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1、蝴蝶鳞翅结构和显色原因研究时间：2009.09至2010.11学校：浙江省杭州第二中学班级：高一（11）、高二（5）组长：黄学群（执笔人）组员：王梦琪 吴孟迪 毛志远指导教师：陈颜龙老师（杭州第二中学）中学研究性学习0007蝴蝶鳞翅结构和显色原因【内容摘要】本文采用了大量的实物图片、创新地建构了对应的模型图，较通俗系统地阐述了蝴蝶鳞翅的结构和显色原因，通过蝴蝶鳞翅鳞片种类、鳞翅鳞片着生方式、鳞翅翅面形状等蝴蝶鳞翅的结构，从光学角度对鳞片的微观结构是产生结构色的原因从反射、折射、干涉方面作出了解释,揭示了蝴蝶鳞片的非光滑结构对可见光的作用机理，从化学角度说明色素色是由色素的存在而产生，不同的色素
2、使鳞片本身的色彩显现不同的颜色，通过提取蝴蝶鳞翅色素的实验探索分析了色素的种类及化学成分，为研究蝴蝶鳞翅的结构和显色原因提供了较有价值的参考。【关键词】鳞片 种类 着生方式 翅面形状 结构色 色素色 混合色一、引言蝴蝶为何如此绚丽？蝴蝶翅上美丽的花纹以及色彩是怎样产生的？其结构是如何的？“生物的结构和功能相适应”又是如何完美地体现的？在仿生技术方面又有何作用？众所周知，蝴蝶是一种美丽的动物，蝴蝶的美丽主要是因为它们的翅。教科书上有：“蝴蝶，隶属节肢动物门、昆虫纲、鳞翅目，占有十余个科。”从分类上来看，鳞翅目，顾名思义，蝴蝶的翅是布满鳞片的。而翅美丽的花纹也是由于鳞片吗？或仅仅只是因为鳞片吗？带
3、着一系列的问题我组成员展开了研究。为了使研究结果更具有说服性，我们外出采集了蛱蝶科（Nymphalidae）、凤蝶科（Papilionidae）、弄蝶科（Hesperiidae）、灰蝶科（Lycaenidae）、粉蝶科（Pieridae）等科的典型蝴蝶（图片见下页）。经过一段时间蝴蝶的采集和标本制作，于2010年的2月23日，我们到了浙江大学华家池校区的昆虫研究所，对捉到的蝴蝶进行了体视镜下观察和拍照。在暑假中，我参加了浙江大学生物专业学生的天目山采风活动，很多标本都是在那次活动中获得的。在2010年8月2日与10月16日间，我们又到昆虫研究所，对蝴蝶进行了体视镜下观察和拍照（笔者使用的体视镜
4、的放大倍率为880）。通过本课题的学习和研究，笔者能较系统地说明蝴蝶鳞翅的结构和显色原因的理论依据、希望可以填补一些人们对蝴蝶鳞翅结构和显色原因认识不足的空白，并且能给相关研究人员提供参考、建立起蝴蝶的照片资料库、了解并有利于将来促进仿生技术的发展；通过本课题的学习和研究，笔者掌握了研究性学习的基本方法、了解了如何进行研究性学习、学会如何用实验来进行探究，为将来进行科学研究打下坚实的基础，从中笔者获益匪浅。有足够的资料后，我们对资料进行研究后得出结论：蝴蝶鳞翅显色原因主要和鳞翅结构有关，下面是笔者的研究成果。二、蝴蝶鳞翅的结构在体视镜下，蝴蝶的翅既有相似性，又有各自的不同的特点。图7图8蝴蝶鳞
5、翅的基础为膜翅。在其上有翅脉与几丁质毛，翅脉是明显的。在宏观中，翅脉和翅的显色很多方面都有关。在体视镜下（如图7所示某蛱蝶）可以清楚得看到翅脉对表面附着物的巨大影响。几丁质毛是翅的一部分（如图8）所示。经过仔细的观察后，笔者归纳出了一些规律。主要分为鳞翅鳞片种类、鳞翅鳞片着生方式和鳞翅翅面形状三方面。（一）鳞翅鳞片种类1颜色红 绿 蓝 白 黑图9在为美眼蛱蝶拍照时，笔者深深地被其颜色的多样所打动。据此，笔者认为颜色是蝴蝶鳞翅鳞片最基本的种类差别之一。如用模式图，则如图9所示。在体视镜下，该种排列如图10所示。此图来自美眼蛱蝶（Junonia almana）。图中有颜色不同的鳞片5种，由此可见，
