Существует ли цвет? | Эндрю Паркер | TEDxSydney

Эндрю Паркер рассказывает о работах в биомиметике, которая изучает и копирует обнаруженные в природе полезные свойства для их применения в новых технологиях, например, цвета колибри для новых красок, неотражающие поверхности на глазах насекомых для солнечных панелей и захватывающие воду устройства жуков Намибии для сбора питьевой воды в Африке.

Эндрю Паркер изучал морскую биологию и физику в музее Австралии и университете Маккуори, затем перешёл в Оксфордский университет. Он был избран «Учёным нового столетия» Королевским институтом Великобритании и написал две научно-популярных книги «In the Blink of an Eye» and «Seven Deadly Colours». Сегодня он является ведущим исследователем Музея естественной истории в Лондоне и Колледжа Грин Тэмплтон Оксфордского университета.

Это выступление записано на мероприятии TEDx, независимо организованном местным сообществом с использованием формата конференций TED. Узнайте больше на http://ted.com/tedx

Прежде всего, цвет не существует
в окружающем мире,

он существует только в сознании
живых существ с глазами.

И мы всё ещё не до конца понимаем,

как формируются наши образы мира.

Но для природы это несущественно.

Природе не нужно понимать,
как всё устроено,

она просто изобретает всё методом
проб и ошибок, случайных мутаций.

Сейчас я хочу рассказать,
как я обнаружил эти два факта

и как они привели меня к науке,
которая называется биомиметика,

которая учится у природы

и черпает из неё вдохновение
для создания наших коммерческих продуктов.

Всё это началось около 20 лет назад

с изучения группы существ под названием
ракушковые ракообразные или остракоды.

Это неприметные живые существа
размером с семечко помидора,

не очень изученные, но весьма
распространённые в водах Австралии.

Они хорошо известны своей способностью
производить биолюминесцентный свет.

Они светятся в темноте
без света, который можно отражать,

и вы можете обнаружить их
ночью на пляжах возле Сиднея,

как видно на этом фото.

Это было хорошо известно,

но, как я часто говорю, моё исследование
началось со вспышки зелёного света,

зелёного или синего, и это именно так.

Когда я наблюдал под микроскопом
некоторых сохранившихся остракод,

я их передвигал и обнаружил
вспышки голубого и зелёного свечения.

Это раньше не было известно об остракодах,
и я подумал: «Что происходит?»

Также, когда я снимал этих животных
во время размножения на видео,

они использовали радужные вспышки света

в ритуале ухаживания,
чтобы привлечь друг друга.

Тогда я решил поместить несколько
остракод под электронный микроскоп,

чтобы понять, что происходит.

Здесь вы можете увидеть
изображения дифракционной решётки

на поверхности ворсинок,

которые разделяют белый свет
на составляющие его цвета.

Дифракционные решётки хорошо
известны в физике и коммерции.

Они широко используются в технике.

Но они были неизвестны у остракод
или вообще живых существ.

Интересным оказалось то,

что раз они использовались
в ритуале ухаживания,

у них было назначение.

И они эволюционировали,
чтобы стать очень эффективными.

Природа работала над ними миллионы лет,

настраивая их так, чтобы они
оптимально выполняли свою работу.

Когда я понял, что должен искать,

я подумал: «Где ещё в природе
бывают дифракционные решётки?»

Я перебрал все виды живых существ

и обнаружил их в ряде случаев

у червей, как вы можете видеть здесь,

а также, в данном случае,
на клешнях рака-прыгуна.

Можно увидеть, как меняется цвет
при изменении направления.

Это очень яркие, металлические цвета,

которые также можно наблюдать,
например, у колибри и жуков.

Это физические структуры,
такие же как кости.

Тогда я подумал: «Интересно,
происходит ли это и у ископаемых?»

И это оказалось именно так.

Мы начали изучать ископаемых.

Я обнаружил их у жуков
возрастом в 45 миллионов лет,

которые были найдены в скалах
и выглядели как живые жуки,

сверкающие всеми металлическими цветами;

в аммонитах возрастом в 85 миллионов лет,
как можно увидеть здесь.

Здесь также видно, как отражается свет

в этом рефлекторе от различных слоёв.

Размер этих слоёв составляет
примерно одну сотую толщины волоса,

реально равный крошечным наноструктурам.

