דמיינו שאתם מכינים לעצמכם קערת אוכמניות, שוטפים אותן במים, ורואים איך הן נוצצות בגוון כחול עמוק ומרהיב. אילו הייתם בוחרים, נניח, להכין מהן מיץ, ודאי הייתם מצפים שגם המיץ יהיה כחול, כמו הפירות עצמם. אלא שבשלב הזה הייתם מגלים הפתעה - המיץ דווקא אדום. איך זה ייתכן? מתברר שאוכמניות אינן באמת כחולות, לפחות לא באותו האופן שבו תפוח אדום הוא באמת אדום. המקור לצבען הייחודי של האוכמניות, אותו גוון כחול-מט, נקרא צבע מבני.
לעומת צבע כימי, שמתקבל משום שמולקולות פיגמנט (צבען) בולעות חלק מאורכי הגל של האור הנראה ומחזירות אחרים, מקורו של צבע מבני הוא התאבכויות קרני אור – מפגש של מספר גלי אור באותה נקודה – לאחר שהן פוגעות במבנים ננומטריים (כלומר, בקנה מידה של מיליארדית המטר) בתוך החומר. התופעה אינה ייחודית לאוכמניות, אלא נפוצה בעולם החי בקרב ציפורים וחרקים, כמו פרפרים וחיפושיות.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
הקורונה חוזרת, החצבת נשארת: מחלות ללא גבולות
התגלה גורם אפשרי לשפה ולחך שסועים
אילו כיריים עדיפות, גז או אינדוקציה?
הכימיה של הצמחים הצבעוניים
לצמחים יש סוגים רבים של פיגמנטים: כלורופיל הוא מקור הצבע הירוק בעלים; סוגים שונים של קרוטנואידים מקנים צבע כתום לגזר, אדום לעגבנייה וצהוב לתירס; ובטאנין מעניק גוון אדום לסלק. לעומת זאת, פיגמנטים כחולים נדירים מאוד בטבע, וצבע כחול הוא לרוב מבני. מכל הצבעים באור הנראה, לגלי האור שנראים לנו כחולים ישנה האנרגיה הגבוהה ביותר; על מנת שיוחזר צבע כחול, מולקולות הפיגמנט צריכות לבלוע פוטונים מועטי-אנרגיה בתחום האדום.
4 צפייה בגלריה
לעתים רחוקות פיגמנטים מסוג אנתוציאנינים נותנים לצמח צבע כחול - כמו במקרה של הורטנזיה, שעשויה לפרוח בכחול מרהיב אם הקרקע בסיסית דיה ומכילה יונים של אלומיניום. פרחי הורטנזיה
(צילום: optimarc, shutterstock)
לעיתים רחוקות פיגמנטים מסוג אנתוציאנינים נותנים לצמח צבע כחול, אך בדרך כלל הם דווקא יוצרים גוונים ורודים ואדומים, כמו בתפוח, כיוון שהמולקולות בולעות אורכי גל בתחומי כחול ועל-סגול. על מנת שמולקולות הפיגמנט ישנו את התנהגותן ויעברו לבלוע אורכי גל אדומים, צריכים להתרחש בצמח תהליכים כימיים לא טריוויאליים, כמו במקרה של הורטנזיה, שעשויה לפרוח בכחול מרהיב אם הקרקע בסיסית דיה ומכילה יונים של אלומיניום. גם הפיגמנט אינדיגו, שמוכר בציבור בתור צבע מכנסי הג’ינס, הוא כחול, אך אינדיגו לא נוכח בצמח באופן טבעי; נדרשים תהליכים ארוכים ומורכבים כדי להפיק מהמולקולה חסרת הצבע שקיימת בצמח צבע אינדיגו כחול.
שעווה שהיא זכוכית?
צבע מבני נחקר לא מעט במחקרים על בעלי חיים, אולם עדויות חדשות מראות שהוא עשוי להיות שכיח במפתיע גם בממלכת הצמחים. מחקר שפורסם לפני כשנה (פברואר 2024) בכתב העת Science Advances, הראה כי צבע מבני הוא גורם מרכזי בצבען הכחול של האוכמניות. במחקר נמצא שמקור הצבע המבני בגבישי שעווה על גבי הכְּסוּתִית (קוטיקולה) – שכבה שומנית חיצונית אצל צמחים, שתפקידה העיקרי הוא למנוע אובדן מים. תכונותיהם דוחות המים של גבישי השעווה נחקרו רבות, אך יכולתם ליצור צבע מבני התגלתה רק לאחרונה.
