Georaphic

Если отростки хроматофоров сокращаются, пигментные зерна начинают концентрироваться в центре клеток. В этом случае кожа хамелеона выглядит беловатой или даже желтой. Если хроматофоры распределяются по ответвлениям хроматофора, кожа приобретает темную, иногда черную окраску. Оттенки окраски кожи хамелеона обуславливаются смешением пигментов обоих слоев. Зеленые тона, характерные для животного, возникают при преломлении солнечных лучей в поверхностном слое. Здесь распределены кристаллы гуанидина, которые и преломляют лучи. В результате хамелеон может довольно быстро изменять свой окрас, сменяя оттенки от беловатого до оранжевого. Интересно то, что изменения могут захватывать лишь часть тела хамелеона, а могут затронуть все его тело, от морды до кончика хвоста. Хроматофоры, кроме прочих возможностей, «умеют» изменять глубину залегания в коже. Чем выше глубина размещения хроматофора, тем бледнее кожа. Чем ярче - тем она более контрастна.

Почему хамелеон меняет свой цвет

На это влияют многие факторы. Их ученые разделяют на две группы. Первая группа - чисто физиологические факторы, это температура окружающей среды, освещение, влажность, голод, обезвоживание, боль. Вторая группа - факторы «эмоциональные». Сюда входят страх, удовольствие, раздражение и все прочее. Во период брачных игр хамелеоны-самцы реагируют друг на друга, изменяя цвета на более яркие при приближении соперника. Самки тоже реагируют, причем беременная самка имеет иную расцветку, чем обычная самка.

Выше уже говорилось, что маскировка - вовсе не приоритет для хамелеона. Но так уж получилось, что хамелеон принимает окраску того места, по которому ползет. Не всегда так получается, но зачастую происходит именно так. И если повредить зрительный нерв животного, оно потеряет способность изменить цвет. Ученые за много лет провели множество экспериментов с хамелеонами. Проведено большое количество наблюдений. Среди них наиболее интересными являются следующие:

• Хамелеон с поврежденным зрительным нервом теряет способность изменять свой цвет. Если нерв поврежден у одного из глаз, то кожа на соответствующей стороне тела животного светлеет;
• Если раздражать спинной мозг хамелеона током, тело светлеет, если удалить спинной мозг, кожа потемнеет;
• Если хамелеона усыпить при помощи эфира, животное светлеет, если ту же операцию провести при помощи хлороформа - тело животного темнеет;
• Если раздражать центральный зрительный нерв током, то тело хамелеона темнеет.

Ученые, изучающие хамелеонов, предположили, что управление цветом кожи хамелеона производится при помощи двух типов центров в центральной нервной системе хамелеона. Первый тип можно назвать «волевым», второй - чисто автоматический. Второй тип центров поддерживают цветоизменяющую систему в определенном тонусе. На эти центры оказывают влияние «волевые» центры, которые подавляют действие автоматических центров. Первые вызывают потемнение, вторые - просветление кожи.

КАКОГО ЦВЕТА ХАМЕЛЕОН?

Подкраска машин, окрашенных «металликом», порой ставит в тупик даже профессионалов «кисти». То ли еще будет, когда в ход пойдут суперлаки последнего поколения.

В ближайшие годы настоящую революцию способны произвести новые краски-хамелеоны. Бедная ГИБДД: она не сможет даже заполнить графу «Цвет» в ПТС - он будет постоянно меняться в зависимости от освещения и угла зрения. (Нечто подобное мы видим на голографических этикетках.) Это стало возможно благодаря новым пигментам на основе кристаллов окиси алюминия - именно они заставляют автомобиль искриться и переливаться красками, подобно хитиновому панцирю некоторых жуков.

Собственно, эти насекомые и подсказали идею ученым, и они в конце концов предложили практически применимое многослойное покрытие. Но сначала немного физики.

Под интерференцией в оптике понимают взаимодействие световых волн в тонких слоях. Это явление используют в новых красящих пигментах, создающих оптический триггерный эффект: цвет на ваших глазах скачкообразно изменяется при незначительном изменении угла наблюдения или угла падения света. Говорить о конкретном цвете того или иного пигмента уже не приходится: например, условно голубой интерференционный краситель на белой подложке может показаться голубым или... желтым. На черном основании он же изменяет видимый цвет на серо-синий, а если подложка цветная, то возможно... все!

Строение слоев новой краски мы попытались представить на рисунке, но только не подумайте, что изображенный здесь верхний слой как-то окрашен. Это всего-навсего обозначено (для наглядности) впечатление наблюдавших. На самом деле полупрозрачные слои бесцветны, но они каждый раз пропускают к отражающей алюминиевой подложке и обратно лишь лучи света со строго определенной длиной волны.

Начало выпуску таких суперлаков положила американская фирма «Флекс Продактс», назвавшая свои пигменты «Хрома-флейр». Самое сложное заключается в технологии - она должна обеспечить вакуумное напыление на частички подложки пяти сверхтонких слоев. Потом, когда процесс закончен и краска расфасована в банки, эти частички выдают свое высокотехнологичное происхождение... ценой - литр стоит свыше $700! Впрочем, это сегодня, пока еще спрос на такие лаки не стал массовым. А там будет видно.

