льшинстве случаев нерадужная (непереливчатая) синяя окраска у животных представляет собой синеву Тиндаля. Так, голубой цвет глаз у людей обусловлен рассеянием белого света мельчайшими белковыми частицами радужной оболочки. У многих птиц с голубым оперенением, например у лазоревок, волнистого попугайчика и других попугаев, внутри кератино-вых бородок пера содержатся светорассеивающие частицы в форме мельчайших наполненных воздухом пластинок.

В пользу структурного происхождения синевы Тиндаля свидетельствует тот факт, что до сих пор из тканей не удалось выделить ни одного синего пигмента, а также то, что синяя окраска не выявляется при просматривании тканей в проходящем белом свете. Ткани выглядят матовыми без радужной окраски, причем при рассматривании практически под любым углом они окрашены одинаково.

Зеленая окраска, особенно у перьев, часто обусловлена наложением синего цвета структурного происхождения и желтого цвета пигмента.

1.3.3. Радужная окраска

К числу наиболее ярких визуальных эффектов, наблюдаемых в природе, относится сверкающая радужная структурная окраска, часто встречающаяся в животном царстве, в частности у птиц, насекомых и рыб. Для радужной переливчатой окраски характерно то, что наблюдаемые цвета изменяются в зависимости от угла зрения. Этот эффект обусловлен двумя оптическими явлениями — интерференцией и дифракцией.

Интерференция. Явление интерференции, возможно, наилучшим образом известно на примере тонкой пленки масла на поверхности воды. Свет, отраженный от нижней поверхности (границы масло — вода) пленки, проходит несколько большее расстояние, чем свет, отраженный от верхней поверхности — границы масло — воздух. Когда различие между пройденными расстояниями эквивалентно половине длины волны света, два световых луча, отраженные от верхней и нижней поверхностей, находятся в противофазе и гасят друг друга. Таким образом, в наблюдаемом отраженном свете отсутствует свет отдельных длин волн, в результате чего отраженный луч приобретает окраску. При более остром угле зрения расстояние, которое проходит луч между верхней и нижней поверхностями, больше. Следовательно, в другой части спектра (при большей длине волны) произойдет интерференция, и потому здесь будет наблюдаться иная окраска.

У животных известно много примеров окраски, образующейся в результате интерференции. У многих насекомых тонкой пленкой, обусловливающей появление ряда интерферирующих цветов при рассматривании под разными углами, служит просвечивающее крыло. Многие бабочки имеют на поверхности чешуек крыльев пластинки с мельчайшими воздушными пузырьками между ними. Расстояние между пластинками примерно постоянно, п поэтому в довольно широком диапазоне углов зрения окраска почти не меняется.

Окраска, обусловленная интерференцией, обычно встречается у птиц, например у самца павлина. Уплощенные крючочки на бородках пера пластинчатых структур, играющих роль интерферирующей пленки, повернуты таким образом, что их плоская поверхность обращена в сторону наблюдателя. Во многих случаях яркость переливающихся цветов усиливается в присутствии подстилающей черной поверхности (меланин), которая поглощает весь остальной свет. Благодаря такой подстилке оперение птиц часто имеет металлический блеск.

Дифракция. Довольно близкий к описанному выше эффекту радужного окрашивания дает дифракция, хотя она менее характерна для природных тканей, чем интерференция. Искусственные дифракционные решетки, используемые в некоторых оптических приборах, состоят из серии очень близко и на одинаковом расстоянии друг от друга расположенных параллельных линий, нанесенных на отшлифованную поверхность. Примером радужной окраски, образующейся на природных пластинчатых структурах, которые ведут себя как дифракционные решетки, является перламутровая окраска раковин моллюсков.

1.3.4. Структурная белизна

Понятие структурной белизны можно проиллюстрировать на примере снега, который своим блестящим белым цветом обязан отражению падающего белого света от поверхности бесчисленных мелких кристалликов. Сходный эффект дает отражение света другими твердыми или жидкими частицами либо поверхностями, содержащимися в среде с иным показателем преломления. Частицы не должны быть слишком малы, чтобы не происходило различного рассеяния лучей с разной длиной волны (тиндалевское рассеяние). Приведем несколько примеров структурной белизны в природе — белые волосы (отражение от пузырьков воздуха, заключенных в прозрачное твердое вещество), белые перья (отражение от множества маленьких бесцветных крючочков на бородке пера), молоко (отражение от капелек в эмульсии, состоящей из двух жидкостей с разными показателями преломления), белые бабочки (отражение от пронизанных жилками и сетчатых, покрытых чешуйками поверхностей), а также белые и серебристые рыбы (отражение от кристаллов гуанина).

