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蝶の羽、その構造と色。構造発色蝶の光学発色子供向け説明

蝶の羽の図:
1 - 翼の付け根。
2 - 前部（肋骨）端。
3 - 後部（肛門）端。
4 - トップ。
5 - 頂端（頂端下）領域。
6 - 後部（肛門）角度。
7 - 根（基底）領域。
8 - 中間（円板）領域。
9 - 円板後（円板下）領域。
10 - 周縁（周縁下）領域。
11 - エッジ (マージン) エリア。

蝶の遠い先祖には羽がなく、羽の代わりに呼吸スリットを乾燥から守る小さな成長物がありました。何千年もかけて、小さな成長物は徐々にサイズが大きくなり、飛行に使用される膜状の構造である翼に変わりました。蝶の美しさは、羽の形、色、模様によって決まります。硬い静脈のフレーム上に張られた 2 層の膜で形成された 2 枚の羽が、昆虫の胸部の中央部と後部に取り付けられています。翼は、表面に花粉を形成する鱗で覆われています。これは、動物界の他の代表者には見られません。蝶の幻想的な美しさと驚くべき多様性の秘密は、色の奇抜さを決定する鱗、色、構造、配置にあります。鱗自体は改造された毛です。一枚の翼にある鱗の数は100万枚に達することもあります。

色の性質に基づいて、鱗は顔料と光学に分けられます。前者の色は、それらに含まれる顔料、つまり染料によるものです。各スケールには 1 つの顔料のみが含まれています。多くの場合、これらはメラニンであり、鱗に黒や茶色の色を与えます。メラニンは蝶自体によって生成されますが、他の色素は毛虫のメニューの一部であった物質からも得られます。つまり、緑色の色素は葉と一緒に食べるクロロフィルに由来するのです。蝶（白い蝶を除く）の黄色と赤の色は、ニンジンなどの色を着色するカロテンを含む植物を食べることに関連しています。顔料の色は非常に明るくなりますが、常にマットで輝きがありません。光学鱗は、多くの日の蝶、特に熱帯の蝶の羽に金属的な虹色の輝きを与えます。それらは色素を持たず、光沢のある金属色と輝く色の色合いの理由は、中空の薄い鱗の中で屈折した白色光がスペクトルの個々の色に分解されるためです。

進化の過程で翼を獲得し、飛行する能力を獲得した蝶は、食物を求めてかなりの距離を移動することができ（探索範囲が増加）、場合によっては空中で逃げることができました。陸生捕食者。翼面積が大きいほど、長時間静かに上昇するのに便利です。しかし、翼の増加とこれに関連して、翼の増加一般的なサイズ体はその防御能力にまったく影響を及ぼさなかったが、同時に蝶が多くの捕食者に目立つようになった。したがって、一部の種類の蝶は比較的短い羽で発育を停止しており、そのため、一方では目立たなくなり、他方ではより巧妙で回避的な飛行をするようになりました。
他の種類の蝶は、異なる発達経路をたどりました。彼らは大きな翼を持ち、さまざまな色に塗られていますが、なんとか生き延びています。ここで重要なのは、同じ明るく色とりどりの花が育つ花の咲く草原や森の空き地の上を蝶が飛んでいるということです。斑入りの花の背景に対して蝶はその色のためにほとんど見えなくなるため、捕食者がこれらの美しさを検出することは困難です。
鮮やかな色の蝶の種のほとんどは、別の種類の保護を持っています。羽はさまざまな色で塗られています。もし上部翼は明るくキャッチーに塗装されており、下側は灰褐色の色調です。蝶が植物の上に止まって羽を折りたたむとすぐに、その明るい色はすぐに裏側の目立たない、通常は単色の色に置き換えられます。したがって、クジャクチョウは開いた羽に大きな斑点があり、茶色や黒から黄色や赤まで、あらゆる色で輝き、下側は控えめな黒茶色の色調で描かれています。

ほとんどの蛾はほとんどが灰色の羽を持ち、黒い線と点の微妙だが複雑なパターンが付いています。日中、彼らは木の樹皮、枝、石の下に座り、ほぼ完全にこの背景に溶け込みます。
上翅だけが灰色で、下翅が赤などの明るい色になっている蛾もいます。そのような蝶は、翼を非常に積極的に使用する別の防御方法を使用します。多くの捕食者は明るくて目立つ色を恐れ、多くの場合何らかの危険を伴うため、彼らは明るく威圧的な色をしており、そのおかげで生き残る可能性が高まります。
これらの蝶には、上羽が白と茶色で、下羽は真っ赤で黒い斑点のあるクマチョウが含まれます。通常、蝶は周囲の背景には見えない前羽が後羽を覆うように座っています。危険な瞬間に、彼女は前羽を動かし、その下から燃えるような赤いハイライトが点滅し、多くの場合、青または黒のパターンによって強調されます。パターンの急速な変化は攻撃者を怖がらせます。
リボン蝶は、上羽が灰褐色で、多くの縞、線、斑点があります。リボンバエが木の幹に沿って止まり、翼を折りたたんで「家」を作ると、文字通り樹皮の色と模様と融合します。体の後ろに偽の頭、目、触覚を備えた蝶がいて、本物の頭と感覚器官を損傷から保護しています。

すべての蝶には羽がありますか?
初めての飛行中に、グラスワートは羽の鱗の大部分を失い、軽くなり、ほぼ透明になります。小さな複数羽を持つ夜行性の蝶の羽は、縞模様の扇に似ています。雌の蛾や一部の蛾には、羽の未発達の残骸しかありません。ミノムシのようなメスのミノムシには羽がないだけでなく、足もありません。そして、これらの飛べない蝶の雄には、通常は羽が発達しています。

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地方自治体の予算教育機関

「第二中学校」

研究プロジェクト

「蝶から新素材へ」

完成者: Gorodskikh Pavel、9「A」、

ルサコフ・イリヤ、7「A」クラス

責任者: チホノフ・イーゴリ・ヴァシリエヴィチ、

物理学とコンピューターサイエンスの教師。

グラゾフ、2013

コンテンツ：

導入。問題の説明。

プロジェクトの目標。

ソリューションの本質。

3.1. 蝶の羽の構造。

3.2. 蝶の羽に多くの色の組み合わせがある物理的な理由。

3.3. 人間が蝶から借りた実用的な応用 .