Несколько дешевле трехслойное покрытие на основе окиси кремния, создающее аналогичный эффект: по мере приближения встречный автомобиль превращается из голубого в зеленый, а затем и в красный. Перспективный же лак на основе алюминия дает еще и чрезвычайно высокий блеск. Первая промышленная установка по производству новой краски пущена в начале года в японском городе Онахама, а в следующем году здесь начнется ее массовый выпуск. Производство эмали налаживают и на заводах фирмы «Мерк» в Дармштадте (ФРГ).

Будут ли широко применять краску-хамелеон на серийных автомобилях? Специалисты пока сдержанны: по мнению дизайнеров, переливающийся кузов не дает глазу зацепиться за формы, на прорисовку которых тратятся огромные усилия. Впрочем, будущее покажет, что важнее - цвет или форма. А пока нашей ГИБДД надо срочно совершенствовать свою систему учета. Ведь даже в паспорте нашей «Оки-Престиж», окрашенной «металликом» «Опатия», цвет назван скромно - коричневый!

Стеклоподобные слои диэлектрика

Падающий луч

Падающий луч

около 1 мкм

Отражающий алюминиевый слой

Полупрозрачный поглощающий слой

Триггерный эффект в оптике - это как посмотреть.

Хамелеоны относятся к классу рептилий и по внешнему виду очень похожи на ящериц. Естественный окрас кожи хамелеона – зеленовато-коричневый, бежевый, напоминает одновременно цвет древесной коры, листьев. И это помогает им маскироваться в местах их обитания – на деревьях, где они проводят значительную часть своей жизни.

Всем нам практически с детства известно утверждение, что эти пресмыкающиеся изменяют окраску, маскируясь под цвет окружающей местности в зависимости от природного фона и таким образом спасаясь от хищников. (Кстати, существует предположение, что менять окраску хамелеон может вовсе не для защиты от врагов, а в коммуникативных целях – для «общения» с представителями своего же вида).

Именно эта способность считается самой характерной для этого вида пресмыкающихся. Однако ученые выяснили, что подобное утверждение – не более чем легенда. Обладай хамелеоны способностью моментально «перекрашиваться» под цвет местности, они бы становились белыми на белом покрывале или чернели бы на куче угля.

Материалы по теме:

Цвет пламени

Как хамелеон меняет цвета?

Было установлено, что изменение цвета происходит в результате изменения температуры, освещения и даже… настроения существа. А «виноваты» в этом особые клетки, называемые хроматофорами. Это греческое слово буквально обозначает «цвет несущий» (chroma – цвет, краска и phoros – несущий).

Хроматофоры расположены как в поверхностном (волокнистом), так и в более глубоком слоях кожного покрова хамелеона и имеют разветвленную структуру. Механизм работы этих пигментных клеток довольно сложен. Он напрямую связан с работой нервной системы рептилии. В цитоплазме хроматофоров содержатся пигменты, обусловливающие окраску кожи хамелеона. Они бывают черными, желтыми, красноватыми, темно-коричневыми.

Зерна пигментов не закреплены в одном каком-то месте, а имеют способность передвигаться по всей клетке, то сосредоточиваясь в центре, то «отползая» к ее концам. Количество этих пигментных зерен в хроматофорах тоже не одинаково: в одной клетке их больше, в другой – самая малость. Следовательно, и расцветка хамелеона из-за этого будет неравномерной.

Материалы по теме:

Цвет океана

Да и сами клетки-хроматофоры достаточно подвижны: они могут подняться ближе к поверхности кожи или, наоборот, уйти вглубь. Понятно, что от этого будет зависеть и интенсивность окраски.

Когда отростки хроматофора сокращаются, пигментные зерна собираются в центре клеток, и кожный покров обретает белесоватый или желтый цвет. А когда зерна темного пигмента собираются в ответвлениях клетки, кожа становится темной, даже может почернеть. Разнообразные оттенки получаются в результате при сочетании пигментных зерен обоих слоев – поверхностного и глубокого.

Интересна природа возникновения зеленых тонов: это происходит благодаря преломлению лучей в наружном слое, который содержит много светопреломляющих кристаллов. Из-за этого окраска хамелеона может быстро поменяться: от светлой – через различные яркие типа оранжевой, зеленой, пурпурной – к черной. Причем меняться она может как по всей длине тела пресмыкающегося, так и отдельными полосками и пятнами.

Материалы по теме:

Как видят собаки?

Причины смены цвета хамелеона

Учеными Брюкке, П. Бэром и Крукенбергом также было выявлено, что причины перемены цвета этими пресмыкающимися могут носить как физиологический, так и эмоциональный характер. К первым можно отнести, кроме упомянутых выше, температуру, освещение, повышенную влажность, а также обезвоживание, чувство голода и болевые ощущения; ко вторым – ощущение испуга, состояние агрессии по отношению к противнику или при нежелательной встрече.