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Obwohl viele Chamäleonarten die Farbe ihrer Haut schnell ändern können, dient dies in der Regel nicht, wie allgemein angenommen, der Tarnung. Die meisten Chamäleons nutzen ihre Färbung vor allem zur Kommunikation und zum Ausdruck von Gefühlsregungen. Ausserdem hängt der Farbwechsel auch von äusseren Faktoren wie Sonneneinstrahlung, Temperatur und Luftfeuchtigkeit ab. So zeigen etwa weibliche Chamäleons ihre Trächtigkeit mit einer bestimmten Farbe an und ein Chamäleon-Männchen kann zur Werbung um ein Weibchen seine schönsten und auffälligsten Farben annehmen. Die Farbe wird auch praktisch genutzt: Chamäleons verfärben sich dunkel, um zu kühleren Tageszeiten mehr Sonne und Wärme aufnehmen zu können.
Die umfangreiche Farbpalette wird durch zwei Mechanismen erzeugt: Veränderungen der Pigmente in bestimmten Hautzellen lassen die Reptile in verschiedenen Farben leuchten. Der Farbwechsel wird aber bei einigen Arten auch mithilfe besonderer Nanostrukturen erreicht, welche das sichtbare Licht reflektieren. Dieses Phänomen, das Strukturfärbung genannt wird, kann man auch auf der Rückseite einer CD beobachten.
2015 haben Michel Milinkovitch und Dirk van der Marel von der Universität Genf herausgefunden, dass zumindest einige Chamäleons sich mit Hilfe besonderer Nanostrukturen verfärben. Gemäss ihren Arbeiten besitzt das Pantherchamäleon zwei übereinanderliegende Schichten von Hautzellen (Iridophoren) mit einem Netz von Nanokristallen. Bei einem ruhigen Chamäleon sind die Nanokristalle in einem engen Netz angeordnet und reflektieren blaues Licht. Bei Aufregung lockert sich das Kristallgitter, was zu gelben oder roten Farbtönen führt. Diese Strukturen schützen die Tiere vermutlich auch gegen Hitze. Die untere Hautschicht dürfte der Kühlung dienen, denn diese reflektiert vor allem elektromagnetische Wellen im Infrarotbereich. Da die Wärmestrahlung des Sonnenlichts im Infrarotbereich am grössten ist, vermuten die Forscher, dass die innere Hautschicht die bunten Tiere vor Überhitzung schützt.