文献と情報源。

アプリケーション。

「心とは知識だけではなく、

しかし、知識を実践に応用する能力も必要です...」

（アリストテレス）。

問題の説明。

ロシア人は常に美しく華やかに着飾るのが大好きで、衣装を彩る天然染料を見つけてきました。化学科学の発展に伴い、工業的に生産されるアニリンベースの染料が登場し、工業規模で布地を染色できるようになりました。

多くの場合、化学染料には、ヒ素化合物など人間の健康に非常に有害な化合物が含まれており、材料に悪影響を及ぼします。緑色、壁紙や布地の着色に積極的に使用されたため、家庭中毒が増加し、環境を汚染する産業廃棄物の量が急増しました。これらすべての問題により、私たちはより環境に優しいものを探す必要がありました。安全な方法生地や素材を染色すること。

ウドムルト北部地域の生物群集は、さまざまな昆虫によって非常に豊かに表現されています。蝶の世界は特に多様です。道路脇を移動していると、車の走行による衝撃波で倒れる蝶やカブトムシ、トンボをよく見かけます。同時に、保存状態の良い標本はコレクターを喜ばせることがよくあります。

夏に道端で集めた採集素材をもとに、私たちが撮影した蝶の写真です。

したがって、夏から秋にかけて、ウドムルト北部に生息する昆虫のアイデアを与えるコレクションを組み立てることが可能です。

一見すると、虹色にきらめくこの美しい昆虫は、私たちの生活の中で重要な役割を果たしているわけではありません。日常生活。しかし、彼らを詳しく観察すると、彼らは植物の花粉媒介者であり、畑や菜園の収量に大きな影響を与え、また私たちの畑や森林の植物相の保全にも貢献していると結論付けることができます。

昆虫のさまざまな色、昆虫がいる環境に応じて色を変える能力、

昆虫、特に蝶がどのようにして信じられないほどの色の濃淡や複雑なパターンを作り出すことができるのかについて考えさせられました。. ベースはあまり化学的ではないと思いますが、物理的プロセス (プロジェクトの仮説 ).

プロジェクトの目標:

野外や研究資料を収集し、蝶の羽の表面を覆う模様の性質を説明する実験を行います。

まったく普通の現象から、複雑な自然現象の考察と、それを実際にさらに応用する方法へどのように移行できるかを、具体的な例を用いて示します。

問題の本質。

3.1. 蝶の羽の構造。

羽の表面の色を作り出し、羽を見る角度に応じて色を変える蝶の研究のおかげで、繊維産業に革命が起こりました。

蝶の羽の粒子を顕微鏡で調べました。翼は多種多様な模様や色素斑で覆われていることが判明した。

L. V. カーバク著「世界の蝶」より。写真: A. ソチフコ

さらに、この問題に取り組んでいる間、インターネット上で次のような画像を見つけた写真が見つかりました。秤、蝶の羽の表面を覆っています。蝶の羽の表面は、特定の構造を持つ、無視できるほど大量の完全に無色の鱗片で覆われていることが判明しました。

残念ながら、私たちは蝶の羽のより深い構造を見ることができる電子顕微鏡のような強力な研究ツールを持っていなかったので、私たちの研究は蝶の羽の表面の色のみに関係していました。

蝶の鱗状の構造は、2億年以上前のジュラ紀に現れました。.

長い進化の過程で、高度な完璧さにより、はかりはさまざまな機能を実行できるようになります。1 つの目標 - 昆虫の命を守ること .

米。 1.電子顕微鏡で観察した蝶の羽の表面。画像: 化学と生命。

そのため、蝶の羽は小さな無色の鱗片（みんなが花粉と呼んでいるものですが、花粉は花から出るものです。蝶は花粉を持っていますが、花粉がなくても飛べますが、鱗片がなければ飛べません）で覆われています。

スケールの 2 層カバー:

滑空飛行中の翼の揚力を増加させます。

蝶を低体温症から守ります。

羽ばたき飛行中の騒音と振動を軽減します。

コウモリの反響定位信号を吸収します。

さらに、鱗は翼を損傷から保護し（翼が植物の葉や樹脂の滴に衝突したときに鱗が剥がれ、衝撃力を軽減し、翼が樹皮に張り付くのを防ぎます）、静電気の排出。

スケールは、空気の流れに対する空力グリップを向上させるのに役立ちます。

この仕事において私たちにとって特に重要なことは、何 蝶の羽では薄層干渉が発生します。

結論:

1. 蝶の羽の鱗は長い進化の進化の産物であり、人間は小さくて壊れやすい蝶から学ぶことがたくさんあります。

2. 自然はただで何かを生み出すのではなく、その創造物の一つ一つに深い意味を込めています。

3 .2 物理的な 蝶の羽に多くの色の組み合わせがある理由 .

色の組み合わせが豊富な理由は、干渉（重なり合う光の波）、鱗による太陽光の個々の色の吸収または反射も同様です。

17世紀、博物学者ロバート・フックは著書の中でこう述べています。 顕微鏡写真」と色の理論を概説し、薄い層がその上下の境界からの光の反射によって着色される理由を説明しました。実際、これが干渉について初めて言及されたものでした。

個々の斑点を除いて、すべての美しさは「花粉」上の光の屈折によって実現されます - これは色素です。

図2. 画像: 化学と生命

蝶の羽は緻密な鱗の列で覆われています。モルフィドの羽の鱗 ( あ) は、干渉が発生する複数の層の「枝」を持つ木に似ています。ガ科の単一鱗 ウラニア (V) キューティクルは 5 層で構成されており、各層の厚さは 400 nm で、100 nm の空気層によって隣の層と分離されています。画像: 化学と生命

構造色の正しい説明は、1917 年にジョンウィリアムストレットレイリー卿によって初めて与えられました。彼は規則的な層状構造の反射光の特性を表す公式を導き出し、二重結晶、古いひびの入ったガラス、虫や蝶の覆いの色は顔料によるものではなく、これらの材料の構造によるものであると主張しました。

蝶の羽では薄層干渉が発生します。光学スケールの下部は着色されています。顔料は光を透過しないため、干渉色に大きな明るさが与えられます。翼の透明な鱗を通過する光線は、翼の外面と内面の両方で反射されます。

米。 3.薄層での干渉。画像: 化学と生命

その結果、2 つの反射が重なり合い、お互いを強化しているように見えます (ただし、2 つの反射が互いに打ち消し合う、逆の効果も可能です)。

米。 4. 2種類の干渉。画像: 化学と生命

実際、プレートの外面と内面からの両方の反射流は、 加算または減算.