צבע מבני מתחלק לשני סוגים: גבישים פוטוניים, כמו בכנפי הפרפר, הם מבנים סדורים שיוצרים צבעים מבריקים וססגוניים, אשר משתנים בהתאם לזווית שבה מביטים בהם. הסוג השני, שמכונה זכוכיות פוטוניות, כמו גבישי השעווה באוכמניות, נובע מסידור אקראי של תתי-המבנים בחומר ויוצר צבע לא בוהק, שאינו תלוי בנקודת המבט. ההבדל נובע מסידור מחזורי ארוך טווח (בגביש) או סידור לא מחזורי (בזכוכית) של החומר: כאשר אור פוגע בחומרים שהמולקולות המרכיבות אותם אינן מסודרות באופן מחזורי אלא אקראי, אורכי הגל הקצרים יותר, כמו כחול וסגול, נוטים להתפזר ולהגיע לעין יותר מאורכי גל ארוכים כמו אדום. מסיבה זו האוכמניות, בדומה לשמיים, נראות לנו כחולות.
4 צפייה בגלריה
זכוכיות פוטוניות, כמו גבישי השעווה באוכמניות, מאופיינות בסידור אקראי של תתי-המבנים בחומר ויוצר צבע לא בוהק. אילוסטרציה של גביש פוטוני מול זכוכית פוטונית
(איור: מתוך המאמר Yao et al., 2023, תרגום מכון דוידסון לחינוך מדעי)
להתפרק – ולהיבנות מחדש
מעבר לתובנה על אודות מקור הצבע של האוכמניות, החוקרים הצליחו גם לשחזר את הצבע המבני שלהן במעבדה. תחילה, גבישי השעווה הופקו מהצמח והומסו. את התמיסה הניחו החוקרים בכלי פתוח מתחת למשטח חסר צבע וחיממו אותה בהדרגה. מולקולות השעווה התאדו מהתמיסה והתגבשו מחדש על המשטח לכדי שכבה דקה. בעוד שהשעווה המומסת הייתה חסרת צבע, כאשר הגבישים נבנו מחדש המשטח נצבע בכחול האופייני לאוכמניות.
עם זאת, באוכמניות למעשה משתלבים צבע מבני וצבע כימי ליצירת צבען החזק. לפני שהפרי מבשיל במלואו המעטפת השעוותית איננה מפותחת דיה, ולפרי גוונים ירוקים בשל ריכוז גבוה של כלורופיל, שחשוב להבשלתו. עם הבשלת הפרי, הכלורופיל מתפרק ונוצר יותר אנתוציאנין, לצד המבנה השעוותי מפזר האור. כתוצאה מכך הרבה אור כחול מתפזר; האור שאינו מתפזר נבלע בפיגמנט, והאחרון מקבל צבע אדום ומגביר את הגוון הכחול של האוכמנית.
4 צפייה בגלריה
בעוד שהשעווה המומסת הייתה חסרת צבע, כאשר הגבישים נבנו מחדש המשטח נצבע בכחול האופייני לאוכמניות. משטחים עם גבישי שעווה כחולים שיוצרו במהלך הניסוי
(צילום: Rox Middleton, מתוך המחקר)
התופעה הזו אינה ייחודית לאוכמניות. באמצעות מחקר פילוגנטי – כלומר, מחקר שמתחקה אחר הקשר האבולוציוני והקרבה בין מינים שונים – החוקרים מצאו שהיא מאפיינת מספר מינים, שאינם קרובים כלל אלה לאלה. מכאן שלפנינו אבולוציה מתכנסת של תכונת הצבע המבני הכחול: הוא התפתח מספר פעמים באופן בלתי תלוי, דבר שעשוי להעיד על חשיבותו בטבע. החוקרים משערים כי צבעו הכחול של הפרי מאפשר לבעלי חיים אוכלי פירות לראות אותו טוב יותר בסבך, כך שהם אוכלים יותר ממנו ומפיצים יותר מזרעיו.
המחקר לא רק מאיר באור חדש את המורכבות המדהימה של עיצובי צבע בטבע, אלא גם פותח אפשרויות חדשות ליישומים מעשיים בתעשיות טכנולוגיות, כגון ציפויים עמידים, או צבעים ידידותיים לסביבה שמבוססים על מבנים ביולוגיים טבעיים.
דניאל חייקלסון, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
