珍珠是怎樣變成圓形的

珍珠 Image copyright thinkstock
Image caption 當有沙粒或寄生生物等外來微粒進入牡蠣、蛤蚌和貽貝的軟體後,便會形成珍珠。

自然界中的防禦機制多種多樣,而其中最具美感、最打動人心的一種當屬珍珠的形成過程——當有沙粒或寄生生物等外來微粒進入牡蠣、蛤蚌和貽貝的軟體後,便會形成珍珠。

當防線被破壞後,這些生物體便會將入侵者包裹在珍珠質裏,這是一種堅硬的閃光材料,又稱珍珠母。最終生成的珍珠可能呈現多種顏色,白色、灰色、黑色、紅色、藍色、綠色和黃色。由於珍珠廣受人們喜愛,所以催生了有著數千年歷史的珍珠捕撈業。如今,印度洋、東亞和太平洋各地的牡蠣農場都在收獲珍珠,養殖戶會將圓形珠子塞進貝殼動物的軟體內,將其作為種子來人工增加珍珠產量。

然而,儘管擁有如此悠久的歷史,而且極具經濟價值,但我們至今仍未完全理解珍珠的形成過程。我們知道,珍珠可以呈現多種形狀,例如細長形和橢圓形,或者適合做成耳墜的淚珠形。還有一種不規則的巴洛克珍珠,就像在一端加上了一些焊接斑點一樣。但最受追捧的還是正圓形的珍珠。

珍珠往往都是「旋轉體」形態——也就是完美的旋轉對稱形態,只要圍繞一個軸旋轉一條曲線即可實現。這些都是不完美的圓形或者卵形,但周圍往往會留下一些線條和圓環,就像用車牀加工過一樣。仔細思考一下,你會發現這是一種自然界很罕見的形狀。

事實上,科學家最近證實了珍珠養殖戶長久以來的一項猜測:他們認為,具有旋轉對稱形態的珍珠其實是「轉出來的」——也就是說,它們會在貝殼動物的軟體內邊生長邊轉動。2005年發表在法語期刊《des Perliculteurs》上的一份報告發現,珍珠大約每20天左右旋轉一次。這也可以解釋這種旋轉對稱形態的成因:沿著轉軸的所有生長差異都會在整個圓周上留下印記。

可是,究竟是什麼促使珍珠旋轉的呢?西班牙國家研究委員會的晶體生長專家朱利安·卡特賴特(Julyan Cartwright)和他的同事給出了一種可能的解釋。

棘輪結構

珍珠質是一種奇異的材料,它主要由礦物霰石組成,這是碳酸鈣的一種形式(粉筆和大理石的主要成分也都是碳酸鈣)。這種礦物質以薄片的形式一層層地堆疊在一起,然後用較為柔軟的有機蛋白質膜和殼質(昆蟲表皮和蝦殼的主要成分)「粘」在一起。這種鬆散連接的硬層結構使得珍珠質極其堅硬,並且具備抗裂性。也正因如此,科學家才希望能夠通過人工合成的方式模擬這種材料。它反射光線時還能生成光波干擾,呈現五顏六色的耀眼效果。

組成珍珠質的化學物質是由負責生成軟體動物外殼的細胞分泌的。多層同時增長便可在珍珠表面形成「梯田」——只有在顯微鏡下才能看到。卡特賴特和他的同事認為,這些梯田是珍珠旋轉的關鍵。

他們表示,隨著新的鈣和碳酸離子,或者殼質或蛋白質分子,粘到一個梯田的台階上,並且成為這種正在生長的晶體的一部分時,就會釋放出能量,溫暖整個表面。周圍液體中的水分子從階梯邊緣上彈開,在這一過程中獲得熱能。得益於動量守恆定律,便會向相反的方向產生一股很小的作用力。

如果表面的梯田階梯都是隨機朝向的,這些作用力就會相互抵消。但這些梯田卻都像地球的經度線一樣平行排列,從而在珍珠表面形成了像棘輪一樣的結構。由於存在這種棘輪外形,所以暖水分子的微弱作用力都會朝向同一個方向,導致正在生長的珍珠發生旋轉。研究人員估計,直徑1厘米的珍珠受到的這種作用力約為0.1牛頓——大約相當於一個草莓的質量——這便可以實現與實際觀察基本相符的旋轉速度。

研究人員承認,他們的觀點還存在一些差異,但這一理念或許可以用於製作小型自旋電機。但不要擔心:他們還沒有發明永動機。這種旋轉的動力來自結晶化學反應中釋放的熱量,結晶完成後就會停止——換句話說,當「燃料」耗盡後,也就無法繼續旋轉。

請訪問 BBC Future 閱讀 英文原文

(責編:林杉)

更多有關此項報導的內容