分散現象は、レーザーディスクの表面を電子顕微鏡で撮影した写真ではっきりと見ることができます。

www.netlore.ru

最初の写真は、円盤の表面全体がパスで覆われていることを明確に示しており、大幅にズームすると、地形上の渓谷に似ています。カラーで撮影された 2 番目の写真では、線路の間に、切り取られた三角柱に似た領域があることがはっきりとわかります。物理学の授業から、光線が三角プリズムに入射すると、光がその単色成分（赤、オレンジ、黄、緑、青、青、紫）。写真では、指定されたスペクトルの色が確認できます。

次の実験を実施しました。 レーザーディスクの表面は、最初にガス放電ランプの光線で照射され、次に通常の白熱ランプで照射されました。

スペクトルを取得し、写真を撮りました。

この場合、明らかな違いが観察できます。つまり、上の画像ではスペクトルは離散構造をしており、異なる色で塗装された透明なリング、あるリングを別のリングから分離する境界が見えます。 2 番目の画像では、スペクトルは連続した構造を持っており、リング自体のような境界ははっきりと見えません。このことから、ガス放電ランプよりも経済的ではあるものの、太陽光に近い光線を発する白熱ランプの方が人間の目には快適であると結論付けることができます。

結論:

実験を準備する過程で、私たちはディスクの表面を覆う狭い間隔のトラックが分散と干渉の現象を引き起こすと確信しました。膨大な範囲の色を生み出すのはこれらの現象です.

インターネットで検索すると、水星の写真が見つかりました。彼女は黒と白ではあまり目立たず、あばたのように無数の大きくて取るに足らないクレーターで覆われていましたが、日光の下では彼女がどれほど美しかったかが判明しました。ここでも、自然は、無数の色合いを生み出す手段として、分散や干渉などの物理現象を全力で示しています。いかなるコンピュータ技術も自然の力に匹敵するものはありません。 繰り返しますが、分散と干渉の原因は、惑星の表面を覆う無数の穴、クレーターです。.

www . ソルシス . る . メルク 1. jpg

蝶の羽が一定の厚さになると、その生体物質に応じて、白色光で羽を照らすと、1 つの色だけが見えます。昆虫の羽や殻が、深い黒、白、虹色の模様など、あらゆる色を示す場合もあります。

海や海洋の住民の鳥の羽、昆虫の覆い、鱗、皮膚の体系的な研究は今日まで続けられています。動物の世界には3種類の色があることが判明しました。 モープロ）、色素のみがあり（レモングラスの蝶のように）、色素沈着と組み合わせて構造的です。翼の青色は鱗による構造色によって生成されることが多いですが、これに黄色の色素を加えるとさらに緑色が現れます。

干渉が 1 つのフィルム内で発生するのではなく、透明なフィルムの多層パッケージ内で発生する場合、強め合う干渉が増加し、色がより強くなります。このような多層の透明な構造は、鳥の羽、昆虫の外皮組織、海や海の住民の鱗に見られます。これらの生物の色は、虹色や虹色などさまざまな色があります。鳥類の光学系はメラニン色素、タンパク質ケラチン、空気の組み合わせによって形成されており、蝶類の出発物質は窒素含有多糖類のキチンと色素である。

最も単純な例虹色は、水またはカラフルなシャボン玉の上にある油、灯油、その他の有機化合物の薄い膜です。虹色および玉虫色は、観察者の見る角度によって色や色合いが変化するという点で構造色とは異なります。しかし、それらの物理的な性質は同じです。

http :// フォトキ . ヤンデックス .. る / ユーザー / キフ 17190176/ ビュー /42996

写真は、蝶の羽の色が太陽光線の入射角に依存することを明確に示しています。

3.3 人間が蝶から借りた実用的な応用。

上記の特性はすべて、染料を使用せずにさまざまな色を作成できる繊維産業で応用されています。

最近まで、化学者は、すべての材料（織物、建築物）の色は、その材料に含まれる染料と顔料の存在のみに依存し、スペクトルの可視部分の光線の一部を吸収し、（材料が適切な場合には）透過できると信じていました。透明）または残りの波長を反射（不透明の場合）します。マテリアルが反射するスペクトルの部分は、私たちの目には色として認識されます。

航空業界では、蝶の飛行を観察することで航空機の飛行をより安定させることができます。

建設業界では、多層断熱材を開発する際に蝶の羽モデルを使用できます。

自然界は何百万年もの間、特別な色の物質を使わずに、非常に小さなサイズ（ナノサイズ）の規則正しい構造によってのみ色を作り出すことができたことが判明しました。

着色メカニズムは「化学的」メカニズムとは異なり、光学的原理のみに基づいています。格子、ひも、溝のように見えるナノ要素から光が反射すると、これらの要素のサイズが光の波長に比例するため、波の干渉、回折、散乱が発生し、その結果として色が見えます。この光学的起源の着色は「構造的」と呼ばれました。構造着色は、約 5 億年前から自然界に存在しています。

蝶は羽の外面に何千もの小さな薄層の鏡の鱗を「並べ」、そのような小さな鏡はそれぞれ特定の波長の光を反射します。その結果、驚異的な明るさの驚くべき反射効果が得られます。このような明るい色の存在の1つのバージョンは女性を魅了しています。

