آیا تاکنون پیش آمده است که یک پرندۀ آبی‌رنگ را از نزدیک ببینید؟ یا یک قورباغۀ آبی‌رنگ؟ یا حتی یک پروانه با بال‌های آبی؟ اگر چنین حیواناتی را از نزدیک ملاحظه کرده باشید، احتمالاً به این نکته پی برده‌اید که آن‌ها منحصربه‌فرد هستند. اما متأسفانه، برای ما آدم‌های عادی، خیلی موقعیت آن پیش نمی‌آید که با رنگ آبی در طبیعت مواجه شویم. می‌توان گفت آبی، کمیاب‌ترین رنگ بین گیاهان و جانوران است. صرف‌نظر از پرندگان و چند نوع پروانه، تقریباً پستانداری نداریم که به رنگ آبی باشد. حتی خود وال آبی هم آن‌قدرها آبی نیست! پس به راحتی می‌توان این حقیقت را دریافت که رنگ آبی با سایر رنگ‌های دیگر کمی تفاوت دارد.
بسیاری از رنگدانه‌هایی که رنگ ویژۀ هر موجود را تعیین می‌کنند، در بدن خود جانور ساخته نمی‌شود. در واقع، جانوران برای ساختن رنگدانه‌های پوست، پر و سایر ضمائم خود، به مواد اولیه‌ای نیاز دارند که از رژیم غذایی خود دریافت می‌کنند. شاید برایتان جالب باشد که بدانید فلامینگوها ابتدا خاکستری‌رنگ هستند. آن‌ها به مرور زمان، با دریافت نمودن گروهی از رنگدانه‌ها به نام کارتنوئیدها، رنگ صورتی خاص خود را به دست می‌آورند. کارتنوئیدها از سخت‌پوستانی تأمین میشود که فلامینگو به عنوان غذا مصرف می‌کند. اما بخش جالب‌تر ماجرا آن است که چنین اثری تاکنون برای رنگ آبی گزارش نشده است. به عبارت دیگر، هیچ‌گونه رنگدانه‌ای به رنگ آبی در طبیعت وجود ندارد و خوردن هیچ موجودی هم باعث ساخته شدن رنگدانۀ آبی در شکارچی نمی‌شود. پس اگر چنین است، پروانه‌های آبی از کجا آمده‌اند؟
رنگ آبی چگونه در طبیعت ظاهر شده است؟
در مورد پرندگان، چندین ساز و کار با اساس مشترک برای تولید (و یا ظهور) رنگ آبی در نظر گرفته شده است، که هیچ‌کدام نیز پایۀ شیمیایی ندارد! اگر پر آبی‌رنگ طاووس، یا جیجاق کبود را در زیر میکروسکوپ بررسی کنیم، خواهیم دید که این پر از ساختمان‌های ویژه و بسیار پیچیده و در هم تنیده‌ای تشکیل شده است. در مورد پر جیجاق، ما با یک سری ساختارهای تسبیح‌مانند سر و کار داریم که در طبقات متعددی کنار یک‌دیگر قرار می‌گیرند. هنگامی که نور به این ساختارها برخورد می‌کند، دو رنگ اصلی سبز و قرمز جذب شده و رنگ آبی از سطح آن بازتاب میشود. حال اگر پر را برگردانید و به سطح پشتی آن نگاه کنید، خواهید دید که دیگر آبی به نظر نمی‌رسد. پر طاووس اما از ساز و کار به مراتب هیجان‌انگیزتری برای تولید رنگ آبی دروغین بهره می‌گیرد. به جای ساختارهای تسبیح‌مانند، ساختمان‌هایی میکروسکوپی شبیه به تیغه (lamella) بر روی هم سوار شده و پر طاووس را می‌سازند. این تیغه‌های متراکم به کمک پدیده‌ای به نام تداخل موج (wave interference) نور آبی را بازتاب می‌دهند.
تداخل سازنده و بازتاب پرتوی آبی
برای رسیدن به پاسخ این سوال که چرا رنگ آبی در طبیعت کمیاب است، باید ابتدا کمی با فیزیک مربوط به امواج الکترومغناطیس (یا همان امواج نور) آشنا شویم.
