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龍蝦顏色的量子原因

                                     

                      龍蝦顏色的量子原因

 

就像龍蝦被煮熟,清晨/開始從黑色變成紅色 17世紀的賽繆爾巴特勒在他的諷刺詩《胡迪布拉斯》里寫道。但是直到今天之前,沒人確切知道為什么龍蝦被煮熟后會變顏色。

  一組荷蘭科學家提供了答案。他們說,這種顯著的顏色變化有一個植根于量子理論的精細解釋。

  化學家知道龍蝦的顏色是由于一種叫做蝦青素的顏料分子。它附著在甲殼蛋白上。ASTA蝦青素是一種類胡蘿卜素顏料,是許多動植物表現出明亮的紅色的原因,包括桔子、西紅柿和一些鳥類的羽毛。

  當龍蝦被煮熟之后,它的甲殼蛋白因為熱而伸展開,附著在上面的蝦青素脫落。這種自由的蝦青素是紅色的,正如絕大多數類胡蘿卜素的顏色。這就讓龍蝦帶上了那種新鮮烹調的(紅)顏色。但是化學家對于活龍蝦的藍黑色感到困惑。

 

 

                                                 


  

荷蘭萊頓大學的Francesco Buda和他的同事最近弄清了當蝦青素被嵌入甲殼蛋白之后,它到底發生了什么事。他們在《美國化學會雜志》上報告了他們的研究結果。


  紅移

  紅色顏料吸收藍色和綠色的光,反射光譜中的紅色部分。當蝦青素與甲殼蛋白結合的時候,它的吸收范圍擴展到了光譜中波長更長(更紅)的部分。這就意味著它吸收所有的可見光,因此這種顏料就變成了黑色。

  我們眼睛里的視錐細胞也有類似的過程。在這些細胞中,一個(視網膜的)顏料分子被蛋白質外套調解成可以吸收不同波長的光。

  有一個理論已經被科學家討論了很多年:甲殼蛋白分子的骨架扭曲了蝦青素,讓其吸收范圍跨過了整個可見光譜。這正如通過截短或加長鋼琴線,從而改變它的共振頻率。

  但是Buda和他的同事已經計算出了蝦青素的量子能態。結果表明,僅僅是改變蝦青素的形狀,只能引起1/3的吸收波長范圍的移動。形狀的改變不能讓這種顏料從紅色變成黑色。

  另一個理論是,ASTA蝦青在(甲殼)蛋白內帶上了電荷。但是荷蘭的科學家通過使用一種叫做核磁共振頻譜的技術,排除了這種可能性。


  暗干涉

  2002年,科學家發現在甲殼蛋白中的蝦青素分子成對結合,它們相互穿越,形成了X型。荷蘭的這組科學家在此基礎上進行了研究。他們的計算結果表明,這種蝦青素分子的配對意味著兩個分子相互干涉,就像相鄰電線的電信號串擾。這改變了它們的量子能態,從而改變了它們能吸收的光的波長,這可以解釋大部分的吸收波長范圍的移動。

  花了這么長時間才解決這個問題,這真讓人吃驚,”Buda說。但是他承認。只是在最近510年中,計算機才能夠處理那些棘手的量子力學計算問題。

  References:

  1. Lobster colour has quantum cause,Nature News |Story|

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