לוגו של תכנית גפ"ן

החיפושית שהתחפשה: איך נעלם הצבע של הנחושתית?

על חיפושית ישראלית יפיפה, שצבעיה נעלמים לגמרי בהתבוננות דרך העדשה הימנית של משקפי תלת מימד.

תוכן עניינים

הכירו את נחושתית הקוצים

הכירו את נחושתית הקוצים (שם מדעי: Protaetia cuprea, שם נרדף: Potosia cuprea, שם עממי באנגלית:Copper Flower Chafer ), מין נפוץ בכל ישראל.

נחושתית הקוצים
נחושתית הקוצים, פארק אריאל שרון. צילום: דר' צחי אבנור
נחושתית הקוצים על גדילן מצוי. ואדי יצחיק מעלה אדומים.
נחושתית הקוצים על גדילן מצוי. ואדי יצחקי מעלה אדומים.

חיפושית יפיפה זו ממשפחת הזבליתיים היא בעלת צבע “מתכתי” “בוהק” בצבעים ירוק ונחושת. 

צבעים פיזיקליים/ מבניים

ישנם בעלי חיים רבים ואפילו צמחיה ודומם בעלי צבעים יפים כאלה שנקראים צבעים “פיזיקליים” או צבעים “מבניים”. הצבעים הרגילים שיש בעולם הם צבעים שנוצרים ע”י צבענים (פיגמנטים)צבען אדום למשל, הוא חומר הבולע את כל הצבעים באור הנראה מלבד הצבע האדום. כך האור שמגיע מהחולצה לעין שלנו הוא אור אדום בלבד. האור האדום מעורר רק את המדוך (חיישן צבע ברשתית העין) שרגיש לאורכי גל ארוכים וכך המוח מפרש “החולצה אדומה”. הצבעים המבניים הם צבעים הנובעים לא מצבען (פיגמנט) מסוים אלא מהאינטראקציה של האור עם מיקרו או ננו מבנה מסוים שמחזיר את האור בצורה שיוצרת את הצבעים הססגוניים. הצבע הפיזיקלי הוא למעשה אור שהוחזר מהעצם יותר כמו ממראה מאשר מחולצה ולכן הצבע "בוהק" או "מבריק". ישנם אורגניזמים רבים מאוד בעלי צבעים פיזיקליים וישנם כמה וכמה מנגנונים שונים המייצרים את הצבעים הללו, ועל כך אכתוב בפוסט אחר.

אם מביטים על נחושתית הקוצים היפיפה דרך אחת מהעדשות של משקפי תלת ממד לקולנוע, הצבעים שלה נהיים בוהקים יותר. מאידך, אם מתבוננים עליה דרך העדשה השניה, הפלא ופלא, צבעיה נעלמים לחלוטין והיא נהיית מעין חומה- שחורה!

נחושתית הקוצים דרך משקפי תלת מימד

כיצד זה ייתכן?

את התופעה הזו גילה מייקלסון (כן ההוא מניסוי מייקלסון ומורלי ומדידת מהירות האור) כבר ב-1911. כבר אז שיער מייקלסון כי התופעה קשורה בקיטוב מעגלי של האור ובמבנה בורגי של החיפושית.

קיטוב אור

על מנת להבין את התופעה עלינו ללמוד מהו קיטוב אור:

אור הוא גל אלקטרומגנטי. כלומר אור זו הפרעה מחזורית בשדה החשמלי והמגנטי. אפשר לחשוב על השדה החשמלי כעל ים רגוע. ברגע שזורקים אליו אבן, נוצרת הפרעה שמתפשטת במעגלים סביב הנקודה שאליה נפלה האבן. ההפרעה מזיזה את המים למעלה ולמטה. אם נסתכל על נקודה מסוימת בים נראה שהיא “מתנדנדת”- עולה מעלה ולמטה.

גל בים הוא גל רוחב: גל שבו כיוון ההתנדנדות של החומר הוא מאונך לכיוון התקדמות ההפרעה. למשל גל קרוב לחוף מתקדם לכיוון החוף ואילו המים עולים למעלה ולמטה. בגל אלקטרומגנטי, הים הוא השדה החשמלי והוא גם מתנדנד כמו המים, מתחזק ונחלש בצורה מחזורית. כיוון ההפרעה הוא כיוון ההתקדמות של האור. 

בים, המים רק עולים ויורדים… אבל השדה החשמלי יכול להתנדנד בכיוונים שונים במישור המאונך לכיוון התקדמות האור. 

