珍珠是怎样变成圆形的

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Image caption 当有沙粒或寄生生物等外来微粒进入牡蛎、蛤蚌和贻贝的软体后,便会形成珍珠。

自然界中的防御机制多种多样,而其中最具美感、最打动人心的一种当属珍珠的形成过程——当有沙粒或寄生生物等外来微粒进入牡蛎、蛤蚌和贻贝的软体后,便会形成珍珠。

当防线被破坏后,这些生物体便会将入侵者包裹在珍珠质里,这是一种坚硬的闪光材料,又称珍珠母。最终生成的珍珠可能呈现多种颜色,白色、灰色、黑色、红色、蓝色、绿色和黄色。由于珍珠广受人们喜爱,所以催生了有着数千年历史的珍珠捕捞业。如今,印度洋、东亚和太平洋各地的牡蛎农场都在收获珍珠,养殖户会将圆形珠子塞进贝壳动物的软体内,将其作为种子来人工增加珍珠产量。

然而,尽管拥有如此悠久的历史,而且极具经济价值,但我们至今仍未完全理解珍珠的形成过程。我们知道,珍珠可以呈现多种形状,例如细长形和椭圆形,或者适合做成耳坠的泪珠形。还有一种不规则的巴洛克珍珠,就像在一端加上了一些焊接斑点一样。但最受追捧的还是正圆形的珍珠。

珍珠往往都是“旋转体”形态——也就是完美的旋转对称形态,只要围绕一个轴旋转一条曲线即可实现。这些都是不完美的圆形或者卵形,但周围往往会留下一些线条和圆环,就像用车床加工过一样。仔细思考一下,你会发现这是一种自然界很罕见的形状。

事实上,科学家最近证实了珍珠养殖户长久以来的一项猜测:他们认为,具有旋转对称形态的珍珠其实是“转出来的”——也就是说,它们会在贝壳动物的软体内边生长边转动。2005年发表在法语期刊《des Perliculteurs》上的一份报告发现,珍珠大约每20天左右旋转一次。这也可以解释这种旋转对称形态的成因:沿着转轴的所有生长差异都会在整个圆周上留下印记。

可是,究竟是什么促使珍珠旋转的呢?西班牙国家研究委员会的晶体生长专家朱利安·卡特赖特(Julyan Cartwright)和他的同事给出了一种可能的解释。

棘轮结构

珍珠质是一种奇异的材料,它主要由矿物霰石组成,这是碳酸钙的一种形式(粉笔和大理石的主要成分也都是碳酸钙)。这种矿物质以薄片的形式一层层地堆叠在一起,然后用较为柔软的有机蛋白质膜和壳质(昆虫表皮和虾壳的主要成分)“粘”在一起。这种松散连接的硬层结构使得珍珠质极其坚硬,并且具备抗裂性。也正因如此,科学家才希望能够通过人工合成的方式模拟这种材料。它反射光线时还能生成光波干扰,呈现五颜六色的耀眼效果。

组成珍珠质的化学物质是由负责生成软体动物外壳的细胞分泌的。多层同时增长便可在珍珠表面形成“梯田”——只有在显微镜下才能看到。卡特赖特和他的同事认为,这些梯田是珍珠旋转的关键。

他们表示,随着新的钙和碳酸离子,或者壳质或蛋白质分子,粘到一个梯田的台阶上,并且成为这种正在生长的晶体的一部分时,就会释放出能量,温暖整个表面。周围液体中的水分子从阶梯边缘上弹开,在这一过程中获得热能。得益于动量守恒定律,便会向相反的方向产生一股很小的作用力。

如果表面的梯田阶梯都是随机朝向的,这些作用力就会相互抵消。但这些梯田却都像地球的经度线一样平行排列,从而在珍珠表面形成了像棘轮一样的结构。由于存在这种棘轮外形,所以暖水分子的微弱作用力都会朝向同一个方向,导致正在生长的珍珠发生旋转。研究人员估计,直径1厘米的珍珠受到的这种作用力约为0.1牛顿——大约相当于一个草莓的质量——这便可以实现与实际观察基本相符的旋转速度。

研究人员承认,他们的观点还存在一些差异,但这一理念或许可以用于制作小型自旋电机。但不要担心:他们还没有发明永动机。这种旋转的动力来自结晶化学反应中释放的热量,结晶完成后就会停止——换句话说,当“燃料”耗尽后,也就无法继续旋转。

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(责编:林杉)

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