6、宏观中翅显色的主要原因是颜色。182表面凹凸在体视镜下，蝴蝶鳞片表面的凹凸并没有笔者想象的那么明显，可以说表面凹凸作为蝴蝶鳞翅鳞片种类差别，在体视镜下极难被发现，需在电子显微镜下才能被发现。然而笔者还是在翅基处找到了。图11如用模式图，则如图11所示。在体视镜下，几乎所有鳞片均有三条棱，其余大都相同（如图12-1所示）。此图来自某蛱蝶。宏观中翅显色与表面凹凸有关（如图12-2所示），此图在电子显微镜下拍摄，显色机理详见干涉。图121 图1223形状图13除了颜色和表面凹凸外，笔者猜想形状也是蝴蝶鳞翅鳞片种类之间差别之一。试验中，形状作为蝴蝶鳞翅鳞片种类差别， 在体视镜下可见，在宏观中鳞翅显色与
7、其形状有关。如用模式图，则如图13所示。在体视镜下如图14-1所示。此图来自中华谷弄蝶（Pelopidas sinensis Mabille）。图中可见有多种长度和宽度的鳞片，而在上一节的图12中，鳞片形状也与图14-1中的不同。图141图14-2电镜下如图14-2所示：双层鳞片上层末端圆滑，下层末端呈锯齿状。图122说明鳞片基部形状呈盾状，这些照片均能体现形状对显色的影响。（二）鳞翅鳞片着生方式1平行排列根据照片笔者猜想蝴蝶鳞翅鳞片最基本的着生方式之一，然而发现这种排列方式没有间隔排列常见。如用模式图，则如右图15所示。在体视镜下，该种排列如图16所示（美眼蛱蝶（Junonia almana
8、）。图16图152间隔排列笔者猜想蝴蝶鳞翅鳞片另一种最基本的着生方式。事实证明，这种排列很常见。如用模式图，则如图17所示。在体视镜下，该种排列如图18-19所示。图17此图均来自玉带凤蝶（Papilio polytes）（雌）。图18图193无序排列图20该种着生方式在蝴蝶中并不常见。如用模式图，则如图20所示。在体视镜下，该种排列如图21-22所示。图21来自中华谷弄蝶（Pelopidas sinensis Mabille），示翅缘处排列无序；图22来自粉蝶，示翅脉处排列无序。图21图22（三）鳞翅翅面形状1表面起伏关于表面起伏，笔者在观察中发现，作为蝴蝶鳞翅翅面形状的决定性因素，表面起伏
9、，是显而易见的。在宏观中，翅表面起伏和鳞片着生时与翅面的角度有关。由于鳞片长度较为恒一定，角度越大（090），正弦位越大，高度越高，反之，高度越低，产生表面起伏。如用模式图，则如图23所示。图23在体视镜下，无序排列如图22所示（无序排列）。可惜在图中翅面起伏并不明显，无法看到光反射的不同方向。2表面附着物表面附着物包括鳞片和刚毛两块。模式图先给出，如图24所示。 图24（1）鳞片鳞片（模式图中的长方块）作为表面附着物，主要靠排列方式和种类（颜色、形状和表面凹凸）来表达影响，是蝴蝶鳞翅翅面丰富多彩的决定性因素。（2）刚毛刚毛（模式图中的三角形）是蝴蝶鳞翅翅面附着物中有着很大的比重。开始笔者并没
10、有意识到，然而在拍照时才意识到这是表面附着物很重要的一块。刚毛事实上包括很多，有各种各样的毛结构，如按生的部位即可分翅近缘、翅缘、翅面、翅根、翅转角处和腹部。在宏观中，虽然刚毛与鳞片不同，在显色中并不占大的比重，但事实上，刚毛和鳞片相似，以一个集合的方式存在并产生影响。在体视镜下，如图25-34所示。图25-26来自某蛱蝶。此图中可清晰的看到翅近缘生的毛结构。 图25 图26图27-28来自斐豹蛱蝶（Argyreus hyperbius），其中图27为雌性，图28为雄性。此图中可清晰的看到翅缘生的毛状鳞结构。 图28图27图29来自斐豹蛱蝶（Argyreus hyperbius）雌性，图30来