1.3.5. Химическая окраска, обусловленная природными

пигментами

Разнообразие природной окраски является большей частью результатом преимущественного поглощения света некоторых длин волн химическими веществами, содержащимися в ткани. Химические вещества, ответственные за это поглощение, являются природными пигментами. Именно биохимии этих природных пигментов, или биохромов, посвящена данная книга. Практически все природные пигменты представляют собой органические вещества, но они значительно отличаются от пигментов, выпускаемых промышленностью и широко используемых в качестве красок для рисования и красителей. Однако, прежде чем приступить к подробному описанию различных групп природных пигментов, необходимо рассмотреть в общем виде те свойства молекул, которые обуславливают поглощение видимого света.

1.4. Поглощение света

1.4.1. Энергия и длина волны

Когда атом (или молекула) поглощает квант энергии электромагнитного излучения, он переходит из одного энергетического состояния в другое. Электрон может занимать только определенные дискретные энергетические уровни, и поглощение кванта света возможно только в том случае, когда энергия поглощаемого излучения Е равна разности энергий между двумя этими уровнями. Однако, согласно «правилам отбора», не все такие переходы «разрешены»; некоторые из них являются «запрещенными». Будет ли квант поглощен, строго зависит от его энергии, а следовательно, от длины волны излучения, так как

E = hv,

где Е — энергия кванта, h — постоянная Планка, a v — частота излучения, связанная с длиной волны Я соотношением

в котором с — скорость света. Таким образом, между энергией и длиной волны имеет место обратная зависимость, или, другими словами, чем больше разность энергий двух энергетических состояний, тем короче длина волны излучения, необходимого для осуществления перехода между ними. Энергия УФ- и видимого излучения достаточно велика для осуществления электронных переходов, т. е. кванты этих видов излучения способны вызывать переход электронов из более низкого в более высо-" кое энергетическое состояние. Кроме того, каждое энергетическое состояние электронов даже в наиболее простых двухатомных молекулах характеризуется различными колебательными кг вращательными энергетическими уровнями. Разности колебательных и вращательных энергий значительно меньше, чем электронных, поэтому они соответствуют квантам ИК-излуче-ния.

1.4.2. Поглощение излучения атомами

При поглощении атомом кванта света его электрон переходит из основного состояния в возбужденное, причем энергия кванта точно соответствует разности энергий между двумя энергетическими состояниями. Поскольку существует однозначное соответствие между энергией, частотой и длиной волны излучения, при простом переходе электрона с одного уровня на другой поглощенное излучение или свет может быть только-какой-то одной длины волны и в спектре поглощения будет наблюдаться единственная линия.

1.4.3. Поглощение излучения молекулами

В случае молекул ситуация не так проста. Даже двухатомные молекулы велики по сравнению с атомами, и их уже нельзя рассматривать как жесткие частицы. В них происходят молекулярное вращение и колебания ядер, причем энергия вращательного и колебательного движения также квантуется (рис. 1.3). Таким образом, любой электрон в молекуле в основном состоянии может находиться на нескольких колебательных энергетических уровнях, причем для каждого из последних возможно несколько вращательных энергетических уровней. То же самое справедливо и для электрона в возбужденном состоянии. И хотя разницы колебательных и вращательных энергий малы по сравнению с разницей электронных энергий, при обсуждении электронных переходов их необходимо учитывать. Следовательно, для осуществления электронного-перехода энергия кванта не обязательно должна иметь одно' строго определенное значение; она должна соответствовать разности между основным и возбужденными состояниями для различных колебательных и вращательных уровней. Возбуждение электронов может сопровождаться колебательным и вращательным возбуждением молекул. В итоге при электронном возбуждении энергия поглощается в некотором диапазоне длин волн излучения, и поэтому для молекул спектроскопические линии поглощения расширяются до полос поглощения с центром, соответствующим длине волны максимального поглощения (^тах); обычно ширина полосы составляет 50—100 нм. Как правило, невозможно достичь достаточно хорошего разрешения полос поглощения, по которому можно было бы восстановить тонкую структуру колебательных и вращательных уровней.

Переход электрона в возбужденное состояние на более высокий энергетический уровень происходит чрезвычайно быстро10~15 с), тогда как более тяжелые атомные ядра не могут в течение этого времени сколько-нибудь заметно переместиться..

2—84

Следовательно, во время электронных переходов положения ядер, или межъядерные расстояния, практически не меняются (принцип Франка — Кондона).

Молекулярные колебания имеют более или менее гармонический характер, так что колеблющиеся ядра дольше всего находятся в крайних положениях, где движение наиболее медленное. Таким образом, электронные переходы наиболее вероятны в