蜂鸟是世界上最鲜艳的生物之一。它们的羽毛具有虹彩效果——光线像在肥皂泡上一样反射，产生出随着观察角度变化而闪烁的色调。虽然其他鸟类，如鸭子，也可以拥有鲜艳的羽毛，但似乎没有哪种鸟能与蜂鸟相比，科学家们之前并不确定原因。但《进化》杂志上的一项新研究表明，尽管蜂鸟羽毛的基本成分与其他鸟类相同，但它们色素内含结构的特殊形状使它们能够反射出彩虹般的光芒。
"让我夜不能寐的大问题是，为什么某些鸟类比其他鸟类更鲜艳？"该论文的第一作者、芝加哥菲尔德博物馆的博士后研究员查德·埃利亚松说。"你可以从窗户望出去，看到单调的棕色鸟类，然后看到这只闪闪发光的宝石飞到你的蜂鸟喂食器上。为什么蜂鸟如此鲜艳？是环境因素，是性选择？还是内部机制，物理学和颜色产生的方式？"
为了回答这些问题，埃利亚松和他的国际同事团队进行了迄今为止最大的蜂鸟羽毛光学研究。他们使用透射电子显微镜检查了35种蜂鸟的羽毛，并将它们与其他鲜艳羽毛的鸟类（如绿头鸭）的羽毛进行了比较，寻找它们成分上的差异。
所有鸟类的羽毛都是由角蛋白制成的，与我们头发和指甲的材料相同，它们的结构像小树一样，有类似树干、树枝和叶子的部分。这些"叶子"被称为羽毛羽枝，由含有色素产生细胞器的细胞组成，这些细胞器称为黑色素体。我们也有黑色素体——它们产生深色的黑色素，使我们的头发和皮肤着色。但色素并不是获得颜色的唯一方式。黑色素体的形状和排列可以影响光线如何从它们上面反射，产生鲜艳的颜色。
"我们称这些虹彩色为'结构色'，因为它们依赖于结构尺寸，"比利时根特大学的合著者马修·肖基说。"一个很好的类比就像肥皂泡。如果你只看一点肥皂，它将是无色的。但如果以正确的方式结构化，如果你把它展开得很薄以形成泡泡的壳，你会在边缘得到那些闪烁的彩虹色。黑色素体也是如此：有了正确的结构，你可以把无色的东西变成非常彩色的东西。"
"在哺乳动物中，黑色素在毛发内部并没有以任何花哨的方式组织，但在鸟类中，你会得到这些黑色素体的层次，当光线从不同层次反射时，我们看到鲜艳的颜色，"埃利亚松说。
但在鸟类中，蜂鸟的黑色素体是特殊的。鸭子的黑色素体是木头形状的，内部没有空气，而蜂鸟的黑色素体是薄饼形状的，并含有许多微小的气泡。蜂鸟黑色素体的扁平形状和气泡创造了一个更复杂的表面集合。当光线在这些表面上闪烁时，它会以产生虹彩的方式反射。
研究人员还发现，使蜂鸟羽毛特别的不同特征——如黑色素体形状和羽毛衬里的厚度——是独立进化的特征，允许蜂鸟混合和匹配更广泛的特征。这有点像你可以用三件衬衫和三条裤子制作更多的服装组合，而不是三件连衣裙。总之，蜂鸟羽毛非常复杂，这就是它们比其他鸟类更鲜艳的原因。
作者指出，这项研究为进一步理解蜂鸟为何发展出特定的颜色打开了大门。"并非所有蜂鸟的颜色都是闪亮的和结构性的——一些物种有单调的羽毛，在许多物种中，雌性比雄性颜色更少，"Instacart的生物学家和数据科学家拉斐尔·马亚说。
"在这篇论文中，我们描述了一个模型，说明如何在羽毛中实现所有这些变化。现在出现了其他美妙的问题。例如，如果可以展示多种颜色，为什么许多蜂鸟是绿色的？这是否反映了历史事件、捕食或雌性偏好的变化，仍然是开放和具有挑战性的问题，"哥伦比亚安蒂奥基亚大学的合著者胡安·帕拉说。
"这项研究为真正理解颜色模式的发展奠定了基础。现在我们更好地了解了羽毛结构如何映射到颜色，我们可以真正解析出哪些基因是导致鸟类那些疯狂颜色的基础，"埃利亚松说。