11、自某眼蝶。此图中可清晰的看到翅面生的毛结构。图31来自中华谷弄蝶（Pelopidas sinensis Mabille）。此图中可清晰的看到翅根生的毛结构。图33图32图32-33来自斐豹蛱蝶（Argyreus hyperbius），其中图31为雌性，图33为雄性。此图中可清晰的看到其余一种特殊的毛结构，着生在翅转角处和腹部两侧，可能有帮助飞行功能。图29图33三、蝴蝶鳞翅显色原因凡亲手捉过蝴蝶的人都记得手上会沾上一些粉末状的东西，其实这就是蝴蝶翅上落下的鳞片。笔者把一片蝴蝶鳞翅放在显微镜下，就可以看到它的表面密密麻麻地盖满了覆瓦状排列的鳞片。拔下一个鳞片，可以看到它像一片树叶的形状。一端的边
12、缘有齿状缺口与突起，另一端有点像叶柄，这“叶柄”插在表皮下。真正是片片相连、鳞次栉比。与鸟类的羽毛一样，蝴蝶鳞翅色彩斑斓有物理与化学两方面的原因。蝴蝶鳞翅显色原因，在这里打算从两方面说明：结构色、色素色和混合色。在上海大自然昆虫博物馆中有一块展版（图34）是这么说的：图34该展版上所说的化学色我在这里称为色素色，而物理色我在这里称为结构色，混合色就不用其它的名称。（一）结构色原因蝴蝶鳞翅结构色比色素色更为复杂。下面从光学角度出发，分别从反射、折射和干涉三方面就鳞片的微结构是产生结构色的原因作出解释，揭示蝴蝶鳞片的非光滑结构对可见光的作用机理。1反射光从一种介质射向另一种介质的交界面时，一部分光
13、返回原来介质中，使光的传播方向发生了改变，这种现象称为光的反射。图35笔者分析得出由于鳞片表面有一列列的棱状突起，对射来的光线有不同的反射作用，这种由物理因素引起的色彩称为反射色。鳞片以自己的颜色反射光，如同镜子一般。如图35所示（美眼蛱蝶，即图10，在为说明颜色时使用），反射对显色有极强的作用。2折射图27光由一种媒质进入另一种媒质或在同一种不均匀媒质中传播时，方向发生偏折的现象叫做光的折射。鳞片折射光，鳞片着生角度不同造成表面折射不同，事实上是一种色散现象。如图36所示。此图来自某蛱蝶。又如闪蝶科（Morphidae）的蝴蝶（中国境内没有分布），翅的折射在光学中, 对于不同的波长，介质的折
14、射率n()也不同，这使得白光（或复色光）在折射时，不同颜色的光被分解（成为单色光），这种现象叫光的色散。翅的折射是极明显的。如图37所示，欢乐女神蝶（Morpho nestira）。 图36 图373.干涉在折射和反射的基础上，引起蝴蝶翅具有金属光泽的是更高级的物理现象：干涉。频率相同、相差恒定的两列相干光波叠加，使某些区域的光振动始终加强，某些区域的光振动始终减弱，即在干涉区域内振动强度有稳定的空间分布，这种现象称为光的干涉，形成的图样称为干涉图样。如图38所示。 图38光的干涉的成因是两波在同一介质中传播，相向行进而重叠时，重叠范围内介质的质点同时受到两个波的作用。若波的振幅不大，此时重叠范围内介质质点的振动位移等于各别波动所造成位移的矢量和，称为波的重叠原理。（光波传播时也有干涉现象，但是这时没有介质中的质点受作用） 同相（in phase）：若两波的波峰（或波谷）同时抵达同一地点，称两波在该点同相。 反相（antiphase）
