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Optik: Wie kommt die Farbe ins Chamäleon?

Die Echse kann in Sekundenschnelle ihre Farbe wechseln. Wie macht sie das bloß? Forschungsergebnisse zeigen: Photonische Kristalle färben mit.
Nahaufnahme der Haut eines Chamäleons

Von Grün auf Gelb in nur einer Minute – das Chamäleon fasziniert von jeher mit seinem Farbenspiel. Bis jetzt erklärte man sich das bunte Treiben der Echsen lediglich damit, wie sie Pigmente in ihrer Haut verteilen. Dass das nur die halbe Wahrheit ist, hat ein Team um den Forscher Michel Milinkovitch von der Universität Genf herausgefunden. Tatsächlich verfärben sich Chamäleons nicht nur durch die Wirkung ihrer Farbstoffe, sondern auch durch so genannte photonische Kristalle.

Die schillernden Farben von Schmetterlingen und Käfern kommen ebenfalls durch photonische Kristalle zu Stande. Darunter versteht man eine regelmäßige Anordnung zweier transparenter Materialien, die das Licht jeweils unterschiedlich stark brechen. Indem er nur bestimmte Wellenlängen des Lichts reflektiert, erzeugt der Kristall einzelne Farben.

Beim Chamäleon besteht der photonische Kristall aus Guanin-Nanokristallen, die in transparente Zellen eingebettet sind. Guanin ist einer der vier Bausteine der DNA und als Kristall transparent – oder erzeugt einen glänzenden Schimmer, weswegen es auch in Shampoos, Nagellacken oder anderen Schönheitsprodukten eingesetzt wird. Indem das Chamäleon die Abstände zwischen den Guanin-Nanokristallen verändert, reflektieren diese nur bestimmte Wellenlängen – die Echse wechselt ihre Farbe.

© Michel C. Milinkovitch, Universität Genf
Farbe-wechsel-dich im Pantherchamäleon (Furcifer pardalis)

Allerdings ist dieser Mechanismus nicht der einzige, der für die Farbänderung verantwortlich ist; nur war bisher nicht klar, in welchem Ausmaß er daran beteiligt ist. Bis jetzt machte man vor allem Pigmente der Chamäleons für die bunte Haut verantwortlich. Wie viele Reptilien besitzen Echsen mehrere Farbstoffe in ihren Zellen, die deswegen farbig wirken, weil sie bestimmte Wellenlängen absorbieren. Gelbe Pigmente absorbieren zum Beispiel die Farbe Blau – unser Auge nimmt das Licht ohne diese Wellenlängen als gelb wahr. Je nachdem wie Chamäleons nun diese Pigmente verteilen – ob sie sie an einem Punkt sammeln oder über die Zelle verstreuen –, wirken die Farben unterschiedlich dominant und hell.

Offenbar braucht es die Kombination aus beiden Effekten, um den Echsen ihr buntes Äußeres zu geben: So erzeugt ein Chamäleon die Farbe Grün, indem es zum einen seine gelben Pigmente nutzt und zum anderen seine darunterliegenden photonischen Kristalle die blauen Wellenlängen reflektieren lässt. In unserem Auge mischen sich die Farben – und ergeben Grün.

© Michel C. Milinkovitch, Universität Genf
Von Grün auf Gelb
Um die gelbe Farbe zu erzeugen, vergrößert das Chamäleon die Abstände zwischen den Nanokristallen. Statt der kurzen blauen werden so die langen gelben Wellenlängen zurückgeworfen.
Farbwechsel unterm Mikroskop
Entnommene Hautzellen eines Chamäleons können in Lösung so modifiziert werden, dass sich die Abstände zwischen den Guanin-Kristallen verkleinern. Durch den geringeren Abstand verringern sich auch die reflektierten Wellenlängen – so dass die Hautzellen am Ende in Grün-Blau erstrahlen.

Als sich die Forscher die Haut der Chamäleons unter dem Mikroskop anschauten, fanden sie jedoch noch mehr heraus: Die Echsen besitzen zwei Schichten der Guanin-Kristalle, wobei nur die obere zur Erzeugung der Farbenpracht dient. Die untere Schicht besteht aus größeren Kristallen, die weniger ausgerichtet vorliegen und vermutlich einen anderen Zweck haben: Sie bilden einen »Sonnenschutz« für die Echsen. Denn die Schicht reflektiert vor allem im infraroten Bereich; Strahlung also, die man als Wärmestrahlung von der Sonne kennt.

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