הכיוון לאורכו מתנדנד השדה החשמלי נקרא קיטוב. 

קיטוב לינארי

מימין אור מקוטב לינארית אנכית ומשמאל אור מקוטב לינארית אופקית.
מימין אור מקוטב לינארית אנכית ומשמאל אור מקוטב לינארית אופקית.

האור תמיד מתקדם במאונך למישור הקיטוב. ישנם כמה סוגי קיטוב:

בקיטוב לינארי השדה החשמלי מתנדנד לאורך קו ישר: 

Polarisation_rectiligne
וקטור השדה החשמלי מתנדנד מצד לצד בקיטוב לינארי. 

נהוג ונוח “לפרק” את וקטור השדה לרכיב אנכי ואופקי. השדה החשמלי בגיף הנ”ל מתנדנד גם קצת ימינה ושמאלה וגם הרבה למעלה למטה. החיבור של הנדנודים בצירים השונים יוצר התנדנדות באלכסון. מה שמדהים בפיזיקה שניתן להתייחס לכל ממד בנפרד ולהניח שאין השפעה של המימד האופקי על האנכי ולהפך.

ניתן "לפרק" את הוקטור a לרכיבים קרטזיים ולעבוד עם כל רכיב בנפרד.

קיטוב מעגלי

ישנו גם קיטוב מעגלי. בקיטוב מעגלי וקטור השדה החשמלי מסתובב. קיטוב מעגלי ימני- עם כיוון השעון וקיטוב מעגלי שמאלי נגד כיוון השעון. 

קיטוב מעגלי. וקטור השדה החשמלי מסתובב נגד כיוון השעון במישור המאונך לכיוון התקדמות ההפרעה.  

זמן המחזור של הסיבוב הזה תלוי באורך גל של האור (או בתדר). באור נראה, אורך הגל של האור מייצג את הצבע של האור. ככל שאורך הגל קצר יותר כך האור כחול- סגול יותר וככל שאורך הגל ארוך יותר כך האור אדום יותר. 

וקטור השדה החשמלי השקול מסתובב אך ניתן לתאר את הגל המקוטב מעגלית גם כסכום לינארי של שני גלים מקוטבים לינארית. כדי ליצור אור מקוטב בדיוק במעגל (ולא במקרה הכללי יותר- אליפסה) הרכיבים של השדה מתנדנדים במשרעת (אמפליטודה) זהה ובהפרש מופע של רבע זמן מחזור. כלומר אחד מהרכיבים “מאחר” אחרי הרכיב השני ברבע זמן מחזור. 

אור מקוטב מעגלית עם כיוון השעון. הוקטור השקול בכל נקודה מתחיל בראשית הצירים ומסתיים בנקודות הנמצאות על המסלול האדום. הרכיבים הקרטזיים של הוקטור הם בירוק ובכחול. הגלים אינם קוהורנטיים, השיא של הכחול מתרחש כאשר הירוק בנק’ שיווי המשקל= הפרש מופע של רבע זמן מחזור. 

האור שמגיע מהשמש הוא אור “מבולגן” כלומר מקוטב בכל הכיוונים בצורה אקראית. כשם שניתן לייצג כל נקודה במישור כערכי (x,y) מסוימים או כערך (r, Θ) מסוימים כך ניתן לייצג כל קיטוב של אור כסכום של גלי אור בעלי קיטוב לינארי בכיוון x וגלי אור בכיוון y. יותר מכך, ניתן להתייחס אל האור המגיע מהשמש כסכום של גלי אור המקוטבים קיטוב מעגלי ימני וגלי אור מקוטבים בקיטוב מעגלי שמאלי. כל גל אור הוא בעל עוצמה ואורך גל שונה על פי ספקטרום הקרינה של אור השמש. 

האור המוחזר מהנחושתית מקוטב מעגלית

כעת נדבר על הנחושתית. הכסותית של הנחושתית (קוטיקולה- מעין עור שקוף קשה, דומה לציפורן) עשויה ממבנה באוליגנד. מבנה באוליגנד הוא מבנה  של שכבות דקות שכל שכבה מסובבת מעט ביחס לשכבה הקודמת. מבנה זה הוא בורגי ויתרונו הוא החוזק והעמידות שלו. יש לו יותר דרגות חופש להתנועע וכך הוא יכול להתכוונן תחת לחצים שונים ולא להשבר. גם הסדקים מתפתחים בקושי רב יותר מבנה כזה. לחיפושיות דרוש שריון עמיד וחזק כמו גם לאלה של חסילון גמל שלמה ושל סרטנים מסוימים. ישנם גם קשקשים עם מבנה באוליגנד בדגים מסוימים (חזקים). 

