Woher bekommen die Schmetterlinge ihre malerischen Farben?
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Die Farbenvielfalt in der Welt der Tiere beruht nur zum Teil auf farblichen Pigmenten. Neben den pigmentbasierten Farben gibt es die strukturbasierten, die sogenannten Strukturfarben. Schmetterlinge sind die Insekten mit den auffälligsten Farben,die als Meisterwerke der Natur gelten.Während die von Blume zu Blume fliegen um Nektar zu sammeln, leuchten die bunten Farben ihrer Fluegel schon in weiter Entfernung. Piloten von Flugzeugen, die über den Regenwald flogen, konnten das leuchtende Blau des in Südamerika beheimatenden Morph Schmetterlings schon aus einen Kilometer entfernt sehen. Die reichhaltigen Farben eines Schmetterlings dienen als Tarnung gegen Feinde,Warnung fuer potentielle Feinde und sind wichtig fuer die Partnersuche.
Aber was lässt die hellen Farben der Schmetterlingsfluegle so leuchten? Wie können sie so intensive Töne haben?
Die Quellen der Farbe
Die Farben der Schmetterlingsfluegel bestehen aus zwei verschiedenen Farbquellen,aus gewöhnlichen (pigmentierten) Farben und aus strukturbasierten Farben welche Produkte von Interferenzen also der Brechung des Lichts sind.
Die gewöhnlichen Farben des Chitins der Schmetterlinge bestehen aus normalen chemischen Pigmenten, die bestimmte Wellenlängen des Lichts absorbieren und andere Wellenlaengen reflektieren. Zum Beispiel alle grüne Pflanzen werden durch das Chlorophyllpigment gefaerbt,das Chlorophyll absorbiert die blauen und roten Farben des Spektrums, aber nicht das Grün, so das man es sieht, wenn es vom Auge erfasst wird. Die meisten Schmetterlinge erhalten ihre verschiedenfarbigen Schattierungen aus braunem und gelbem Melanin, das gleiche Pigment, das auch fuer den Braeunungsprozess der menschlichen Haut und fuer Sommersprossen verantwortlich ist.
Und es sind die strukturellen Farben der Schmetterlinge,die alles so interessant machen. Die strukturellen Farben sind Produkte der Interferenz des Lichts und stehen in enger Beziehung mit der spezifischen Struktur der Flügel der Schmetterlinge.Das erklärt, warum einige der Farben eines Schmetterlings sich zu verändern scheinen und so intensiv erscheinen.
Die Erscheinung der sich scheinbar ändernden Farben, wenn der Beobachter sich bewegt, wird als Irisieren bezeichnet und tritt ofter in der Natur auf, als allgemein bekannt. Muscheln aus Perlmutt, Fische und Pfauen sind nur einige Beispiele für Tiere mit diesen Eigenschaften ,aber bei den Schmetterlingen ist es ausgeprägter.
Der Effekt der Interferenz tritt auf, wenn Licht durch eine transparente, mehrschichtige Oberfläche tritt und mehr als einmal reflektiert wird. Durch Mehrfachreflexionen vermischen und intensivieren sich die Farben.
Licht ist Strahlung, die sich in Form von Wellen ausbreitet – ähnlich wie die der Wellen die entstehen wenn man einen Stein ins Wasser wirft. Weisses Licht enthält verschiedene Wellen, die sich in ihrer Wellenlänge unterscheiden. Fällt weisses Licht auf ein Prisma, wird es in verschiedenfarbiges Licht aufgespalten, da die Wellen je nach Wellenlänge unterschiedlich stark abgelenkt (gebrochen) werden. So erkennt man, dass weisses Licht eigentlich aus vielen Farben besteht, die zusammen weiss wirken. Farbe, oder genauer farbiges Licht, nehmen wir wahr, wenn ein Teil des weissen Lichts fehlt.
Das Schillern als Naturefekt
Wenn man vom Leuchten oder schillern von Farben spricht,sollte man sich daran erinnern das das Licht eine Welle ist, Die Strukturfarben entstehen nicht aufgrund von lichtabsorbierenden Pigmenten, sondern aufgrund von zellulären Strukturen, die das Licht streuen (nicht-schillernde Strukturfarben) oder reflektieren (schillernde Strukturfarben, Schillerfarben). Schillerfarben entstehen genauer gesagt durch die Überlagerung der reflektierten Lichtwellen. Dieses Phänomen nennt man Interferenz.Wenn die Phase der beiden Wellen, die durch ein Vielfaches einer vollen Wellenlänge unterschiedlich ist, wird gesagt, dass die beiden Wellen konstruktive Interferenz haben. Wenn sich die zwei Wellen um eine halbe Wellenlänge oder um eine ungerade Anzahl von ihnen unterscheiden, haben sie destruktive Interferenz.
Wie genau funktioniert Interferenz?