蝶から花粉を振り落とすと、昆虫は怪我をします。

花粉（科学用語では鱗、蝶は鱗翅目）無色そして、蝶のすべての美しさは、個々の斑点を除いて、「花粉」上の光の屈折によって実現されます。顔料。蝶の色は蝶を守るためであり、ある種の花に化けることもあれば、羽に突然大きな目が現れることもあります。ここが捕食者が怖がる場所です。昆虫の擬態能力はよく知られており、盛んに研究され、実用化が進められている。

虹色の最も単純な例は、水またはカラフルなシャボン玉の上にある油、灯油、その他の有機化合物の薄膜です。虹色と虹色の色は、観察者の見る角度に応じて色や色合いが変化するという点で構造的な色とは異なります。しかし、それらの物理的な性質は同じです。

研究グループカリフォルニア大学 (サンディエゴ) は 2009 年に、磁場の影響下で色が変化する新しいポリマー材料を受け取りました。この技術の用途としては、ディスプレイ、再利用可能な消せる紙、証券保護、環境に優しい顔料、塗料、化粧品、印刷インクなどが考えられます。

繊維生産における偶然のバイオミメティクスの例を見つけることができます。したがって、合成繊維の表面構造には一定の周期性があり、興味深い色や触感の効果が得られます。この生地は日本製です。「」と呼ばれています。 新御宣(これは文字通り「新しい合成繊維」を意味し、日本の中世の有名な詩集の名前と一致します)。ナノ構造の表面形状を備えた新しい繊維が登場しました。特殊な紡糸技術とプレス条件により繊維密度が高まるだけでなく、繊維表面に周期構造が形成されます。光の干渉と散乱により、このような繊維は蝶の羽のように明るく虹色に色づきます。また、このような表面構造により合成繊維の濡れ性が向上します。

繊維メーカーは、表面が直径数百ナノメートルのくぼみで覆われた「マイクロクレーター」繊維も提供しています。入射光をよく散乱させ、色を濃くします。この原理は自然界の多くの黒い昆虫によって利用されています。

これまでのところ、自然は人間よりも多くの課題にうまく対処します。しかし、人々はますます複雑なことを行うことを徐々に学び始めているので、おそらく明日には、熱帯の蝶の羽や海の真珠のような色の布地の生産が普通の技術になるでしょう。

4. 提案された方法と実装ツール。

メディアでは環境の脅威的な状況について絶えず報道されています。ウドムルトの領土には、工業および産業の巨大な塊が集積しています。家庭廃棄物（約1億トン）。

産業廃棄物には、有機物および無機物由来の廃棄物が含まれます。有機性廃棄物肥料に加工して畑に持ち込んで燃やすか、自然に分解して処分することができます。

もう1つは無機廃棄物であり、実際には分解せず、常に蓄積します。例えば、 ガラス 。各社が製品の見栄えを追求するあまり、多種多様な形状の瓶やガラス容器が生産され、人々の行き場を失い、廃棄されてしまうのです。

ガラス容器の保証金は商品本体価格に含まれており、商品の製造者と販売者で折半いたします。人々は最終的に、ゴミの形で路上や公共の場所に空のボトルやガラス容器の山を放置することになります。

もちろん、それほど遠くない時代にそうであったように、メーカーにゲスト用のガラス容器の製造を強制し、それをほぼ完全に組み立てて、ガラス容器が確実に国民に受け入れられるようにすることは可能ですが、現時点では明らかに不可能です。

この問題は、商業用建築製品の製造にガラス廃棄物を使用することで、少なくとも部分的には解決できます。

このようなタイプの製品の 1 つは、 ガラスコンクリート。

現在、建設業界は、安価で高品質、省エネの建築資材を非常に必要としています。

規定された要件を満たす多数の建築資材がなければ、個別の建築物を大規模に展開することは不可能です。

ガラスは、非常に高い環境性能を備えた無機化合物です。ガラス容器は常に高級容器として分類されてきました。

西洋の建設会社の戦争については知られています。このとき、アラバスターを使用した建築材料を生産する会社と、ポリマーや新しい化学組成および技術をベースにした建築材料を生産する会社が対立し、材料中のアスベストの存在がアスベストの増加に関係していました。アラバスターは最古の建築材料であることが知られていますが、がんの可能性もあります。

コンクリートの製造には次のコンポーネントが使用されます。

砂;

セメント;

骨材（砕石、砂利、スラグ）。

添加物;

水。

私たちの都市には鉄冶金企業はなく、火力発電所やボイラーハウスは天然ガスに転換されています。

スラグは固体燃料の燃焼中に形成されます。主に石炭しかし、私たちの都市のボイラーハウスはそのようなタイプの燃料を使用できないため、以前はどこにでもあった建築材料としてのスラグが希少な材料になりました。

また、近くに採石場や鉱山工場がないため、砕石や砂利を鉄道で配送すると、コンクリートの製造に必要なこれらの部品のコストが大幅に増加しますが、これらの部品はすでに非常に高価です。

同時に、コンクリート製造の骨材として使用できる材料は、文字通り私たちの足元にあります。

そのような材料はガラスであり、ゴミから取り除くことができるだけでなく、あらゆるガラス製品（ボトル、瓶、割れたガラス、泡）を確実に受け取ることができます。

最近、夏の居住者や庭師は、敷地内にポリマー材料で作られた温室を建設することに興味を持つようになり、ガラス張りの古い温室は解体されつつあります。廃棄物収集エリアにはガラスの山が蓄積されますが、これはコンクリートの製造にも使用できます。庭の区画の賢明な所有者は、カントリーハウスの基礎を注ぐときに割れたガラスを使用することをすでに行っています。

ガラスを粉砕して溶液に加え、基礎の下に型枠を建ててそれを埋めることができるのに、なぜ高価な砂利、特に砕石を購入する必要があります。

都市建設においても、鉄筋コンクリートスラブの製造において同じことが可能です。ガラスの熱伝導率は非常に低いため、スラブは「暖かく」なり、山ほどのガラス廃棄物が必要になることを意味します建材。また、鉄筋コンクリートパネルの硬化時に破砕ガラスを表面被覆することもできます。そのようなパネルで建てられた家は、街路灯や車のヘッドライトの影響を受けて、虹のすべての色で輝き、夕方には街によりエレガントでお祭り的な外観を与えます。

