Жемчуг

Биохимические процессы, приводящие к образованию жемчуга, исследованы все еще недостаточно. Биогенные кристаллы, к которым относится и арагонит жемчуга, представляют собой обычные ионные кристаллы, выпавшие из минералообразующих растворов не в земной оболочке, а внутри организмов. Форма их зависит от тесного взаимодействия внутреннего строения и внешних условий роста и может существенно изменяться с изменением этих условий. Биогенные кристаллы из минерализованных скелетных структур рассматриваются в качестве реальных кристаллов. Они содержат в себе различные дефекты (вакансии, примеси, дислокации и др.), которые отличают реально существующий кристалл от его идеализированной схемы. Ряд свойств реального кристалла объясняется именно его дефектной структурой, без ее знания не могут быть поняты многие проблемы биоминерализации.

Заслуживает внимания вопрос: почему жемчуг обычно сложен не кальцитом — стабильной модификацией углекислого кальция, а метастабильным арагонитом? При рентгеновском изучении арагонита жемчуга отмечено, что его дифракционная картина в основном соответствует эталонным значениям этого минерала. Однако на многих дифрактограммах обнаруживаются дополнительные, несвойственные арагониту отражения 0,354—0,355; 0,204—0,205 и 0,184—0,1847 нм, которые, видимо, следует связывать с присутствием в жемчуге примеси другого минерала. Эти отражения вместе с рефлексом 0,338 нм (наиболее интенсивным в арагоните жемчуга) отвечают базальным рефлексам карбоната стронция — стронцианита, кристаллическая структура которого аналогична структуре арагонита.

Отдельно выделить фазу стронцианита из материала жемчуга оказалось невозможным. Однако при просмотре коллекции жемчуга в Архангельском краеведческом музее мы обнаружили в ней жемчужину, почти целиком состоящую из стронцианита (меньший показатель преломления карбоната 1,520). Жемчужина отличалась своим серебристым цветом от остальной массы жемчуга. Эти данные подтверждают факт существования самостоятельной фазы стронцианита в жемчуге. К тому же в жемчуге постоянно обнаруживаются довольно высокие количества стронция.

Роль стронцианита в жемчуге генетическая: стронций даже в небольших количествах (1 атом на 4000 элементарных ячеек арагонита) стабилизирует арагонитовую фазу в зародышах кристаллизующегося карбоната кальция [Strunz, Wachsen, 1978]. Твердые растворы стронцианита в арагоните имеют меньшую свободную энергию, чем чистые минеральные фазы. Такие растворы более выгодны, чем кальцит.

Обособление минеральной фазы в организме моллюска сопровождается повышением в минералообразующем растворе энзимов, вводимых разными путями в органическую и неорганическую составляющие жемчуга. Эпителиальные клетки «жемчужного» мешка, являющиеся клеточной основой секреторной деятельности, выделяют ионы кальция и карбонат-ионы в жидкость, формируя тем самым минералообразующий раствор. Осаждение арагонита из раствора происходит в том случае, когда он будет пересыщен указанными ионами. Доступ ионов к кристаллизующемуся арагониту облегчается обширной и закрученной поверхностью стенок «жемчужного» мешка.

Минералообразование внутри организма структурно тесно связано с органическими молекулами матрицы. Определение зародышевых центров происходит только в отдельных, строго упорядоченных ее точках, обогащенных белковым веществом.. Это свидетельствует о достаточно сильном специфическом взаимодействии органического и минерального компонентов. Минеральный уровень такого взаимодействия исследован недостаточно. Вероятнее всего, в основе его лежит принцип комплексообразования: отдельные участки матрицы образуют с Ca²⁺ и CO₃^2- специфические комплексы. В зависимости от аминокислотного состава матрицы и от ряда других факторов кристаллизующийся арагонит принимает форму призм или пластинок.

При закономерном распределении центров кристаллизации, обусловленном еще и тем, что плоские ионы CO₃^2- укладываются параллельно слою матрицы, и одновременном росте призм арагонита, растущих непосредственно от ядра жемчужины, вернее, от покрывающей ядро органической прослойки, возникает упорядоченное строение призматических кристаллов. Кристаллики арагонита вытягиваются по радиусам от центра жемчужины. Отсутствие упорядоченности связано с различным расположением кристаллографических осей зародышей арагонита. Оно может быть обусловлено добавочной (наложенной) минерализацией с использованием как активных поверхностей на органических гранулах, так и различных неоднородностей на растущих кристаллах арагонита. При этом на первых стадиях роста могут возникнуть спутанно-волокнистые агрегаты кристаллов арагонита, из которых возможность дальнейшего роста получают только те индивиды, которые расположены под большими углами к субстрату.

Скорость кристаллизации арагонита обусловливают внутренние (выделение белкового вещества) и внешние (кислотность—щелочность, температура воды, солевой режим и др.) факторы.