Warum sind Schmetterlinge bunt ?

Jeder hat schon mal einen Schmetterling beobachtet und vielleicht auch über dessen Flügelzeichnung und Farbenpracht gestaunt. Da stellt sich doch die Frage: Wie entsteht eigentlich dieses malerische Meisterwerk der Natur? Was sind Farben überhaupt und gibt es da Unterschiede in der Ursache für Farben?
Ja, die gibt es! Pigmentfarben und Interferenz zaubern die wunderbarsten Muster auf die Flügel der Schmetterlinge...

Als erstes sei festgehalten, dass die Flügel wie auch das gesamte Außenskelett der Schmetterlinge hauptsächlich aus einer Substanz Namens Chitin bestehen. Rein chemisch betrachtet gleicht die Struktur von Chitin jener der Zellulose und stellt wohl einen der Schlüssel für den evolutionären Erfolg der Insekten dar.

Aber nun zurück zu unserer Frage, warum Schmetterlinge bunt sind? Chitin besitzt keine ausgeprägte Eigenfärbung und so wird die Pracht der Flügelzeichnungen wie bereits erwähnt durch zwei andere Faktoren bestimmt.

 

Die Pigmentfarbstoffe:

Fangen wir gleich mit den Pigmentfarbstoffen an. Als solches werden unlösliche Farbstoffe bezeichnet, die in unserem Fall in das Chitin der Flügelschuppen eingeschlossen sind. Es gibt extrem viele Pigmentfarbstoffe und entsprechend bunt, vielschichtig und abwechslungsreich können die Flügelzeichnungen der Schmetterlinge sein. Pigmentfarbstoffe machen den überwiegenden Anteil aller Flügelzeichnungen aus und sind leicht daran zu erkennen, dass sich die Farbe nicht mit dem Betrachtungswinkel ändert.

Gut, jetzt wissen wir, dass Pigmentfarbstoffe den Schmetterlingsflügeln ihre Pracht verleihen. Aber warum sind nun die Farbstoffe bunt???

Um diese Frage zu beantworten müssen wir etwas weiter ausholen.

 

Zunächst wollen wir festhalten, dass das Sonnenlicht aus einer Fülle an Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen, denen der Mensch Farben zugewiesen hat, besteht. Mit einem einfachen Prisma können die einzelnen Lichtstrahlen quasi ihrer Wellenlänge nach sortiert werden. Hierbei zeigen sich die typischen Regenbogenfarben, die jenen Wellenlängenbereich darstellen, den unser Auge wahrnehmen kann.

Ein PRISMA zeigt die Spektralfarben des Sonnenlichts; Zeichnung © by Thomas Neubauer

Wie es der Name schon sagt, vermag auch die Natur die Regenbogenfarben (Spektralfarben) im Regenbogen zu offenbaren

Der Regenbogen; Foto © by Thomas Neubauer

Jetzt wissen wir, dass Farbe nichts anderes ist, als Licht einer bestimmten Wellenlänge, doch was hat das mit den Farbpigmenten zu tun?

Die Lösung ist ganz einfach:

  • Reflektiert ein Farbpigment alle Wellenlängen, die den Regenbogen ausmachen, so erscheint es für unsere Augen „Weiß“

  • Ein Farbpigment, das wir als rot erkennen schluckt (absorbiert) alle Wellenlängen bis auf jene, die der Farbe rot entsprechen. Das Farbpigment reflektiert sozusagen nur „rotes Licht“

  • Wenn das ganze Spektrum des Regenbogens geschluckt (absorbiert) wird, dann erscheint ein Farbpigment schwarz.
Wie Farben entstehen; Zeichnung © by Thomas Neubauer

 

Die Interferenz (Strukturfarben):

Zu Punkt 2, der Interferenz. Mit diesem Wort beschreibt die Physik die Fähigkeit von Lichtstrahlen, sich gegenseitig auszulöschen. Ganz allgemein können das alle Wellen und da Licht wie oben beschrieben eine Wellenlänge hat muss es sich auch als Welle ausbreiten.
Das klingt jetzt kompliziert aber ich werde versuchen, es einfach zu erklären.