5. プロジェクトの計画とタイミング。

2010年5月、グラゾフ市行政副長官、局長のリーダーシップの下、市のコンテスト「グラゾフ市の中小企業の活動に使用するための最も革新的なアイデア、技術」のコンテスト中に市経済開発学博士の T.G. ガフィアトゥリン氏と市中小企業支援基金理事長の N.A. トレグボフ氏、物理学およびコンピューターサイエンスの教師イーゴリヴァシリエヴィチチホノフとクラス 8「A」の生徒セルゲイコレパノフ (MBOU「中等学校第 2 号」) の共同研究」、Glazov) 「グラスファイバーコンクリート」がコンテストで 2 位となり、賞金を獲得しました。

チホノフ I.V. – 500ルーブル、セルゲイ・コレパノフ – 1000ルーブル。

鉄筋コンクリート製品の製造に携わる民間起業家がこのアイデアを実行しました。

文学。

G.E.クリチェフスキー。繊維材料の化学技術。モスクワ、MSU、2001、540 p。

構造的着色、ドイツのエフゼーヴィチ・クリチェフスキー、 教授、技術科学博士、 .

13.

付録 1。基本的な重要な概念。

光の干渉 - 光の強度のその後の増加または減少と波の重ね合わせの結果。

光の分散 - これは、白色である太陽光を虹の 7 色 (赤、オレンジ、黄、緑、青、藍、紫) に分解することです。

天秤 - 蝶の羽は小さな鱗で覆われています（みんなが花粉と呼ぶもので、花粉は花の中にあります。蝶は花粉を持っていますが、花粉がなくても飛べますが、鱗がなければ飛べません）。

顔料 - 生命に関与し、皮膚、髪、鱗、花、葉に色を与える体内の着色物質。

バイオセノーシス - 土地または水域の特定の領域に生息し、それらの間の特定の関係と条件への適応性を特徴とする一連の植物、動物、および微生物環境.

進化 – 質的変化を準備する、段階的かつ連続的な量的変化のプロセス。一般的な開発。

バイオニクス – 新しい工学的問題を定式化して解決するために、生物の構造と重要な機能を研究するサイバネティクスの一分野。

振幅 – 特定の法則に従って変動する量の、平均値からの最大の偏差。

擬態 - 昆虫や動物が環境物体、植物、非食用植物、または捕食動物に似ている保護色および形状の一種。

メラニン – 黒または茶色の色素で、動植物の組織に広く分布し、皮膚（毛、羽、鱗）の色を決定します。

ケラチン – 皮膚、髪、羽毛、爪の角質層の基礎を形成するタンパク質。

バイオメカニクス – 研究機械的性質生きている組織、器官、そして体全体。

付録 2. 蝶は非常に威嚇することがあります。蝶を怒らせないでください - 収穫がなくなるでしょう .

ウドムルトにモンシロチョウが侵入

庭園や果樹園で住民はモンシロチョウの大規模な侵入を観察します – サンザシ。サンザシは文字通り大量の茂みにしがみついています。果物の木.
詳細については：
サンザシ (Aporia crataegi)、モンシロチョウ科の蝶。翼を広げると最大65 mm、白く、黒い葉脈があります。毛虫は長さ45 mmまで、灰色がかった茶色で、背中に縞模様があります。温帯および一部ユーラシア北部に分布。北米。果樹に被害を与えます。蝶は6月に飛び立ち、葉の上に30〜150個のグループで卵を産みます。

毛虫は夏の終わりに出現し、葉を白骨化します。冬は巣の木の中で。春になると、彼らはそこから這い出て、芽を食べ、葉、つぼみ、花を食べます。防除対策：冬の巣を集めて燃やす。植物に殺虫剤を散布すること。

心配する必要がないことを祈りたいのですが、実際のところ、すべてが大規模です。サンザシ蝶も例外ではありません。通常、このようなピークは約 2 ～ 3 年間続きます。そして今、私たちはサンザシの「生命の波」のピーク、ウドムルトでのこの種の昆虫の大量繁殖を観察しているところです。
専門家によると、サンザシは林業にとって危険ではありません。なぜなら、蝶は主にサンザシとバードチェリーの葉を食べ、すべての昆虫にとって十分な餌がないとき、これは大量繁殖の年の間に正確に観察されるからです。昆虫は栽培植物種、つまり低木、果樹、特にラズベリーに移ります。危険なのはイモムシであり、サンザシ蝶そのものではありません。
これらの昆虫の侵入は、果樹作物の収穫を脅かす可能性があります。これらの害虫と戦ってみることができます民俗的なやり方: タバコ、よもぎ、またはニンニクの溶液を植物にスプレーします。

結論。

自然技術は最先端です。繰り返すのは難しいですが、20 世紀の 60 年代以降、生物学者、動物学者、物理学者、化学者、数学者による共同研究により、理論的かつ実践的なバイオミメティクスの成果が生まれ始めました。色の分野でも、構造色を模倣する最初の試みが始まりました。もちろん、そのようなテクノロジーには利点もあります。まず、染料の合成はかなりエネルギーを消費し、環境負荷の低い生産です。第二に、時間の経過とともにほとんど色あせてしまう従来の塗料とは異なり、構造用塗料は光に耐性があります。しかし今のところ、構造着色は多くの未解決の問題を抱えた新しい複雑なナノテクノロジーです。

おそらく多くの物理的および技術的問題の解決策は知識によって助けられるでしょう国の伝統、そして、遠い世代の信念と伝統の中で再現されたロマン主義と精神性は、コレクターや古代の優れた愛好家によって高く評価されている古代の緑青を解決策に与えます。

古代の神話や聖書のイメージにインスピレーションを得た最も壮大な傑作が作成され、最も大胆な発見が行われたのはルネッサンス時代でした。私たちが現在、古代エジプトの時代に人々が積極的に使用していた道具や、古文書に保存されている図面に基づいて、積極的に研究し、再現・復元しようとしているのには理由がないわけではありません。古代ギリシャそしてローマ。

