Раскрыт секрет идеальной симметрии жемчуга

Создание жемчуга, как и масса других явлений, включая сердцебиение, экономику, музыку, сейсмическую активность, подчиняется одному математическому правилу.

Жемчуг образуется, когда внутри моллюска попадает раздражитель и животное защищает себя, создавая вокруг него гладкие блестящие слои минерала и белка, называемые перламутром. На протяжении веков ученые ломали голову над тем, как моллюски выращивают потрясающе симметричные, идеально круглые жемчужины вокруг песчинок неправильной формы.

Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences, коротко о нем рассказывает Science News.

Международная команда ученых исследовала жемчуг, собранный из жемчужных устриц акойя (Pinctada imbricata fucata) на жемчужной ферме в Австралии. Они разрезали жемчуг на поперечные сечения, затем отполировали и изучили его с помощью метода рамановской спектроскопии, который позволил  охарактеризовать структуру жемчуга. Так, например, в одной из жемчужин исследователи насчитали 2615 слоев, которые были отложены за 548 дней.

Оказалось, что симметричный рост жемчуга основан на том, что моллюск исправляет аберрации роста на каждом появляющемся слое перламутра, точно адаптируя его к предыдущим и сглаживая неровности. Кроме того, моллюск регулирует толщину слоев перламутра, так что, если один слой особенно толстый, последующие слои будут тоньше. Это помогает жемчужине сохранять одинаковую среднюю толщину на тысячах слоев, чтобы она стала идеально круглой и однородной. Без этой постоянной корректировки жемчужина могла бы напоминать слоистую осадочную породу, а небольшие дефекты лишь усиливались бы.

Анализ показал, что колебания толщины перламутровых слоев жемчужин демонстрируют явление, называемое 1/f-шумом, или розовым шумом (это низкочастотный шум, плотность которого обратно пропорциональна частоте). В нем события, которые кажутся случайными, на самом деле связаны. Толщина слоя перламутра связана с предыдущим слоем. То же явление наблюдается и при сейсмической активности: колебания земли кажутся случайными, но на самом деле связаны с предыдущей недавней сейсмической активностью. Розовый шум также наблюдается в классической музыке и даже при мониторинге сердцебиения и мозговой активности.

Авторы работы также обнаружили, что перламутр самовосстанавливается: если возникает дефект, он сам заживляет несколько слоев.

Моллюски создают сверхлегкий и сверхпрочный материал, состоящий только из кальция, карбоната и протеина, в 3000 раз прочнее его составляющих. Новое понимание жемчуга может вдохновить на создание следующего поколения суперматериалов — например, для более энергоэффективных солнечных панелей или для использования в космических кораблях. Кстати, искусственный перламутр биологи научились создавать с помощью бактерий.