هر موج الکترومغناطیسی، از برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌هایی تشکیل می‌گردد که به طور مرتب پشت سر هم تکرار می‌شوند. بلندترین قسمت موج نوری، در فیزیک، ستیغ (crest) نامیده میشود. فرورفته‌ترین بخش موج نیز، ناوه (trough) نام دارد. فاصله بین دو ستیغ متوالی و یا دو ناوه متوالی، مقداری است که به عنوان طول موج در نظر گرفته میشود.
پیش‌تر اشاره کردیم که ساز و کار اساسی در بازتاب نور آبی از سطح پر طاووس، پدیده تداخل موج است. تداخل موج هنگامی رخ می‌دهد که دو (یا چند) موج از نقطۀ واحدی عبور نمایند، به طوری که بتوان این دو موج را با یک‌دیگر جمع زد. اصطلاح علمی‌تر آن، بر هم نهی موج الکترومغناطیسی است. بدون این که اطلاعاتی در این زمینه داشته باشیم، می‌توانیم تشخیص دهیم که اگر دو موج، به نحوی بر روی هم سوار شوند که ستیغ‌ها و ناوه‌های هر موج در مقابل یک‌دیگر قرار بگیرد، موجی با شدت بالاتری حاصل خواهد شد که از جمع دو موج قبلی به وجود آمده است. منظور از شدت بالاتر، این است که فاصلۀ بین ستیغ و ناوه در موج جدید، بیشتر از دو موج قبلی است. چنین حالتی، تداخل سازنده (constructive interference) نام دارد، که در آن، ستیغ‌ها و ناوه‌هایی که در مقابل هم قرار گرفته‌اند، اثر یک‌دیگر را تقویت می‌کنند.
در مقابل تداخل سازنده، نوع دیگری از تداخل هم داریم که به تداخل ویرانگر (destructive interference) شهرت پیدا کرده است. تداخل ویرانگر زمانی بروز می‌یابد که ستیغ یک موج، در مقابل ناوۀ موج دوم قرار بگیرد. در چنین حالتی، ستیغ‌ها و ناوه‌ها اثر یک‌دیگر را خنثی کرده و حاصل جمع دو موج، ناحیه‌ای تاریک خواهد بود. واضح است که اگر دو موج مورد بحث، بسامد و طول موج یکسانی داشته باشند، در حالت تداخل ویرانگر، تماماً یک‌دیگر را خنثی می‌کنند.
در شکل بالا، طرحی از ساختارهای تیغه‌مانند پر طاووس را ملاحظه می‌کنید که پیش‌تر در مورد آن صحبت کردیم. نور پس از برخورد به تیغه‌ها، از سطح فوقانی و تحتانی هر تیغه بازتاب میشود. در طیف نور مرئی، هر چقدر به سمت راست و طول موج‌های بالاتر حرکت کنیم، پدیده تداخل ویرانگر نیز برای هر پرتو شدت بیش‌تری پیدا خواهد کرد؛ تا جایی که پرتوهای قرمز رنگ بازتاب شده از سطح تیغه‌ها، هم‌فاز نبوده و یک‌دیگر را خنثی می‌کنند. منظور از هم‌فاز بودن، قرار گرفتن هر بخش از موج در مقابل بخش معادل خود از موج دیگر است. به بیان ساده‌تر، دو موج در صورتی هم‌فاز هستند که ستیغ و ناوۀ هریک در مقابل ستیغ و ناوۀ دیگری قرار بگیرد. طول موج نور آبی به گونه‌ای است که پرتوهای بازتاب یافتۀ آبی‌رنگ، با یک‌دیگر هم‌فاز بوده و در پی تداخل سازنده، اثر هم را تقویت می‌کنند. و ما در نهایت، پر را به رنگ آبی می‌بینیم.
بنابراین می‌توان گفت که رنگ آبی برای تولید شدن، به ساز و کارهای فیزیکی وابسته است، نه فرآیندهای شیمیایی. این مسئله باعث میشود با حرکت دادن پر در مقابل چشم خود، متوجه شوید که درجۀ آبی بودن آن متغیر است و بخشی از پر، براق‌تر و آبی‌تر از بخش دیگر به نظر می‌رسد.
