Cấu chúc màu ở cá betta

Một con cá của S. Khumhom.Cá betta có màu sắc rất đa dạng. Bằng chứng là chúng có vô số màu từ đỏ, xanh dương, xanh lục, trắng, đen và những màu khác nữa. Các tế bào sắc tố (chromatophore) tạo ra màu sắc mà chúng ta thấy. Tế bào sắc tố ở cá betta chia làm hai nhóm chính dựa trên cơ chế tạo màu của chúng. Một số tế bào chứa sắc tố (pigment) hay chất hoá học mà chúng phản chiếu một màu cố định và hấp thu những màu khác. Các màu đỏ và đen là ví dụ về những loại màu như vậy ở cá betta. Những màu khác, chẳng hạn như xanh lục, xanh dương và xanh thép có cơ chế hoạt động hoàn toàn khác. Những màu ánh kim này được tạo ra bởi chất hoá học vốn không màu nhưng lại tạo ra màu sắc thông qua tương tác vật lý với ánh sáng ở lớp bề mặt. Những màu như vậy được gọi là màu cấu trúc để phân biệt với những màu được tạo ra bởi sắc tố.
Để hiểu rõ cơ chế hình thành của màu cấu trúc, chúng ta cần làm rõ hai vấn đề mà chúng dường như rất quen thuộc đối với mọi người nhưng hiếm khi được nhắc đến. Vấn đề thứ nhất đó là khi ánh sáng chiếu qua một bề mặt trong suốt, một ít ánh sáng sẽ bị phản xạ lại trong khi đa số xuyên qua nó. Một hình ảnh quen thuộc đối với mọi người đó là mặt hồ phẳng lặng phản chiếu hình ảnh của bầu trời. Một ít ánh sáng sẽ phản xạ lại khi chiếu vào mặt nước trong khi hầu hết đi xuyên qua giao diện không khí/nước.

Bây giờ đến vấn đề thứ hai hơi phức tạp hơn vấn đề đầu một chút. Giả sử rằng có đến hai giao diện, chẳng hạn được tạo ra bởi một lớp dầu mỏng trên mặt nước. Như vậy chúng ta có đến hai bề mặt. Ánh sáng sẽ đi đến giao diện không khí/dầu và một phần phản xạ ngược lại không khí trong khi phần khác đi xuyên qua (hình 1). Giờ đây ánh sáng đi trong lớp dầu đến bề mặt thứ hai tức giao diện dầu/nước. Một phần ánh sáng lại bị phản xạ ở đó trong khi số khác tiếp tục đi xuyên vào nước. Bây giờ chúng ta có hai bề mặt phản xạ và sự kết hợp đơn giản này có khả năng tạo ra một phổ màu mà bằng chứng là mọi người thường nhìn thấy vô số màu sắc như cầu vồng trên các vệt dầu loang.

Hình 1. Ánh sáng phản xạ trên cả hai bề mặt của một lớp chất liệu mỏng trong suốt (nguồn http://online.cctt.org/physicslab)

Để hiểu rõ tại sao vệt dầu loang lại tạo ra màu sắc, trước tiên chúng ta nên nhớ rằng ánh sáng là tập hợp của những sóng ánh sáng. Mỗi sóng ánh sáng đều được mô tả bằng hai thông số, biên độ và bước sóng. Ví như sóng biển tràn vào bờ, những con sóng nằm đè lên nhau có bước sóng ngắn, còn những con sóng rời rạc lại có bước sóng dài. Bước sóng là độ dài từ đỉnh búp sóng này đến đỉnh kế tiếp. Biên độ là chiều cao của con sóng.

Bởi vì ánh sáng có tính chất sóng, nó có thể được mô tả bằng biên độ và bước sóng. Một cách cụ thể, bước sóng ánh sáng thể hiện màu sắc của nó. Ánh sáng với bước sóng 650 nano mét có màu đỏ, 590 nm màu cam, 570 nm màu vàng, 510 nm màu xanh lục, 475 nm màu xanh dương và vân vân. Nano mét là đơn vị rất nhỏ, bằng 1 phần tỷ của một mét. Vì vậy, khi chúng ta thấy một bề mặt có màu xanh điều đó có nghĩa là bước sóng ánh sáng phản chiếu từ bề mặt đó nằm trong tầm 475 nm.

