解開珍珠不可思議對稱性的祕密

以不對稱的刺激物為中心所形成的每一層珍珠層,都精確地修正了上一層的形狀,把不規則的部分撫平,從而形成完美圓形的珍珠。

 

  幾個世紀以來,科學家一直不明白牡蠣如何將不規則的沙粒或碎片,包覆形成極對稱且完美的圓形珍珠。現在,科學家已經證明,牡蠣、貽貝和其他軟體動物運用一種複雜的過程形成珍珠,並且遵循了自然界常見的數學規則。

 

  當刺激物(沙粒或微生物)進入軟體動物體內使其不適時,它們會在周圍分泌光滑的礦物質與蛋白質(統稱為珍珠層)困住刺激物減輕痛苦,經年累月的層層包覆最終形成了珍珠。發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)的分析發現,以不對稱的刺激物為中心所形成的每一層珍珠層,都精確地修正了上一層的形狀,把不規則的部分撫平,從而形成完美圓形的珍珠。

 

  澳洲國立大學的生物地球化學家蘿拉‧奧特(Laura Otter)說:「珍珠層是一種極美麗且閃閃發光的材質,我們能在一些貝類的內部或外部看見它。」

 

  奧特和同事發現,珍珠勻稱的形成過程仰賴於軟體動物兩種基本的平衡能力。它逐步修正了珍珠形狀的偏差,並防止這些偏差擴大。如果不這麼做,最後珍珠就會變得奇形怪狀。此外,軟體動物還會調節珍珠層的厚度,當某一部分的珍珠層特別厚時,後面就會疊得比較薄。

 

  於是,即使珍珠包覆了數千層也能維持相似的平均厚度,使它看起來又圓又均勻。如果沒有不斷地調整,珍珠就可能越疊越偏,進而放大那些非球形形狀的小缺陷。

 

即使珍珠包覆了數千層也能維持相似的平均厚度,使它看起來又圓又均勻。

 

  科學家研究了從澳洲東部沿海珍珠養殖場的「Akoya珍珠牡蠣」中採集的客旭珍珠(keshi pearl)。他們以鑽石線鋸將珍珠切割成橫截面,拋光後使用拉曼光譜學(可用來呈現珍珠的結構)檢查珍珠。結果發現,其中一顆珍珠花了548天的時間,總共堆疊了2615層。

 

  分析顯示,珍珠的珍珠層厚度的波動表現出一種名為「粉紅雜訊」(pink noise)的現象,一些看似隨機的事件其實是相互關聯的。珍珠層形成不同的厚度看似隨機,但實際上是取決於前一層的厚度。同樣的現象也能在地震活動中看見:地震看似隨機,但其實是跟之前最近的一次地震活動有關。密西根大學的材料科學家和工程師羅伯特‧霍夫登(Robert Hovden)指出,粉紅雜訊也會出現在古典音樂之中,甚至在監測心跳與大腦活動時出現。。

 

  未參與研究的威斯康辛大學麥迪遜分校物理學家、專攻生物礦化機制的普帕‧吉伯特(Pupa Gilbert)評論說:「這是科學家首次指出珍珠層能自行修復,當出現缺陷時,它能在幾層之內自行修正形狀,而無需使用外部的材料或範本。珍珠層是一種比我們過去所認為還更厲害的材質。」

 

  奧特說:「這些不起眼的生物製造出一種超輕巧卻超堅韌的材料,比我們用各種技術所做的還來得容易,而且還更好。珍珠層僅由鈣、碳酸鹽和蛋白質組成,卻比構成它的材料還要堅硬3000倍。」

 

  霍夫登認為,對於珍珠的新理解或許能啟發「下一代超級材料」,比如更節能的太陽能電池板,或是更堅韌耐熱、可應用在太空技術上的材料。

 

 

原文出處:ScienceNews

 

 

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