Самыми древними были ископаемые
горной фармации Сланцы Бёрджес

возрастом в 508 миллионов лет
из Кембрийского периода.

Это заставило меня задуматься: «Можно
проследить цвет так далеко в прошлое,

но как далеко мы можем зайти?

Когда впервые появился цвет на Земле?»

Это привело меня к поиску
самого первого в природе глаза.

Оказалось, что самым первым
был глаз у трилобита,

вы можете видеть его здесь.

Вы можете, например,
увидеть складку на одном из глаз,

действительно хороших глаз,

они могли создавать изображение
так же, как мы сегодня.

Но это существо жило
521 миллион лет назад.

До этого зрения не существовало,
поэтому цвет не имел значения.

На самом деле не было такой вещи
как цвет, только длины волн света.

Я рассматривал животных,
существовавших в то время.

Трилобит действительно состоял
из очень твёрдых, крепких частей

и вёл вполне современный образ жизни.

Он двигался очень быстро

и имел жёсткие части,
чтобы рвать животных.

Он был хищником.

Он мог видеть живых существ вокруг себя.

Но незадолго до этого
все животные были мягкотелыми,

даже предшественник трилобита,

и они очень медленно передвигались
по морскому дну, лишь натыкаясь на вещи.

Они практически мало
взаимодействовали друг с другом.

Вообще у них был световой сенсор.

Но самый сложный
световой сенсор того времени

мог создавать вот такое изображение мира.

Это самое лучшее, что могли видеть
животные в окружающей их среде

с таким сенсором.

Вы можете видеть направление,
откуда исходит свет,

и знаете, где находится верх,
а где — низ в толще воды, например.

Но обнаружить друга или врага
возле себя невозможно.

Вы не можете идентифицировать
всех животных и увидеть, кто там.

Возможно, тогда произошло наиболее
впечатляющее событие в истории жизни.

В одном из таких световых
сенсоров появились линзы.

Внезапно на заднюю часть глаза
спроецировалась картинка,

самая первая картинка в мире,

которая могла бы выглядеть примерно так.

Вы можете увидеть всех
других существ вокруг себя.

Вы можете распознать добычу.

Таким образом давление селекции,
давление эволюции

стало образовывать у них органы
плавания, чтобы добраться до жертвы,

твёрдую часть, чтобы разрывать её,

и питаться всеми этими
мягкотелыми животными,

которые по существу являются
кусочками протеина, ждущими съедения.

И это фактически вызвало
Кембрийский взрыв,

«Большой взрыв» эволюции,

когда все животные
перестали быть мягкотелыми,

как черви и медузы,

а приобрели весь спектр форм,
который мы видим сегодня,

целый ряд поведенческих моделей.

Внезапно жизнь стала сложной.

Зрение появилось в мире
и осталось окончательно.

Сегодня у более чем 95 процентов
живых существ есть глаза,

и зрение является самым
мощным стимулом на Земле.

Куда бы вы ни шли,
вы создаёте картинку на сетчатке,

и с этого момента животным
пришлось адаптироваться,

так как они могли в любой момент
стать жертвой хищника.

Эволюция привела к процессу развития,

в котором мутируют триллионы
и триллионы цепочек ДНК,

производя бесконечные варианты
новых типов расцветок.

Они занимались этим миллионы лет,

сотни миллионов лет,
чтобы произвести оптимальные цвета.

В индустрии дизайнеру
редко выпадает удачный год,

приносящий новый цвет.

Почему бы не понаблюдать за тем,
что может предложить природа,

может, мы могли бы скопировать что-то?

Даже если мы не понимаем,
как создаются цвета,

это не имеет значения,

просто скопируйте наноструктуры,
которые есть в природе,

и получите те же самые цвета.

В конце концов, у нас одна и та же цель:

воздействие на глаз.

Обратимся к промышленности и спросим:

«Какие цвета вы пожелаете?»

«Хотели ли бы вы очень яркий цвет,
светящийся в темноте,

который может даже давать свет,
когда солнечный свет отсутствует?»

Например, в светящихся палочках

или в некоторых применениях
на фермерских полях,

где, если урожай поражён вирусом,

он будет светиться в темноте,
показывая фермеру места поражения.

Это как раз то, что мы делаем
с биолюминесцентными веществами.

Биолюминесценция — это когда два вещества
взаимодействуют в присутствии кислорода

и производят свет как побочный продукт.