Chúng ta có thể sử dụng tính chất sóng của ánh sáng để suy luận rằng những gì chúng ta nhìn thấy có thể không xuất phát từ một bề mặt đơn giản mà từ những cấu trúc phức tạp hơn chẳng hạn như từ vệt dầu loang. Nếu có hai sóng cùng phát ra, kết quả thu được sẽ là tổng của cả hai tại mỗi vị trí. Hãy nhìn hình 2. Giả sử rằng hai sóng âm thanh ở hình 2 (a) được phát ra từ cùng nguồn và cùng một khoảng cách đến tai người nghe. Hai âm thanh sẽ trộn lẫn vào nhau và cường độ mà bạn nghe được bằng tổng của cả hai.

Hình 2. Giao thoa sóng có thể làm gia tăng (a) hay triệt tiêu (b) lẫn nhau (nguồn http://acept.la.asu.edu/PiN).

 Bây giờ hãy tưởng tượng rằng âm thanh không phát ra từ cùng một nguồn mà từ những nguồn khác nhau. Cũng vậy, như ở hình 2 (b), âm thanh nghe được sẽ là tổng của hai sóng âm nhưng bây giờ bạn sẽ nghe thấy nhỏ đi hoặc không còn nghe thấy gì cả. Lý do bởi vì hai sóng âm triệt tiêu lẫn nhau, cũng giống như sóng tạo ra bởi hai con thuyền máy chạy cạnh nhau vậy. Thậm chí, nguyên tắc này còn được sử dụng trong công nghệ chống nhiễu cho tai nghe. Tai nghe phát ra sóng ngược pha với nhiễu từ môi trường và nhiễu sẽ bị triệt tiêu.

Bây giờ quay trở lại vệt dầu loang. Chúng ta biết rằng ánh sáng mà chúng ta thấy được phản chiếu từ cả hai giao diện, không khí/dầu và dầu/nước. Bây giờ, nếu lệch pha giữa sóng phản xạ từ hai bề mặt là đúng một bước sóng thì màu sắc sẽ được củng cố. Những màu khác phản xạ từ cùng bề mặt nhưng lệch pha sẽ bị suy giảm hay ngược pha thì sẽ bị triệt tiêu hoàn toàn. Khi chúng ta nhìn thấy ánh sáng phản xạ từ lớp váng mỏng, một màu nhất định xuất hiện bởi vì bước sóng tương ứng được củng cố như hình 2 (a), trong khi những màu khác bị giới hạn hay triệt tiêu hoàn toàn như hình 2 (b).

Những lý luận dông dài ở trên nhằm đưa tới một kết luận ngắn gọn. Bản chất vật lý của sự giao thoa ánh sáng ở mặt trên và mặt dưới của lớp chất liệu với chỉ số khúc xạ khác biệt thì giống hệt với môi trường tạo ra các màu cấu trúc ở cá betta. Tế bào ánh kim ở cá betta và những loài cá khác chứa những tinh thể dạng đĩa (platelet). Đĩa tinh thể vốn không màu nhưng lại phản xạ ánh sáng rất mạnh. Tế bào cấu trúc bao gồm một chồng gồm nhiều đĩa (hình 3). Do đó, chúng tạo ra màu sắc theo cách của vệt dầu loang bằng hiệu ứng kết hợp những chồng đĩa đồng nhất về chất liệu và độ dày mà mỗi mặt của đĩa đều củng cố cho cùng một bước sóng ánh sáng.

Hình 3. Sơ đồ mô tả sự giao thoa của các tia sáng trong một chồng màng mỏng tương tự như ở các đĩa của tế bào ánh kim.

 Nhà thơ người Anh, John Keats tuyên bố rằng người cùng thời đại với ông, Isaac Newton đã tước đoạt vẻ đẹp của cầu vồng bằng việc giải thích về màu sắc của chúng chỉ là một hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Tôi hy vọng rằng những giải thích ở trên, mà lần đầu được mô tả bởi Thomas Young vào năm 1801, sẽ không hề làm những người yêu thích cá cảnh mất hứng thú thưởng thức màu sắc lấp lánh của cá betta ánh kim.