私たちは、当時の人々が私たちと同じように愚かではなかった、そして物質的な資源がより乏しかった時代に働き、創造しなければならなかったので、彼らの知性が私たちよりもずっと機知に富んでいたことを発見してしばしば驚かされます。驚いたことに、私たちが認めたくないこともありますが、時代の奥底から救いの手を差し伸べ、現在の問題に新たな解決策を提案してくれるのは私たちの先祖たちなのです。

形態学的に 鱗翅目 (蝶）羽のある昆虫のかなりコンパクトなグループを構成しています。体全体と4枚の翼は鱗で密に覆われており、部分的に毛が生えています。頭部には大きな多面的な目、よく発達した唇触診、そしてそれらの間に位置する長く螺旋状にねじれた吸口口吻があります。歯のある蛾 (Micropterigidae) だけが、かじるタイプの口器を持っています。触角はよく発達しており、糸状から羽毛状、または棍棒状まで、非常に多様な構造をしています。

翼は通常幅が広く、三角形ですが、狭い場合や槍状の場合もあります。ほとんどの場合、前翅は後翅よりも若干広いですが、場合によっては（たとえば、科の種では） ザリガニ科）逆の関係が観察されます：後翼は狭い前翼よりもはるかに広いです。下等鱗翅目 ( ミクロプテリ科、エリオクラニ科、ヘピアリ科）両方の翼のペアの形状とサイズはほぼ同じです。

フロントウイングとリアウイングは特殊な結合装置で互いに固定されています。最も一般的なのはフレネート型の翼カップリングです。この場合、牽引力は小帯（小帯）と網膜（ヒッチ）を使用して達成されます。小帯は後翼の基部にある 1 つまたはいくつかの強力な剛毛で表され、つま先は一列の剛毛または前翼の基部にある湾曲した伸長のいずれかです。一部のグループでは、フレーネート結合装置が消失します（たとえば、クラブ鱗翅目では、 ロパロセラそして繭蛾 - ラシオカンピダエ）、翼の接続は、リア翼の延長基部にフロント翼を重ねることで実現されます。このタイプの翼結合は、葉状結合と呼ばれます。

鱗翅目（鱗翅目）の翅脈は、横脈が大幅に減少していることと、主縦幹の分岐が少ないことが特徴で、目には2種類の翅脈が区別されます。

翼の鱗は色が異なり、かなり複雑なパターンを形成していることがよくあります。構造的着色（金属光沢のある斑点）がよく観察されます。翼の外縁と後縁に沿って、数列の鱗と毛で構成されるフリンジがあります。

胸部領域では、中胸部が最も発達しています)。テルギットの側面の前胸部には葉状の付属物 - パタギアがあります。中胸部では、前翼の基部の上に同様の形成があり、テグラエと呼ばれます。足は走っていて、すねに拍車ができていることがよくあります。一部の鱗翅目では、前脚が大幅に縮小されて毛に隠れ、蝶は4本足で移動します。

自然界のグループ Rhopalocera を構成する昼行性鱗翅目は、休んでいるときは翼を上げて背中に折り畳みます。他のほとんどの蝶では、両方の羽のペアが腹部に沿って引っ込められ、折り畳まれ、伸ばされます。一部の蛾だけ（ シャク科) と孔雀の目 ( アタチ科）翼は折りたたまず、横に広げたままにします。

腹部は9つの部分で構成されています。最後の部分は、特に雄では急激に変化しており、交尾装置を形成します。構造的特徴交尾器官は分類学で広く使用されており、近縁種であっても明確に区別することが可能です。メスでは、腹部の最後の部分（通常は第 7 節から第 9 節まで）が伸縮自在の柔らかい産卵管に変わります。ほとんどの場合、メスの蝶の生殖器系は 2 つの生殖器口で外側に開きます。そのうちの 1 つであるターミナルは産卵のみに使用され、2 つ目は 7 番目のセグメントの端または 8 番目のセグメントのいずれかに位置し、交尾の開口部です。このタイプの生殖システムは二三性と呼ばれ、ほとんどの鱗翅目に特徴的です。しかし、古風な家族では ( ミクロプテリ科、エリオクラニ科など）生殖器系は、生殖器の開口部が 1 つだけある、いわゆる単生型に従って構築されています。そして最後に家族の中で ヘピア科、2つの性器開口部が発達していますが、両方とも終端の位置を占めています。

蝶の特徴は、その多くが捕食者から身を守るための不可解な適応を発達させていることです。翼の複雑なパターンは、環境の個々の要素を模倣しています。それで、いくつかのスクープ（ ノトゥイ科）、日中は木の幹に座っており、前羽の色と模様は地衣類に似ています。後翅は前翅に覆われて見えず、複雑な模様もありません。同じことがデンドロフィラス蛾でも観察されます ( シャク科）、皮質構造の画像が前羽に再現されることがよくあります。いくつかのタテハ科動物 ( タテハチョウ科）翼を折りたたむと、翼の下側が外側になります。それらの多くが濃い茶色の色調で描かれているのはこの面であり、翼のゴツゴツした輪郭と組み合わされて、昨年の枯れ葉の完全な錯覚を作り出しています。

多くの場合、蝶には不可解な色と並行して、明るく目を引く斑点のあるパターンがあります。羽の下側に不可解な模様を持つほぼすべてのタテハチョウの羽の上面は、非常に印象的な色をしています。蝶は、その種の個体を認識するために多色の明るい色を使用します。パイドガの場合（ ジゲニ科）、有毒な血リンパを持っており、羽と腹部の明るい対照的な色は別の信号機能を果たし、捕食者にとって食べられないことを示しています。昼行性の鱗翅目の中には、刺す膜翅目など、防御力の高い昆虫と顕著な外観の類似性を示すものもあります。ガラスケースの中（ セシ科）そのような類似性は、腹部の色と、鱗がほぼ完全に減少している狭い翼の透明性によって達成されます。

蝶の主な食料源は花の蜜です。摂食時に花から花へと飛び回る蝶は、双翅目、膜翅目、甲虫とともに植物の受粉に積極的に参加します。かなり長い口吻を持っている蝶は、公然と位置する蜜源だけでなく、花の拍車や筒状花冠の底に深く隠れており、したがって他の昆虫がアクセスできない蜜を持って花を訪れることは注目に値します。。多くのカーネーションや蘭の花は、その形態上、鱗翅目によってのみ受粉することができます。一部の熱帯蘭は鱗翅目による花の受粉に特別な適応を持っています。

