珍珠为何可以那么圆满无缺

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨，原文标题：《这种惊人的对称之谜，终于被揭开》，头图来自：视觉中国

一

当沙粒、碎片等“刺激物”进入到牡蛎、贻贝等一些软体动物体内时，这些软体动物会通过在这些刺激物的周围形成一层光滑的矿物质和蛋白质来保护自己，形成珍珠。而光滑的矿物质和蛋白质统称为珍珠层，珍珠层占珍珠体积的90%以上，是一种闪耀着珠光的超级耐用的有机-无机复合材料，也是牡蛎和其他软体动物的外壳的组成部分。

对于珍珠来说，珍珠层从中心向外，一层一层逐渐变薄，且变得越来越紧密。这种结构的对称程度超越了自然界中除了原子以外的任何事物。尽管人类已经拥有各种高精尖的技术，也无法制造出一个像珍珠一样精确但又错综复杂的纳米结构。几个世纪以来，人们一直困惑于牡蛎等软体动物是如何在不规则形状的沙粒或碎片周围，生长出有着惊人的对称性的完美圆形珍珠的。

现在，一个研究小组首次揭示了这种超级对称且超级耐用的结构是如何在自然界中产生的。这项发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上的研究发现，在珍珠的不对称中心上所形成的每一个珍珠层，都精确地与之前的一层相匹配，它们能层层抚平那些不规则的部分，形成一颗圆形的珍珠。

二

在新的研究中，研究团队分析了从澳大利亚东部沿海的珍珠养殖场采集的阿古屋贝（Akoya）中的KESHI珍珠。这是一些自然形成的珍珠，研究人员用钻石线锯将每颗珍珠切割成直径3到5毫米的截面，接着对其抛光，然后在电子显微镜下检测其结构。

这颗KESHI珍珠的切面显示，圆形的珍珠层在一个不规则的碎片块周围生长。| 图片来源：JISEOK GIM

他们观测到，一颗珍珠在548天的时间里堆积了2615层结构非常精准匹配的珍珠层的珍珠。这些薄而光滑的珍珠层就像一层层的床单一样，层与层之间夹有有机物，每一层之间都有相互作用。研究人员认为，正是这种相互作用，使得整个珍珠的形状能够在生长过程中得到修正。

通过对珍珠层进行数学分析，研究人员发现珍珠层的厚度波动遵循一种被称为“1/f噪声”（或粉色噪声）的现象，在这种现象中，一系列看似随机的事件其实是相互关联的，每一个新的事件都受到前一个事件的影响。1/f噪声现象存在于各种各样的自然和人为过程中，比如地震、经济市，甚至古典音乐，以及心跳和大脑活动中……

电子显微镜显示，一颗珍珠的珍珠层是如何从珍珠中心向外堆积而变得更加精确的。| 图片来源：University of Michigan

以珍珠的情况来说，不同厚度的珍珠层的形成可能看起来是随机的，但实际上是取决于前一层的厚度。在1/f噪声的影响下，数千层的珍珠层有序而精确地结合在一起。不过研究人员认为，珍珠缺乏真正的“长程”有序，而是呈现出一种中程有序——一次保持20层左右的对称，但这足以在组成珍珠的数千层中保持一致性和耐久性。

研究人员总结道，珍珠的对称生长依赖于软体动物所具有的两种能力。首先，软体动物能纠正珍珠形成时出现的生长畸变，防止这些畸变在珍珠上层层传播，从而避免了珍珠的形状最终“长歪”。另外更令人惊讶的一点是，软体动物能够调节每一层珍珠层的厚度来保持珍珠的对称性——如果某一层特别厚，接下来的那层就会变薄一点，反之亦然。

这两个能力确保了珍珠在其数千层的增长过程中，保持着相似的平均厚度，使它看起来圆润、均匀。如果没有这种不断的调整，珍珠就可能像地表的层状沉积岩那样，将那些会影响珍珠生长成球形的小缺陷放大。

三

新的研究结果解答了几个世纪以来，关于珍珠中心的无序状态是如何变成某种完美状态的问题。通过研究珍珠是如何从无序的虚无变成这种有着精妙的对称结构的，研究人员获取了很多宝贵信息。这些信息获取可以启发下一代超级材料的出现，比如更节能的太阳能电池板或坚韧耐热的材料。

其实，珍珠层是一种比我们之前认为的更了不起的材料，它们由钙、碳酸盐和蛋白质组成，但硬度却比这些构成它们的材料要强数千倍。这些由不起眼的生物制造出的材料，比目前人类用任何技术都更轻易也更好地做到了超轻、超坚韧的特性。

参考来源

https://news.umich.edu/how-pearls-achieve-nanoscale-precision/

https://www.sciencenews.org/article/pearl-symmetry-round-formation-oysters-nacre-math

https://www.smithsonianmag.com/smart-news/how-pearls-obtain-their-remarkable-symmetry-180979060/

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