变色龙变色的原理是色素变色和晶体折射变色。变色龙变色的原理有两种理论，第一种是色素变色。变色龙的皮肤中有三层色素细胞。在神经的刺激下，每一层色素细胞中的色素会实现混合和转化，从而导致变色。第二种是晶体折射变色。在变色龙皮肤的彩虹细胞层中有一种叫做“光子晶体”的纳米物质，变色龙通过调整这些“光子晶体”进而来改变光的折射从而改变颜色。一般来说，当光子晶体密集时，它折射蓝光，而当光子晶体松散时，它折射其他颜色，如黄色和红色等等。
变色龙之所以会变色，取决于它皮肤的三层色素细胞，与其他的爬行动物不同的是，变色龙身体颜色的转变取决于皮肤表层内的色素细胞，在这些色素细胞中充满着不同颜色的色素。
纽约康奈尔大学生物系的安德森对变色龙的“变色原理”进行了详细解释：变色龙皮肤里有三层色素细胞，最深的一层是由承载黑素细胞构成的，其中细胞带有的黑色素可与上一层细胞相互交融，中间层是由鸟嘌呤细胞构成，它主要调控暗蓝色素，最外层细胞则主要是黄色素和红色素。
当变色龙的眼睛感觉到外界颜色发生变化时，这种信息会促使皮肤的色素细胞发生变化从而变色，变色龙皮肤里的每个细胞中，都有着四种色素：红、黄、储（即棕色）、绿。这四种色素，都会一忽儿扩张，一忽儿收缩。
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