اما …
گفتیم که در طبیعت هیچ‌گونه رنگدانه‌ای برای رنگ آبی نداریم. اما از سوی دیگر، می‌دانیم که قیدهای مطلق در طبیعت، وجود خارجی ندارند! تنها نمونه از رنگدانۀ آبی که تا کنون در طبیعت گزارش شده، به پروانه‌ای به نام Nessaea obrinus تعلق دارد. بنابراین، N. obrinus، از یک نگاه، خاص‌ترین پروانه در دنیا به حساب می‌آید.
آیا ممکن است جانوران، رنگ آبی ضمائم خود را از دست بدهند؟
اگر ضریب شکست تیغه‌های سازندۀ پر تغییر کند، چه؟ به عبارت دیگر، اگر زاویۀ شکست پرتو نور در هنگام برخورد به سطح تیغه، از حد طبیعی خود انحراف پیدا کند، چه مشکلی پیش می‌آید؟ خب، مشکلی که پیش خواهد آمد، این است که ما دیگر رنگ آبی را مشاهده نخواهیم کرد، چون همان‌طور که گفتیم، اساس تولید رنگ آبی، فیزیکی است.
حال ممکن است این سؤال مطرح شود که چگونه می‌توان ضریب شکست پر را تغییر داد؟ در صورتی که هر ماده‌ای به جز هوا، فضای خالی بین این تیغه‌ها را پر کند، ضریب شکست پر نیز دستخوش تغییر خواهد شد. هر گاه پر آبی‌رنگی را پیدا کردید، می‌توانید کمی الکل روی آن بریزید. نفوذ الکل به لابه‌لای تیغه‌های سازندۀ پر موجب ناپدید شدن رنگ آبی میشود. البته، پس از بخار شدن الکل، رنگ آبی دوباره بازخواهد گشت.
اما چرا پروانه‌های آبی که اتفاقاً در جنگل‌های گرمسیری و پرباران زندگی می‌کنند، رنگ آبی خود را از دست نمی‌دهند؟ به دلیل این که تکامل کاملاً هوشمندانه عمل می‌کند. بال پروانه‌ها دارای نوعی پوشش سطحی آب‌گریز است که اجازۀ نفوذ مولکول‌های آب به درون این تیغه‌ها را نمی‌دهد.
آیا رنگ آبی در گیاهان نیز اساس فیزیکی دارد؟
هر چند گیاهان صرف‌نظر از مواد معدنی، هر چیزی را که نیاز داشته باشند می‌سازند، اما تاکنون موفق به ساخت رنگدانۀ آبی نشده‌اند. با این حال، گیاهان همیشه ترفندهای خاص خود را دارند. رنگ آبی گلبرگ‌ها در حقیقت از نوعی رنگدانۀ قرمز به نام آنتوسیانین (anthocyanin) ناشی میشود. گیاهان در طول زمان آموخته‌اند که با دستکاری کردن این رنگدانه، نمایی آبی‌رنگ به آن بدهند. تغییر pH یکی از همین ساز و کارهایی است که گیاه به کمک آن، آنتوسیانین قرمزرنگ را آبی جلوه می‌دهد.
پس طبیعت آن‌قدرها هم قدرتمند نیست … مگر نه؟
نکته‌ای که باید به آن توجه کرد، این است که طبیعت چیزی را تغییر می‌دهد که راحت‌تر باشد. در مورد رنگ آبی، تغییر دادن ساختمان فیزیکی ضمائمی نظیر پر و بهره‌گیری از پدیده‌های فیزیک، مقرون به صرفه‌تر از تعریف کردن یک مسیر شیمیایی جدید برای تولید رنگدانۀ آبی است. تکامل اگر می‌خواست از شیمی به جای فیزیک استفاده کند، در آن صورت باید تغییرات وسیع‌تری بر روی DNA جانداران اعمال می‌کرد. یا اگر بخواهیم بهتر بگوییم، در آن صورت باید منتظر می‌ماند تا پرندگان و گیاهانی با جهش‌هایی خاص در مسیر تولید رنگدانه به وجود بیایند که در ادامه آن‌ها را برگزیند. اگر طبیعت فیزیک را ترجیح داده، حتماً فیزیک به انرژی کم‌تری نیاز داشته است.