© 2014 The Authors. Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/)
מבנה באוליגנד- מבנה עמיד במיוחד. כל שכבה עשויה סיבי כיטין ומסובבת מעט מקודמתה. אורך המבנה כך שהכיוון של הסיבים חוזר לכיוון המקורי בפעם השניה (מעין אורך גל של המבנה) נקרא Pitch ומסומן האות P.

כל שכבה במבנה הזה עשויה מסיבים של כיטין.  מקדמי השבירה עבור אור מקוטב במקביל לסיבים ואור מקוטב במאונך לסיבים  אינם זהים. כאשר האור עובר משכבה אחת לאחרת, אם הכיוון של וקטור השדה החשמלי ביחס לכיוון הסיבים משתנה, אזי האור חווה מעבר מתווך לתווך ואז חלקו נשבר ועובר, חלקו מוחזר וחלקו נבלע. במעבר לשכבה הבאה זה קורה בשנית וכו’ ככה שקשה מאוד לאור לעבור את המבנה הזה. רק אור שאורך הגל שלו או התדר שלו, תואם לקצב סיבוב השכבות במבנה עובר בקלות את המבנה. כלומר כאשר וקטור השדה החשמלי מסתובב קצת במעבר מהשכבה הראשונה לשניה, גם השכבה מסובבת בדיוק באותה המידה וכך האור לא “מרגיש” מעבר מתווך לתווך אלא המעבר בין השכבות הוא חלק והקיטוב של האור תמיד באותה אוריינטציה ביחס לכיוון של סיבי הכיטין. 

Muñoz, Eloy & Järrendahl, Kenneth & Arwin, H. & Mendoza-Galvan, Arturo. (2014). Symmetries and relationships between elements of the Mueller matrix spectra of the cuticle of the beetle Cotinis mutabilis. Thin Solid Films. 571. 10.1016/j.tsf.2013.11.144. 
באיור ניתן לראות כי וקטור השדה החשמלי נמצא תמיד באוריינטציה זהה ביחס לסיבים. בצורה זו, האור אינו חווה שינוי במקדמי השבירה ולכן אינו נשבר ואינו מוחזר אלא עובר בקלות משכבה לשכבה. 

לכן האור שמוחזר מהכסותית של החיפושית צריך לקיים שני תנאים:

1. האור מקוטב מעגלית באותה אוריינטציה כמו כיוון סיבוב שכבות הכיטין. 

2. אורך הגל של האור או קצב הסיבוב של הוקטור החשמלי חייב להיות זהה לקצב מעבר האור משכבה לשכבה.

אמרנו שניתן להסתכל על האור מהשמש כחציו מקוטב מעגלית ימנית וחציו מעגלית שמאלית. כלומר כבר חצי מהאור מתאים לתנאי 1. לגבי תנאי 2 זה משאיר לנו רק אור בצבע מסוים. כלומר אורך תא במבנה באוליגנד או קצב סיבוב השכבות קובע את הצבע המוחזר מהחיפושית. 

מטורף לא?? 

לא ממש יודעים אם העובדה שהאור החוזר מהנחושתית הוא אור מקוטב מעגלי תורם לה משהו מבחינה אבולוציונית ואם היא בכלל מבחינה בין אורות מקוטבים מעגלית לבין אורות בקיטובים אחרים. הייתכן שההחזרה של אור מקוטב מעגלית היא רק תופעת לוואי של הצורך של החיפושית בשריון קשה וחזק?

מקטב מעגלי

מה עושה המקטב המעגלי?  

מקטב מעגלי אתם אפילו יכולים להכין בבית בעצמכם. מה שצריך הוא מקטב לינארי (יש במשקפי שמש מסוימים) ודבק סלוטייפ. דבק סלוטייפ הוא צלופן מאוד מתוח בעל תכונות של שבירה כפולה (מקדמי שבירה שונים בצירים שונים). צלופן למעשה משמש כלוחית רבע גל. את רכיב האור המקביל לציר אחד של הלוחית הוא מעביר בלי שום מניפולציה ואילו את הרכיב המאונך לו, הלוחית מעכבת ברבע זמן מחזור. כך יוצא שאם מדביקים את הסלוטייפ ב45 מעלות מכיוון הקיטוב במקטב לינארי הסלוטייפ יעכב ברבע זמן מחזור רק רכיב אחד של האור ואת הרכיב המאונך לו הוא יעביר ללא עיכוב וכך יווצר קיטוב מעגלי. 