多くの蝶は、花蜜に加えて、傷ついた木や果物から流れる樹液を喜んで吸収します。暑い夏の日に見えるのは、大きなクラスター白人（ シロアシ科）水たまりの近く。他の鱗翅目も水に引き寄せられてここに飛来します。昼行性の蝶の多くは脊椎動物の排泄物を食べることがよくあります。いずれにせよ、失語症は鱗翅目の最も多様な科で発生します。蝶は餌を食べず、口吻が減少します。完全に変態した昆虫の中で、失語症への移行がこれほど頻繁に観察される大きなグループは鱗翅目だけである。

鱗翅目のほとんどがリード夜の様子日中は一部のグループのみが活動します。後者の中で、主要な場所はクラブビル、または昼鱗翅目 (Rhopalocera) に属し、熱帯地方に非常に豊富に存在するグループです。昼行性の生活様式も、鮮やかな色の害虫の特徴です（ ジゲニ科) とガラス製品 ( セシ科）。旧北極動物相の他の鱗翅目科の中でも、日中活動をする種が散発的に見られます。いくつかのスクープ ( ヤガ科)、蛾 ( シャク科)、蛾 ( コガネムシ科)、リーフローラー( トリス科）は24時間活動していますが、日中、これらの蝶は曇りの天候または日陰の場所で活動することが最も多いです。

鱗翅目は、明確に定義された性的二形性を持つ昆虫であり、これは触角と羽の結合装置の構造、羽のパターンの性質、腹部の思春期の程度に現れます。翅のパターンにおける最も顕著な性的二形性は、昼行性と夜行性の鱗翅目の両方で観察されます。印象的な例性差は羽の色によって引き起こされる可能性があるマイマイガ (オカネリア・ディスパー L.）。この種のメスは大きく、軽くてほぼ白い翼を持っています。彼らは、翼に複雑な茶色の模様を持つ小さくて細いオスとは大きく異なります。マイマイガの触角は弱く梳かれていますが、雄の触角は強く梳かれています。羽の色の性的二型はスペクトルの紫外線部分で表現され、人間の目には見えません。つまり、まったく同じ白いサンザシ蝶 ( アポリア・クラテギ L.) は実際には二形性であり、男性は紫外線パターンが女性とは異なります。

性的二形性の極端な発現は、ミノムシ ( オウム科)、数匹の蛾( シャク科)、特定の種類の蛾虫( ライマントリ科) およびリーフローラー ( トリス科）、女性は男性とは異なり、羽を持っていないか、その原始体を持っていません。多くの鱗翅目のメスは臭気物質（フェロモン）を分泌し、その臭いは嗅覚受容体を持つオスによって感知されます。受容体の感度は非常に高く、オスは数十メートル、時には数百メートル離れた場所からでもメスの匂いを感知します。

クリチェフスキー G.E.

（『HiZh』2010年第11号）

最近まで、化学者は、繊維を含むすべての材料の色は、スペクトルの可視部分の光線の一部を吸収し、透過できる染料と顔料の存在によってのみ決まると信じていました（材料が適切な場合）。透明）または他の波長を反射（不透明の場合）します。マテリアルが反射するスペクトルの部分は、私たちの目には色として認識されます。これは、染料の合成と使用の専門家が教えられたことであり、教科書にも書かれていることであり、これがまさに化学発色または吸収発色のメカニズムです。

約20年前、自然は何百万年もの間、特別な色の物質を使わずに色を作り出すことができたことが判明しました。それは、非常に小さなサイズ（ナノサイズ）の秩序構造のみによるものでした。この発色メカニズムは、「化学的」メカニズムとは異なり、光学原理のみに基づいています。格子、レース、溝などの多層構造のナノ要素から光が反射すると、これらの要素のサイズが光の波長に比例するため、波の干渉、回折、散乱が発生し、その結果として色が見えます。この光学的起源の着色は「構造的」と呼ばれました。通常のものに加えて、昆虫、鳥、魚など、自然界で非常に頻繁に見られることが判明しました。海の軟体動物そして植物。

構造着色は、約 5 億年前から自然界に存在しています。「構造色」の概念の最初のヒントは、17 世紀に博物学者ロバートフックの著書『 顕微鏡写真」科学者は色の理論を概説し、薄い層の色をその上部と下部の境界からの光の反射によって説明しました。実際、これが干渉について初めて言及されたものでした。構造色の正しい説明は、1917 年にジョンウィリアムストレットレイリー卿によって初めて与えられました。彼は規則的な層状構造の反射光の特性を表す公式を導き出し、二重結晶、古いひびの入ったガラス、虫や蝶の覆いの色は顔料によるものではなく、これらの材料の構造によるものであると主張しました。レイリー氏はまた、これらの光学系は入射光の波長に応じたサイズによって特徴づけられると述べた。

構造色の研究への次の推進力は、20 世紀の 30 ～ 40 年代に登場した電子顕微鏡検査から来ました。その助けを借りて、薄いケラチンの層と空気の層が交互に重なった羽毛の構造を研究し、それが虹色の原因となっている構造であることを証明することができました。電子顕微鏡検査では、この科の蝶の羽の色がさまざまであることも示されました。 モルフォなどは鱗の構造に起因して発生します（図1）。細胞のサイズと形状により、反射光の波長とその強度が決まります（蝶の場合）。 モルフォ青青色が見えます）。原則として蝶です モルフォ構造着色の際に言及されます。蛾と同様に鱗粉の微細構造 ウラニア、最もよく研究されています（図2）。

海や海洋の住民の鳥の羽、昆虫の覆い、鱗、皮膚の体系的な研究は今日まで続けられています。動物の世界には3種類の色があることが判明しました。 モルフォ）、色素のみがあり（レモングラスの蝶のように）、色素沈着と組み合わせて構造的です。翼の青色は鱗による構造色によって生成されることが多いですが、これに黄色の色素を加えるとさらに緑色が現れます。