Это очень продуктивный свет.

Практически вся энергия
преобразуется в свет

и очень мало — в тепло
в отличие от ламп накаливания.

Биолюминесценция вызывает свечение
у светлячков или жуков-светляков.

Это часто бывает в глубоком море,

где более 90% всех живых существ
производят биолюминесцентный свет.

Может быть, промышленности
пригодятся пигменты?

Они часто встречаются в природе,
например, у этой молочной змеи.

В данном случае здесь есть пигмент,
который даёт оранжевый цвет.

Здесь на молекулу попадает белый свет

со всеми различными цветами
или длинами волн.

Бо́льшая часть этих волн
поглощается и превращается в тепло,

но та энергия, которая
осталась непоглощённой,

отражается обратно
или рассеивается в окружающую среду,

и вы видите эти цвета.

Есть ещё способ, как природа может
дать промышленности пигменты.

Это возможно через хроматофоры,
то есть клетки, меняющие свой цвет.

Эти клетки могут
расширяться и сокращаться,

и они наполнены пигментом.

Когда они расширяются,

они достаточно большие,
чтобы выглядеть как пиксель,

а когда сокращаются,
становятся невидимыми.

Это принцип изменения цвета
хамелеона, каракатицы или кальмара.

Представьте себе совмещённые вместе
красные, синие и зелёные хроматофоры,

их расширение и сокращение,
чтобы создать любой нужный вам цвет.

Сейчас я работаю
с Технологическим институтом Джоржии

и пытаюсь создать поверхности
и материалы, меняющие цвет,

что полезно, например,
для цветов камуфляжа.

Мы могли бы производить также
флуоресцентные цвета для промышленности,

вокруг их множество,

особенно у попугаев,
в частности у попугаев Австралии.

Это головные перья
большого желтохохлого какаду,

которые флуоресцируют.

Здесь вы видите изображение,
показывающее жёлтый пигмент,

а затем показывающее только флуоресценцию.

Оказалось, что флуоресценция
также имеет жёлтый цвет

и усиливает эффект от жёлтого пигмента.

Я обнаружил, что некоторые жёлтые
перья создают флуоресценцию,

а другие — нет.

Фактически именно перья,
участвующие в ухаживании,

перья в областях плюмажа
для привлечения самки,

содержат флуоресцентный пигмент.

То есть это не просто побочное
свойство жёлтого пигмента.

Эволюция поработала над этим,

чтобы очень эффективно
создавать жёлтый свет.

Флуоресценция получается
из-за эффекта на атомном уровне,

куда попадает белый свет,
включающий ультрафиолет.

Ультрафиолет, который мы не видим,

поглощается и отражается снова
в виде более длинных волн.

И часть высокой энергии, которая
содержится в ультрафиолетовом свете,

используется, когда электрон
прыгает на внешнюю орбиту.

Когда же электрон немедленно
падает обратно на свою орбиту,

энергия высвобождается,
но часть теряется из-за тепла,

поэтому энергии меньше,

что означает более длинную волну,
или жёлтый цвет, к примеру.

Так мы переходим
от невидимого ультрафиолета

к жёлтому цвету, который мы видим.

А теперь моя любимая тема:

это структурный цвет,
природная нанотехнология, если хотите.

Это физические структуры, выполненные
из абсолютно прозрачных материалов.

Это наноразмерная архитектура,

что важно при определении,
какой цвет отражается

или какой световой эффект можно видеть.

Здесь мы видим шипы морской мыши
под названием Афродита,

которая водится возле пляжей Сиднея.

Это очень необычное животное,
похожее на маленькую радужную мышь.

Но это морское животное,

и оно покрыто этими радужными шипами.

Если разрезать эти шипы,

можно увидеть эти крошечные нанотрубки,

такая форма называется
фотонно-кристаллическим оптоволокном.

Фотонные кристаллы были обнаружены
в физике только в 1980-х годах,

и с тех пор они используются
во всех технологических приложениях.

Они совершат революцию
в компьютерах будущего

с оптическими микросхемами
вместо электронных.

Такие типы оптического волокна

уже используются в телекоммуникации.

Но в природе есть разработки,
неизвестные физике,

и в физике пока нет объяснения
тому, как они работают.

Поэтому давайте просто копировать
то, что уже есть в природе.