Als Anschauungsbeispiel nehmen wir ein Glas Wasser zur Hand. Jeder Mensch weiß, dass es auf einer Wasseroberfläche Wellen gibt. In unserem Fall lassen wir einen Tropfen in das Glas fallen und er wird Wellen hervorrufen. Diese Wellen sind eine stete Auf- und Abwärtsbewegung der Oberfläche. Würden wir nun zwei Tropfen in einem ganz bestimmten zeitlichen Abstand, den einen am linken Rand und den anderen am rechten Rand hineinfallen lassen, dann würden wir folgende Beobachtung machen. Beide Tropfen würden ihre Kreise ziehen, die sich ausbreiten, doch am Treffpunkt würden sie sich gegenseitig aufheben. Ein Wellental würde auf einen Wellenberg treffen und sich ausgleichen. Eine ruhige Wasseroberfläche ist die Folge, als hätte es nie zwei Wellen gegeben.

Nichts anderes geschieht mit Lichtstrahlen gleicher Wellenlänge, deren Wellenmuster gerade soviel versetzt ist, dass ein Wellental auf einen Wellenberg trifft.

Gut jetzt wissen wir was Interferenz ist, aber was hat das mit Schmetterlingen zu tun?

Ein kleiner aber feiner Bruchteil der Farbeindrücke, welche den Zauber der Schmetterlinge ausmachen, beruht auf Interferenz. Diese Farben werden auch als Schillerfarben bezeichnet. Sie sind leicht daran zu erkennen, dass sich bei variiertem Betrachtungswinkel der Farbeindruck verändert bzw. gänzlich verschwindet. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Flügelzeichnung des Großen Schillerfalters.

Apatura iris (Großer Schillerfalter); Photo © by Mario Maier ([email protected])

Wenn man wissen will, wie das nun ganz genau funktioniert, dann braucht man schon ein Raster-Elektronen-Mikroskop (REM).
Die folgenden Fotos und Bilder zeigen den Flügel eines Schmetterlings in steigender Vergrößerung (100-fach, 1000-fach, 10 000-fach, 20 000-fach)

100-fach; Schuppen auf Schmetterlingsflügel; Foto © by Rita Bretzler FEM (Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie)
1000-fach; Einzelne Schuppen; Foto © by Rita Bretzler FEM (Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie)
10000-fach; Furchen & Rillen einer Schuppe; Foto © by Rita Bretzler FEM (Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie)
20000-fach; Schrägansicht der Furchen & Rillen, läßt die Tannenbaumstruktur erahnen (Apatura ilia f. clytie Männchen); Foto © by Sandra Schneider
ca. 20000-fach; Querschnitt der Furchen & Rillen (Tannenbaumstruktur); Zeichnung © by Thomas Neubauer

Nun, da wir im Mikrometer-Bereich (1 µm = 1 Millionstel eines Meters) angekommen sind, erkennen wir im Querschnitt einer Schuppe die tannenbaumähnliche Struktur der Rillen. Jede einzelne „Astreihe“ dieser „Tannenbäume“ fungiert wie ein halbdurchlässiger Spiegel (wir kennen das von „Verspiegelten Sonnenbrillen“). Ein Teil des einfallenden Lichtes wird also sofort reflektiert, wohingegen ein anderer Teil noch eine weitere, winzigkleine Wegstrecke zurücklegen muss, bevor auch dieser reflektiert wird usw. Durch diese winzigen Wegunterschiede kommt es zur relativen Verschiebung der Wellenmuster. Lichtstrahlen, die zuvor friedlich nebeneinander existiert haben erleiden plötzlich das Phänomen der Interferenz und löschen sich aus.
Der Trick bei dem ganzen ist es nun, dass nicht alle Wellenlängen davon betroffen sind. Im Falle des Großen Schillerfalters entgeht einzig das Licht der Wellenlänge, die für unser Auge als Blau erscheint, diesem Schicksal.

Rotes und Gelbes Licht werden durch Interferenz ausgelöscht, nur Blaues Licht wird zurückgestrahlt; Zeichnung © by Thomas Neubauer

Das Resultat der Farbgebung ist bei Pigmentfarben wie auch bei Schillerfarben identisch, nur der Weg, wie das Licht der anderen Wellenlängen entfernt wird ist ein anderer.

Jetzt ist auch offensichtlich, warum Schillerfarben nur aus einer ganz bestimmten Perspektive zu bewundern sind. Diese winzigen, optisch aktiven Tannenbäume funktionieren nur, wenn das Licht aus der richtigen Richtung kommt (wenn man die Verspiegelte Sonnenbrille trägt sieht man ja auch nicht seine Augen).

 

Hier sind noch ein paar Beispiele für Schillerfarben.

Apatura ilia (Kleiner Schillerfalter); Photo © by Norbert Ulmann ([email protected])
Sasakia charonda (Japanischer Kaiser); Photo © by Thomas Neubauer
Morpho rhetenor (Blauer Morpho); Photo © by Thomas Neubauer

 

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