なぜ色素のない場所でも色が見えるのでしょうか? 光が薄い透明なフィルムと相互作用すると、その一部はその外面で反射され、残りの光はフィルムを通過してその下の境界まで到達し、再び反射され、フィルムを通過してその上部の境界まで通過し、すでに反射された光と結合します。表面からの光（図3）。

光はフィルムの厚さに等しい経路を進むため、フィルムの上端から反射される波は、下端から反射される光と同位相である場合とそうでない場合があります。実際、プレートの外面と内面からの両方の反射束が加算または減算されます。上面と下面からの反射光の位相が一致しない場合、色は見えません。これを弱め合う干渉といいます。位相が一致すると、色が見えます。これは強め合う干渉です (図 4)。当然のことながら、2 種類の反射光の位相の違いは、フィルムの厚さ、屈折率、照明の角度、入射光の波長に依存します。特定の膜厚、特定の屈折率、多色照明 (白色光) が与えられると、私たちは 1 つの色しか見ることができません。他の場合には、翼や甲羅に (図 5)、深い黒と白、虹色、乳白色を含む色のスペクトル全体が見られます。

米。 4. 2種類の干渉。

さまざまな条件が光の屈折や構造色の変化にどのような影響を与えるかを観察するのは非常に簡単です。たとえば、空気とは異なる屈折率を持つ溶媒を蝶の羽（構造色を持つ）に滴下すると、干渉の法則に従って色が変化します。したがって、アセトン（屈折率1.38、空気-1.0）を一滴垂らすと、翼の色が青から緑に変わります。アセトンが蒸発すると色が戻ります。アセトンをキューティクル（スケール表面の緻密な層）に近い屈折率 1.56 の溶媒に置き換えると、スケールのすべての層が均質な光学系を形成し、干渉が消えます。構造着色 - 茶色のメラニンだけが目に見えます。

光学特性の非常に重要な特性は、周期構造がどのように組織されるか (1D、2D、3D)、つまり入射光束が何方向に変化できるかです。 1 方向または 2 方向の場合は回折格子であり、3 次元の場合は体積構造またはフォトニック結晶です。周期性が 3 次元 (3D) であれば、見る角度に関係なく色が見えます。フォトニック結晶の典型的な例はオパールです。これは光学フィルターとして機能し、これらの特性が私たちが目にするオパールの明るくカラフルな色の原因となっています。自然界では、同様の 3D 構造が甲虫のキチン質の皮やアフリカアゲハチョウの羽で発見されています。

蝶の色の構造変化もあり、「リバースオパール」と呼ばれます。これは、蝶の羽には、ぎっしりと詰まった球体ではなく、空気が満たされた穴のある特別な格子 (甘皮の網目) があることを意味します。もちろん、そのような構造は、新しいタイプの人工フォトニック結晶の作成を含めて、非常に興味深いものです。人工フォトニック結晶は、光学、レーザー技術、導波路やエレクトロニクスの製造に広く使用されています。

例えば、コロイド溶液から構造色を有するフィルムを製造する技術はすでに記載されている。当初、得られたフィルムは白色でした。結晶フィルムの構造の欠陥により、光は非常に強く散乱されました。しかしその後、散乱光を吸収する粒子を追加すると、構造的に青い膜が現れました。ちなみに蝶の羽は モルフォ蓮に勝るとも劣らない超疎水性を有しており、このフィルムも疎水化されています。新しい材料を使用することで、塗装面を自動洗浄することが期待されています。

2009年、カリフォルニア大学（サンディエゴ）の研究グループは、磁場の影響下で色が変化する新しいポリマー材料を入手した。磁場中では、ポリマーに添加された微小球（酸化鉄ナノ粒子）が特定の方向に配向し、色を生成するフォトニック結晶を形成します。この技術の用途としては、ディスプレイ、再利用可能な消去可能な紙、証券保護、環境に優しい顔料、塗料、化粧品、印刷インクなどが挙げられます。

繊維生産における偶然のバイオミメティクスの例を見つけることができます。したがって、合成繊維の表面構造には一定の周期性があり、興味深い色や触感の効果が得られます。この生地は日本製です。「」と呼ばれています。 新御宣(これは文字通り「新しい合成繊維」を意味し、日本の中世の有名な詩集の名前と一致します)。ナノ構造の表面形状を備えた新しい繊維が登場しました。特別な紡糸技術、溶融物またはポリマー溶液をダイを通してプレスする条件および堆積により、繊維の密度が増加するだけでなく、繊維の表面に周期的な構造が形成されます。光の干渉と散乱により、このような繊維は蝶の羽のように明るく虹色に色づきます。また、このような表面構造により、疎水性合成繊維の濡れ性が向上します。

両大学（いずれも英国）は、光学的特性と形状、および個々のナノサイズ要素の配置において、インドネシアの蝶アゲハの羽に相当する人工構造物を作成した。

P. blumei の翼の鱗は、その明るい色を決定し、微細なくぼみのネットワークで覆われています。」普通の人に研究著者の一人、マティアス・コレ氏によると、この熱帯の蝶の鱗は明るい緑色に見えるが、特定の光学機器を使って観察すると青く見えるという。これはまさに、このタイプの色の出現に対する進化上の必然性を説明できるものです。蝶はその明るい青色の親戚に簡単に気づきますが、捕食者は熱帯の緑の背景にある緑色の斑点だけを見ます。」

実験では、著者らは材料の薄層を作成するためにいくつかの技術 (原子層堆積法、スパッタリング堆積法など) を使用しました。その結果、特徴的なくぼみを持つ鱗の表面の類似物が形成されました。この構造は、アルミニウムと酸化チタンの交互層で上部がコーティングされました。

科学者によれば、得られた「スケール」の独特な光学的特性により、有価証券の保護に使用できるとのことです。「もちろん、このような構造の製造プロセスを最適化する必要はまだありますが、将来的には、それらが紙幣やパスポートに代わることを期待しています」とコレット氏は述べています。

P. blumei の鱗。スケールバー: 200 (上) および 20 μm。

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