Wie bereits erwähnt, besteht weisses Licht aus Licht verschiedener Wellenlängen. Solange dieses weisse Licht nicht aufgespalten wird, können wir die einzelnen Farben nicht wahrnehmen. Sobald aber eine Farbe bzw. Licht einer Wellenlänge fehlt (z.B. Blau), sehen wir das ursprünglich weisse Licht farbig und zwar in der Komplementärfarbe des fehlenden Lichtanteils (hier z.B. Gelb).
Fällt weisses Licht auf eine vielschichtige, transparente Oberfläche, wird das gesamte Licht aller Wellenlängen reflektiert. Obwohl nach wie vor Licht aller Wellenlängen vorhanden ist, wirkt die Oberfläche auf uns farbig und nicht weiss. Wieso ist das so? Hier kommt das Phänomen der Inferenz ins Spiel. Dadurch, dass die Oberfläche mehrere transparente Schichten hat, wird das Licht verschiedener Wellenlängen auf unterschiedliche Art reflektiert. Je nach Wellenlänge durchdringt das Licht die transparenten Schichten und wird erst dann reflektiert oder es wird bereits an der Oberfläche der Schicht reflektiert.
Die Lichtwellen verschiedener Wellenlängen werden also nicht alle zeitgleich an derselben Oberfläche reflektiert. Somit wird eine Überlagerung der Wellen möglich. Falls sich zwei Wellen überlagern, sich aber nicht in derselben Phase bewegen, können sie sich auslöschen. Dieser Vorgang wird destruktive (vernichtende) Interferenz genannt. Interferenz kann aber auch konstruktiv (aufbauend) wirken. Wenn zwei Wellen in Phase schwingen und sich exakt überlagern, werden diese addiert und es entsteht eine noch grössere reflektierte Welle. Durch die verstärkte Reflexion wird eine intensivere Farbwahrnehmung möglich, die mit normalen Pigmentfarben nicht erreicht werden kann.
Eine konstruktive Interferenz ist das was in der Irideszenz passiert.
Durch Interferenzen ergänzen sich die beiden Lichtwellen und verstärken die Reflexion. Die Effekte des Irisierens erzeugen viel intensivere Farben als übliche Pigmente. Die destruktive Interferenz bewirkt, dass sich die beiden Wellen gegenseitig aufheben und die Reflexion schwächen oder vollständig zerstören. Grundsätzlich, wenn die Spitzen und Flügel von mehr als einer Lichtwelle erfasst werden und uebereinstimmen, werden ihre Kräfte verstärkt und die Reflektion (Interferenz) ebenfalls. Wenn sie nicht übereinstimmen,gibt es keine oder nur eine schwaechere Reflektion.
Nicht alle Weißfärbungen entstehen aus einem Pigment; einige Faerbungen sind wirklich nur Luftblasen, die das Licht aufgrund ihrer Transparenz streuen. Die Streuung des Lichts lässt das Objekt wie Schnee also weiß erscheinen. Das graue Haar alterer Menschen ist ähnlich. Die einzelnen Strähnen sind nicht weiß pigmentiert, sondern nur mit kleinen Luftbläschen gefüllt, die die gewöhnliche Farbe ersetzen.
Das Schillern der Schmetterlingsflügeln
Das gleiche Prinzip der farbig schillernden Seifenblasen wird bei den Schmetterlingsflügeln angewendet. Die beweglichen Flügel jedoch verstärken die Wirkung des Schillern der Farben, weil sie viel mehr Schichten für Licht haben, das durch sie hindurchdringt und somit viel mehr Möglichkeiten für das reflektieren von Lichtwellen haben und der erkennbare Effekt sich somit vergroessert.
Egal wie klein, Schmetterlingsflügel sind mit Tausenden von mikroskopisch kleinen Flocken bedeckt, unterteilt in zwei oder drei Schichten – daher der griechische Namen Lepidoptera, was soviel wie geschichtete Fluegel bedeutet. Jede Schicht hat wiederum mehrere durch Luft getrennte Schichten. Statt nur eine konstruktive Interferenz der oberen und unteren Schichten zu haben, gibt es viele Schichten mit gleichem Abstand der Fluegel mit mehreren Instanzen mit konstruktiven Interferenzen.
Wenn das Licht die Schichten der Schmetterlingsflügel trifft, wird es viele Male reflektiert und die Kombination all dieser Brechungen verursachen sehr intensive und viele Farben fuer den Betachter. Einige Schmetterlings erzeugen Brechungen bis hin zum ultravioletten Spektrum,welches für Schmetterlinge, aber nicht für den Menschen sichtbar ist. Diese Fähigkeit, ultraviolettes Licht zu erkennen,geleitet die Monarchenfalter bei ihrer jährlichen Wanderung von Nordamerika nach Mexiko.
Ob diese malerische Farbenpracht der Schmetterlinge nun als Tarnung oder fuer die Kommunikation zwischen den Tieren dient, all diese hellen und komplexen Flügel mit ihren intensive Farben verdanken ihre Schönheit der irisierenden und strukturellen Farbe die durch Brechung des Lichts entsteht.
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