ראו גם: אומנות באור מקוטב מעגלית.

 טכנולוגית קולנוע בתלת ממד מבוססת על הפרדה בין מה שרואה כל עין. מצלמים את הסרט בשתי מצלמות כך שכל מצלמה מצלמת מה שאחר כך תראה עין אחת. אח”כ צריך להקרין על המסך את שני הסרטים, ולהוסיף משקפיים שיפלטרו את התמונה ל-2 סרטים, כל עין רואה סרט אחר. דרך אחת לעשות זאת היא באמצעות שני מקטבים מעגליים בעלי אוריינטציה הפוכה. הנחושתית מחזירה אור מקוטב מעגלית נגד כיוון השעון. כל האורגניזמים על פני כדור הארץ המחזירים אור מקוטב מעגלית תמיד מחזירים נגד כיוון השעון וזו תעלומה בפני עצמה למה כולם מחזירים אור באותה אוריינטאציה. 

לכן כאשר מסתכלים דרך הפילטר הימני במשקפיים רואים רק אור מקוטב ימנית, ולכן החיפושית מאבדת את צבעיה הססגונים והופכת חומה. כאשר מסתכלים דרך הפילטר השמאלי, המעביר רק אור מקוטב מעגלית שמאלית, הצבעים של החיפושית אפילו מתחדדים. 

להתבונן בחיפושית ובבבואתה

ועכשיו קבלו המשך מטורף… מה קורה כשמסתכלים על הבבואה של החיפושית דרך המקטב? 

המראה הופכה את האוריינטרציה של הקיטוב המעגלי של האור!

המשך חקירת החיפושית באוניברסיטת תל אביב

תלמידה שלי עשתה השנה עבודה על הנחושתית. ניסינו להבין איך המנגנון עובד וכתבנו למומחים שונים. מומחה אחד, פבל המדען, הזמין אותנו לבוא לנסות לסרוק את החיפושית במיקרוסקופ סורק אלקטרונים. נסענו גם למוזיאון הטבע ע”ש שטיינהרדט באוניברסיטת תל אביב. 

את האוצר של אוסף החיפושיות במוזיאון, לייבלה פרידמן, הכרתי כשעשינו מחנה אקולוגי ביחד בבקעת הורקניה. הסתובבנו חבורה של אנשים מתעניינים בבקעת הורקניה וחיפשנו ציפורים, זוחלים, נחשים, חרקים, צמחייה ולמעשה כל דבר. לייבלה שאף חרקים וזבובים לתוך מבחנות ותפס עוד חרקים באמצעות רשתות. בלילה ישנו במערה של השומרוני הטוב. למרות שאני גרה כמה דקות נסיעה משם, הרגשתי כבוד לישון במערה שבה התאכסנו כל כך הרבה אורחים במהלך ההיסטוריה. בעשר בלילה לייבלה עוד ישב מול שולחן מאולתר עם מנורת לילה ושיפד חיפושיות למען המדע. אח”כ התחלתי לעבוד כעוזרת מחקר במעבדה האנטמולוגית לאקולוגיה יישומית באוניברסיטת תל אביב ואז התחלתי בעצמי לשאוף חרקים למבחנות. כך זכיתי להכיר את לייבלה בשנית במרתפי המעבדות באוניברסיטה. ביקשתי מלייבלה להסתכל על חיפושיות באוסף ולחפש עוד תופעות אופטיות מעניינות. הגעתי חמושה במקטבים ולייבלה נאות להראות לי: 

לייבלה פרידמן באוסף החיפושיות במוזיאון הטבע
תוכלו לזהות מתי רואים דרך מקטב מעגלי שמאלי ומתי ללא מקטב?

יש גם כמה נחושתיות בצבע סגול. מעניין לחקור למה הן בצבע אחר- האם מוטציה גנטית? אולי התנאים בהם החיפושית הייתה גרמו להתקצרות מבני הבאוליגנד שלה? פה יכולה להיכנס הפיזיקה למחקר הביולוגי

גנטיקה או סביבה? מדוע הנחושתיות הללו סגולות?

ויש גם המשך. באחת ההתייעצויות שלי ושל התלמידה עם מומחים שמצאנו בגוגל, הזמינו אותנו לבוא לסרוק את החיפושית במיקרוסקופ סורק אלקטרונים. עבודה זו לוקחת זמן ולכן זה עוד לא מוכן. בנתיים קבלו תמונות ממיקרוסקופ רגיל ואעדכן!

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *