Как перья кукушки мерцают: открытие выпускника Корнелла

Бывший компьютерный аниматор Тодд Харви, Ph.D. '12, применил свой опыт создания реалистичной кожи Голлума и шерсти Кинг-Конга для изучения переливчатого оперения птиц, таких как африканская изумрудная кукушка.

Исследование, основанное на его диссертации в Корнелльском университете и опубликованное в журнале Interface (Королевское общество) в июле 2013 года, объясняет, почему цвета переливчатых птиц меняются с зеленого на черный в зависимости от угла зрения.

Микроструктура, создающая мерцание

Харви и его коллеги (Ким Боствик, куратор Музея позвоночных Корнелла, и Стив Маршнер, профессор компьютерных наук) обнаружили, что ветви бородок пера кукушки имеют микроскопическую зигзагообразную структуру. Эта структура влияет на направление отраженного света и, следовательно, на воспринимаемый цвет, в зависимости от:

• угла зрения наблюдателя,
• ориентации пера относительно источника света.

Методы исследования

Ученые использовали:

1. Микро-компьютерный томограф Корнелла для получения данных о структуре пера и создания его 3D-модели.
2. Измерение отражательной способности с сотен направлений, чтобы количественно оценить, как перо выглядит с любого угла обзора и освещения.

Результаты

3D-данные показали, что:

• Зигзагообразная («ёлочная») структура состоит из волосовидных бородок, приподнятых над плоскостью пера.
• Поперечное сечение бородок изогнуто.
• Совместный эффект этой морфологии создает два конуса отраженного света, каждый из которых центрирован на ветви бородки и наклонен из-за зигзагообразного угла.
• Зеленое отражение возникает, когда глаза наблюдателя находятся на линии с этими световыми конусами.
• Если конусы не попадают в поле зрения, перо кажется черным.

Мерцание (шиммер) объясняется изменением ориентации этих световых конусов, которое зависит от структуры пера, угла падения света и местоположения наблюдателя.

Значение работы

• Для биологии: Помогает понять эволюцию оперения для коммуникации и маскировки, а также сигналы ухаживания. В будущем могут появиться инструменты для предсказания, где должна находиться самка, чтобы увидеть сигнал самца.
• Для материаловедения: Морфология пера может вдохновить на создание новых материалов.
• Для компьютерной графики: Могут быть разработаны новые алгоритмы для более реалистичной симуляции оперения.

«Внешний вид объектов возникает из структур, которые меньше, чем могут видеть глаза», — отметил Тодд Харви, ныне постдокторант в Йельском университете.

Ученый полагает, что дальнейшие исследования других видов покажут аналогичную связь между морфологией переливчатых бородок и направлением их отражения.