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龙虾颜色的量子原因

                                     

                      龙虾颜色的量子原因

 

就像龙虾被煮熟,清晨/开始从黑色变成红色 17世纪的赛缪尔巴特勒在他的讽刺诗《胡迪布拉斯》里写道。但是直到今天之前,没人确切知道为什么龙虾被煮熟后会变颜色。

  一组荷兰科学家提供了答案。他们说,这种显著的颜色变化有一个植根于量子理论的精细解释。

  化学家知道龙虾的颜色是由于一种叫做虾青素的颜料分子。它附着在甲壳蛋白上。ASTA虾青素是一种类胡萝卜素颜料,是许多动植物表现出明亮的红色的原因,包括桔子、西红柿和一些鸟类的羽毛。

  当龙虾被煮熟之后,它的甲壳蛋白因为热而伸展开,附着在上面的虾青素脱落。这种自由的虾青素是红色的,正如绝大多数类胡萝卜素的颜色。这就让龙虾带上了那种新鲜烹调的(红)颜色。但是化学家对于活龙虾的蓝黑色感到困惑。

 

 

                                                 


  

荷兰莱顿大学的Francesco Buda和他的同事最近弄清了当虾青素被嵌入甲壳蛋白之后,它到底发生了什么事。他们在《美国化学会杂志》上报告了他们的研究结果。


  红移

  红色颜料吸收蓝色和绿色的光,反射光谱中的红色部分。当虾青素与甲壳蛋白结合的时候,它的吸收范围扩展到了光谱中波长更长(更红)的部分。这就意味着它吸收所有的可见光,因此这种颜料就变成了黑色。

  我们眼睛里的视锥细胞也有类似的过程。在这些细胞中,一个(视网膜的)颜料分子被蛋白质外套调解成可以吸收不同波长的光。

  有一个理论已经被科学家讨论了很多年:甲壳蛋白分子的骨架扭曲了虾青素,让其吸收范围跨过了整个可见光谱。这正如通过截短或加长钢琴线,从而改变它的共振频率。

  但是Buda和他的同事已经计算出了虾青素的量子能态。结果表明,仅仅是改变虾青素的形状,只能引起1/3的吸收波长范围的移动。形状的改变不能让这种颜料从红色变成黑色。

  另一个理论是,ASTA虾青在(甲壳)蛋白内带上了电荷。但是荷兰的科学家通过使用一种叫做核磁共振频谱的技术,排除了这种可能性。


  暗干涉

  2002年,科学家发现在甲壳蛋白中的虾青素分子成对结合,它们相互穿越,形成了X型。荷兰的这组科学家在此基础上进行了研究。他们的计算结果表明,这种虾青素分子的配对意味着两个分子相互干涉,就像相邻电线的电信号串扰。这改变了它们的量子能态,从而改变了它们能吸收的光的波长,这可以解释大部分的吸收波长范围的移动。

  花了这么长时间才解决这个问题,这真让人吃惊,”Buda说。但是他承认。只是在最近510年中,计算机才能够处理那些棘手的量子力学计算问题。

  References:

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

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