И я обнаружил не только это.

Это был первый фотонный кристалл,
найденный в природе,

который я обнаружил в 2000 году.

Но мы бы сэкономили много времени,

если бы начали наблюдать
за природой раньше.

Бабочки являются отличными
примерами фотонных кристаллов.

Крыло бабочки содержит
около сотни тысяч чешуек,

перекрывающихся как черепица на крыше.

Каждая из этих чешуек
заполнена наноструктурами,

которые взаимодействуют
со световыми волнами по-разному.

И вы увидите на следующих слайдах —

у нас есть электронная микрофотография,
показывающая мельчайшие детали чешуек,

опять же примерно в сто раз
меньше толщины волоса, —

увидите, как эти структуры меняются

почти так же, как может
меняться форма строения.

Но когда это в наномасштабе сравнимо
с длиной волны света в чешуйке,

они будут менять цветовой эффект.

Вы сможете видеть различные
архитектуры, создающие разные цвета,

и они могут изменять то,
как изменяется цвет.

Рассматривая эти мелкие чешуйки,

можно увидеть и те, которые
меняют цвет, и те, которые нет,

можно получить очень яркие чешуйки
или более тусклые экземпляры.

Хорошим примером фотонного
кристалла является опал,

драгоценный камень опал,
который виден на картинке слева вверху.

Опал заполнен крошечными наносферами.

Они лежат плотно одна к другой.

Лучи света входят в него,

отражаются внутри этой структуры
и взаимодействуют между собой,

создавая переливчатые цвета.

Но интересно, что в 2005 году я нашёл
опал у долгоносиков, живых существ.

Получается, что животное создаёт опал.

У опала уже есть множество
технологических применений,

и он появится в компьютерных чипах.

При их изготовлении
потребляется очень много энергии,

нужны высокие температуры и давление.

Но природа, животные, делают это
при комнатных температурах и давлениях.

Они волшебным образом смешивают вещества,

и при очень маленьких затратах энергии
получается этот безупречный опал.

Это то, что мы пытаемся
сделать сейчас сами.

Мы пытаемся увидеть чешуйки
у живых долгоносиков,

чтобы понять, как они
создают эти устройства,

чтобы скопировать их и перенести
этот процесс в промышленность.

Некоторые природные оптические
устройства совсем не производят цвет.

Как раз наоборот:

они предотвращают всякое отражение,

весь свет проходит сквозь поверхность,

как я обнаружил на глазу этой мухи
возрастом в 45 миллионов лет,

сохранившейся в янтаре.

Это очень мелкая структура,
вы еле можете видеть

эти крошечные борозды
на электронном микроснимке.

Когда я поместил это на поверхность
плексигласа, как видно внизу справа,

в центре получилась эта структура,

и видно, как отражения уничтожаются.

Это позволяет свету проходить насквозь
вместо того, чтобы отражаться.

Если вы поместите это на окно,

то вы не увидите своего отражения.

Поместив это на солнечные панели,
мы получим 10% прироста энергии.

Несколько лет назад

я начал интересоваться не только
оптикой цвета в биомиметике,

а также и другими вещами,

такими как изучение прочных
материалов у жуков и креветок-богомолов,

изучение клейких веществ,
работающих под водой,

дизайнов природных строений,
увиденных у животных и растений,

а также систем кондиционирования,
обнаруженных в муравейниках,

чтобы применять их там,

где нужно очень мало энергии.

Особенно меня увлекла вода.

Вкратце, вот пример жука из Намибии,

у которого я нашёл структуру,

которая очень эффективно
собирает воду из тумана в пустыне.

Сейчас используются
системы кондиционирования,

чтобы извлекать воду и использовать снова.

Но природа говорит нам,

что есть целый воздушный источник воды,

который используют животные
и растения в пустынях, например.

Это то, над чем сейчас
я работаю совместно с МТИ,

и мы надеемся разместить
эти первые устройства в Африке,

чтобы довольно скоро собирать
воду для питья и медицины.

К сожалению, я не могу рассказать
точные планы на будущее.

У нас готовятся несколько потрясающих
вещей, особенно в будущем году,

но, по крайней мере, я сумел
приоткрыть вам эту тему

и сказать, когда всё это началось,

а именно 520 миллионов лет назад.

Большое спасибо.

(Аплодисменты)