Levande speglar

Speglar i ögonbottnen gör att hundens ögon lyser vita. Speglande ögon finns också hos katter och många andra djur som är aktiva om natten. Spegeln baktill i ögat gör att ljuset används mer effektivt. När det ljus som inte har tagits upp av de ljuskänsliga cellerna vid första passagen kastas tillbaka från ögonbottnen förstärks synintrycket. Att ljuskänsligheten i ögat ökar har emellertid ett pris i form av nedsatt synskärpa. Därför finns inte sådana förstärkningsspeglar hos djur som är aktiva enbart på dagen.

Färglösa speglar

Optiken i de flesta ögon bygger på linser som bryter ljusets strålar. Men vissa djur, som kammusslan, har speglar i sin bildalstrande optik. Musslans ögon har visserligen en genomskinlig lins, men bakom den sitter en konkav spegel som bryter ljusstrålarna mot näthinnan där de ljuskänsliga cellerna sitter. Principen är densamma som för spegeln i ett teleskop.

Ögonens speglar är så effektiva att nästan allt ljus reflekteras. Lika effektivt återkastas ljuset från exempelvis sillens fjäll. Speglarna på sillens sidor gör att dess fiender har svårt att se den blanka fisken snett underifrån. Fiskens översida är däremot mörkare, vilket gör att fiskmåsar och andra fåglar inte upptäcker fisken så lätt.

I hundens och i kammusslans ögon, liksom i många andra reflekterande strukturer hos olika djur, finns kristaller av guanin. Det är en kemisk förening som också ingår i arvsmassans DNA och där brukar betecknas med bokstaven G.

Biologiska speglar är uppbyggda av skikt, ofta tio eller fler, med omväxlande högre och lägre brytningsindex. Brytningsindex för ett ämne är ett omvänt mått på ljushastigheten i ämnet. Ju högre brytningsindex är, desto långsammare går ljuset. Guanin har ett mycket högt brytningsindex (1,83) och alternerar med vatten- och proteinhaltiga skikt med brytningsindex omkring 1,33.

Färgämnen eller strukturer

Insekternas metallglänsande färger orsakas också av ett slags speglar. Dessa kan åstadkomma både olika klara färger och blandfärger som guldbaggarnas guldfärg. Spegeln är i detta fall uppbyggd av tunna skikt av det färglösa, sockerartade ämnet kitin med ganska högt brytningsindex (1,40-1,56). Mellan lagren finns luft eller vatten. Här är alltså inga färgämnen inblandade.

Vad är det då som ger färg åt ytan? Jo, färg kan uppstå på två helt olika sätt. Antingen handlar det om kemiska färgämnen (som är det vi vanligen menar med färg) eller om fysikaliska strukturer.

I det första fallet tar färgämnet upp ljus av alldeles bestämda våglängder, ljuspartiklar vilkas energi kan växelverka med ämnets molekyler. Exempelvis tar klorofyll, det gröna färgämnet i växternas blad, upp energi från blått och rött ljus och omvandlar det till kemisk energi. Kvar av det synliga ljuset blir då blågrönt, grönt och gult ljus. Därför ser klorofyll grönt ut.

I det senare fallet omvandlas inte ljuset till kemisk energi, värme eller någon annan energiform. Färgen beror i stället på materialets struktur. Den färgalstrande strukturen reflekterar delvis ljuset och påverkar därigenom dess riktning, så att ljus av olika våglängd fortplantar sig åt olika håll. Resultatet blir att ljus av bara vissa våglängder når våra ögon, och strukturen förefaller därför vara färgad.

Guldbaggen och många andra insekter ser ut att ha olika färg i olika riktningar. Detta betyder att det är materialets struktur och inte något färgämne som åstadkommer färgen. Men ibland kan också strukturfärger se lika ut i olika riktningar – bland skalbaggar finns exempel även på detta. Då är ytan täckt av ett material som sprider ljuset.

Gröna, blå och gula undulater

Exempel på strukturell färg i döda material är de skimrande färgerna i en såpbubbla eller i ett tunt skikt av olja på en vattenyta. I båda fallen reflekteras infallande ljus mellan såphinnans eller oljeskiktets båda ytor. Vågorna i det ljus som studsar tillbaka från den främre respektive bortre ytan kan antingen gå i takt och förstärka varandra eller gå i otakt och försvaga varandra.

Om färgerna försvagas eller förstärks beror, utom på ljusets våglängd, på avståndet mellan ytorna och det genomskinliga materialets brytningsindex. Ljusets riktning i förhållande till skiktets riktning har också betydelse.

Om man lägger flera tunna skikt på varandra blir färgeffekterna mer intensiva. Med en likformig skiktning får det reflekterade ljuset en ganska ren spektralfärg. Om skiktens tjocklek eller sammansättning varieras kan man få olika blandfärger, som guldbaggarnas guldfärg eller en ren spegeleffekt som från de nattlevande djurens ögon. I det senare fallet nås ögat av alla spektralfärger samtidigt.

Inte bara insekter utan även fåglar kan bära på färger som beror på strukturverkan i fjäderdräkten. I fjädrarna omväxlar proteinet keratin med luft. Gröna färger däremot är ofta en kombination av strukturverkan och gult färgämne. Gröna undulater, som är undulatens vildform, har både gult färgämne och den struktur som ger blå färg. Blå undulater saknar färgämnet, medan gula undulater saknar strukturell färgning.

Fjärilsvingar och växter

Ett annat sätt att åstadkomma strukturell färgning är genom så kallad gitterverkan. Ett gitter av det slag som finns i många vetenskapliga instrument består av en speglande skiva täckt av ett mycket stort antal parallella streck eller ritsor tätt intill varandra. De ljusvågor som reflekteras från ett sådant gitter förstärker varandra i en del riktningar och försvagar varandra i andra riktningar. Därför ser skivan ut att ha olika färg när man ser på den från olika håll, precis som på en cd.

Biologiska gitter är som regel mer komplicerade. De är i allmänhet byggda i tre dimensioner och har en struktur som påminner om kristaller. Färgerna i fjärilsvingar kan alstras i skiktade strukturer men även av gitter. Ett annat exempel är den blå-grönskimrande färgen hos vissa vivlar. Små fjäll av kitin täcker vivelns kropp, och inuti varje fjäll finns en kristalliknande struktur som fungerar som ett gitter.

Hur strukturfärger uppkommer är långt ifrån klarlagt i alla enskilda fall. Gräsanddrakens huvud skiftar vackert i blått och grönt, men detaljerna kring färgspelet är ännu inte utredda i detalj. Detsamma gäller den tropiska dvärglummern som skiftar i blått. Växter kan nämligen också skimra av levande speglar. I många fall är de färgalstrande strukturerna mycket mer komplicerade än vi har beskrivit här, med exempelvis spiralstrukturer som ger en speciell egenskap, så kallad cirkulärpolarisation, hos det reflekterade ljuset. Ibland använder organismerna flytande kristaller, som kan ge färgeffekter på samma sätt som på skärmen till en portabel dator. En del djur har också förmåga att ändra strukturerna så att färgen skiftar.