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Strukturfarben - Die schillernde Farbenwelt des Tier- und Pflanzenreichs
Die Farbintensität im Tierreich beruht nur zum Teil auf Pigmenten. Neben den pigmentbasierten Farben gibt es die strukturbasierten, die sogenannten Strukturfarben. Spezielle Strukturen im Gefieder des Kolibris oder in der Schalenoberfläche der Meeresschnecke Haliotis, lassen die Tiere in schillernden Farben erscheinen. Aber auch Pflanzen machen sich den Effekt zunutze.
Farbe ist Licht
Licht ist Strahlung, die sich in Form von Wellen ausbreitet – ähnlich wie die Wellen, wenn du einen Stein ins Wasser wirfst. 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.
Licht – Welle oder Teilchen?
Dass Licht sich als Welle ausbreitet, ist anhand von Experimenten gezeigt worden. Interferenz und Beugung zum Beispiel sind Phänomene, die den Wellencharakter des Lichts bestätigen. Daneben gibt es aber auch Experimente, die darauf hinweisen, dass Licht aus Teilchen besteht. Beide Modelle sind in der Forschung anerkannt und je nach Situation anwendbar. Man spricht vom Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts, das heisst, dass Licht beides ist – Welle und Teilchen.
Interferenz ermöglicht Schillerfarbe
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.
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.
Schillerfarben findet man in einer Vielzahl von Tier- und Pflanzenarten. Hier folgt eine kleine Auswahl.
Die schillernde Meeresschnecke
Das Perlmutt ist die innerste Schalenschicht der Meeresschnecke der Gattung Haliotis. Das Perlmutt besteht zu mehr als 90% aus einer kalkähnlichen Substanz, dem Kalziumcarbonat, welches sich in mehreren transparenten Schichten mit organischem Material abwechselt. Diese Wechsellagerung hat zur Folge, dass das Licht je nach Wellenlänge an verschiedenen Stellen reflektiert wird. So kann Interferenz auftreten und wie oben beschrieben, können sich die reflektierten Wellen verstärken oder auslöschen. Die Innenseite der Schale erhält so einen schillernden Farbeffekt. Das Perlmutt ist dank seiner Struktur sehr stabil und dient der Meeresschnecke als Schutz vor Fressfeinden.
Der Schmetterling, der eigentlich nicht grün sein sollte
Der grünschillernde Schmetterling Papilio palinurus kommt vor allem in den Tropen vor und stellte WissenschaftlerInnen lange Zeit vor ein Rätsel. Die Forschung fand heraus, dass der Schmetterling keinerlei grünes Pigment besitzt.Wie kommt dann die auffallend grün schillernde Farbe auf seinen Flügeln zustande? Die ForscherInnen wurden fündig: Die Flügelschuppen des Schmetterlings bestehen aus zahlreichen übereinanderliegenden, regelmässig angeordneten Schichten von Chitin. Chitin ist sehr ähnlich aufgebaut wie Zellulose und dient als Strukturelement in Zellwänden oder im Panzer von Insekten. Wenn nun Licht auf diese transparenten Schichten fällt, tritt Interferenz auf. Die konstruktive Interferenz führt dazu, dass die grünschillernde Farbe auf den Schmetterlingsflügeln durch Überlagerung von Wellen besonders verstärkt wird. Die intensive Färbung des Schmetterlings dient vor allem der Anlockung der Weibchen.
Pollia mit ihren ewig-farbigen Beeren
Pollia condensata ist eine Pflanze, die in den Wäldern Afrikas wächst und bis zu einem Meter gross werden kann. Für die Wissenschaft besonders interessant sind die farbigen Beeren der Pollia. Obwohl die Pflanze eher im Unterholz wächst und daher keine guten Lichtbedingungen hat, leuchten die Beeren auffallend metallisch-blau. Die Beere hat dünne, parallelverlaufende Zellulosefasern in den Zellwänden, die für diesen Farbeffekt verantwortlich sind. Diese Strukturen sind etwa zehntausendmal dünner als ein menschliches Haar. Die Beere behält den metallischen Farbton auch wenn sie bereits am Vertrocknen ist. Die Farbe der Beeren bietet der Pflanze einen biologischen Vorteil. Vögel werden durch die auffällige Färbung auf die Beeren aufmerksam und nutzen diese als Nahrungsquelle. Mit dem Kot werden die Samen ausgeschieden und neue Pflanzen können heranwachsen.
Der Spiegeleffekt der Sardine
Die am hellsten reflektierenden Strukturen findet man bei Fischen. Sardinen können mit Hilfe von feinen Strukturen im Gewebe unterhalb der Schuppen 90% des Lichtes reflektieren und erreichen dabei annähernd die Wirkung eines Spiegels. Das Licht wird so reflektiert, dass es für andere Unterwasserbewohner als dunkler und schwächer als das Umgebungslicht wahrgenommen wird. Dieser Effekt kann den Fischen als Tarnung dienen, damit Fressfeinde nicht auf sie aufmerksam werden.
Der schillernde Tigerkäfer
Die schillernde Farbe des Tigerkäfers, Cicindela scutellaris, kommt durch eine mehrschichtige Struktur zustande. Parallele Schichten aus Chitin (wie beim Schmetterling Papilio palinurus) erzeugen konstruktive Interferenz und lassen den Käfer in den auffallenden Strukturfarben erstrahlen. Bei den Tigerkäfern wirkt dieser Effekt der Strukturfarbe vor allem als Locksignal für Sexualpartner.
Exakte Strukturen beim Kolibri
Die Federn des Kolibris haben eine sehr feine und exakte Lamellenstruktur, so dass bei Lichteinfall metallisch schimmernde Farben entstehen. Bei Vögeln nehmen die WissenschaftlerInnen an, dass die auffallende Farbe vor allem der Anlockung von Weibchen dient.
Zapfen und Stäbchen
Damit wir die vielen verschiedenen Farben überhaupt wahrnehmen können, muss unser Gehirn die unterschiedlichen Wellenlängen zuerst noch interpretieren. In unseren Augen, also an deren Rückwand, befinden sich ganz spezielle Zellen, die Licht einfangen können und dann ein Signal an unser Gehirn weiterleiten. Diese Zellen heissen Sehsinneszellen und werden in Zapfen und Stäbchen unterteilt. Die Stäbchen ermöglichen eine Unterscheidung zwischen hell und dunkel. Zapfen sind für das Farbensehen zuständig (kann man sich leicht merken: ZapFen – Farben). Von den Zapfen haben wir drei Arten, die jeweils nur rotes, grünes oder blaues Licht wahrnehmen können. Die Kombination der Signale, die von den verschiedenen Zapfen kommen, erlaubt dem Gehirn die Farbe des eintreffenden Lichts zu interpretieren. Bei wenig Licht reagieren die Zapfen nicht, deshalb nehmen wir in der Dämmerung keine oder nur gedämpfte Farben wahr.
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