Жемчуг

Однако минеральный уровень такого взаимодействия изучен недостаточно. По-видимому, в его основе лежат Два принципа — эпитаксия и комплексообразование. Эпитаксия — закономерное срастание кристаллов веществ различного состава, обусловленное близостью строения кристаллической решетки или отдельных плоских сеток рядов решетки срастающихся минералов. Таким образом, эпитаксия минеральной фазы на органическом веществе предопределяется наличием сходных мотивов в структуре обоих веществ. При этом отдельные реакционноспособные участки молекул матрицы становятся центрами зарождения кристаллизующегося на их основе биогенного минерала. Из сказанного можно заключить, что избирательная минерализация матрицы обеспечивается высокоупорядоченным ее строением. При биогенной оксиапатитовой минерализации следует предположить близкое сходство конфигурации тетраэдричного радикала PO3- с определенными участками матрицы. В случае кальцит-арагонитовой минерализации (при образовании жемчуга) участки матрицы находятся в сфере валентного взаимодействия с катионами кальция и плоскими анионами CO32-, образуя особые комплексы в строгом химическом смысле этого понятия. Несомненно, что наряду с валентными взаимодействиями большую роль при образовании таких комплексов играют и более слабые связи — водородные, Ван-дер-Ваальса и др. Доля этих связей в минерально-органических комплексах не установлена.

В последнее время высказывается предположение, что анионы CO32- препятствуют кристаллизации фосфатов кальция внутри организма, а фосфатные и другие фосфорсодержащие анионы не допускают возможности кристаллизации карбоната кальция. Действие анионов, препятствующих кристаллизации минеральных соединений, связано с поглощением их гранями зародышевых кристалликов минеральной фазы.

Характер растворов, в которых происходит биогенное минералообразование, изучен очень слабо. Голубев [1981] полагает, что биогенные кристаллы растут в метастабильных растворах, недонасыщенных соответствующими солями. Это не противоречит главным законам физики. Концентрация солей в таких растворах неблагоприятна как для роста кристаллов на привнесенных извне зародышах, так и для зарождения биогенных кристаллов на случайных пылинках поверхности матрицы. Такие растворы находятся у нижнего предела метастабильной области и устойчивы неопределенно долгое время. Голубев установил, что после искусственного нарушения структуры органической матрицы выпавшие из такого раствора кристаллы теряют биологическую специфичность и могут продолжать свой рост в насыщенных растворах, как и при обычной кристаллизации.

Вода — постоянный компонент минералообразующих растворов и один из строительных блоков организма. За счет гидратации и других взаимодействий вода входит во многие структурные элементы клетки, в межклеточное пространство и в органическую матрицу. Универсальной функцией воды является ее цементирующая роль в форме водородных связей как между отдельными частицами и компонентами клетки, так и между минеральным веществом и реакционноспособными участками матрицы. К тому же она предшественник и продукт преобладающего большинства процессов в организме, химический смысл которых сводится к реакциям гидратирования, дегидратирования, конденсации, в конечном итоге приводящим к образованию циклических и ациклических соединений. Вода в минералообразующих растворах, как правило, способствует образованию биогенных кристаллов, однако в отдельных случаях она может производить тормозящее влияние на их возникновение и рост. Иногда она существенно ограничивает проявление свойств биогенных кристаллов или из присущего им многообразия выдвигает на передний план определенные их качества. Из сказанного видно, что вода — исключительно важный фактор матрицы жизни.

Образование центров начальной кристаллизации происходит в строго упорядоченных точках матрицы — там, где энергетическая выгодность процесса зарождения кристаллической фазы обусловливается тесным сродством между минеральным и органическим компонентами. Голубев рассматривает сильное специфическое взаимодействие между ними в качестве фактора, благоприятствующего нейтрализации поверхностной энергии кристаллов, что делает систему энергетически выгодной.

Труднее объяснить возникновение колломорфного слоя в жемчуге, найденном в черноморской мидии. Этот слой, видимо, состоит из редко встречающегося в природе аморфного карбоната кальция, выпавшего внутри организма из коллоидных растворов. Вполне возможно, что подобное строение имеет и тонкий слой, отмеченный в раковинах некоторых моллюсков между призматическим и перламутровым слоями. В таком случае следует допустить, что роль органической матрицы в образовании многочисленных центров кристаллизации карбонатных частиц была невелика. К минимуму должна быть сведена роль матрицы как питающего агента, ибо мельчайшие частицы карбоната не увеличиваются в размерах. Роль питающей системы, по-видимому, выполняли многочисленные поры, пронизывающие колломорфный слой [Шнюков, Деменко, 1983]. Эта несколько идеализированная картина образования колломорфного карбоната в жемчуге служит хорошим примером сложности процессов происходящих в организме и сопровождающихся отложениями минеральных веществ.

Процессы осаждения карбоната кальция в биологических средах весьма сложны. Моделирование их в лабораторных условиях сопряжено с трудностями, связанными в первую очередь с выбором параметров минералообразующей среды — величин, характеризующих ее состояние.

Жемчуг, как и другие минеральные образования, представляет собой агрегат кристаллов. Однако в отличие от обычных минеральных агрегатов биогенные кристаллы (и слагающие их кристаллиты) не только не срастаются, но даже не соприкасаются между собой. Дело в том, что каждый кристаллический индивид обволакивается, как чехлом, органической пленкой, связанной с матрицей. Толщина пленки зависит от величины кристалла. Она проницаема для минералообразующих физиологических растворов, питается ими и не подвергается процессу минерализации. Такое явление, названное Голубевым принципом обволакивающих пленок, наблюдается если не во всех, то в большинстве биогенных кристаллов. Роль обволакивающих пленок прежде всего генетическая: подобно системе подводящих каналов, пленки обеспечивают питание минерально-органического агрегата. В противном случае не происходил бы их рост. Нарушение принципа обволакивающих пленок ведет к прекращению роста биогенных кристаллов и в ряде случаев способствует протеканию в них необратимых процессов.

Молекулярная природа взаимодействия органического и минерального компонентов биогенного минерала остается неизвестной. В ней скрыт весьма интересный механизм, приводящий к кратковременным остановкам роста биогенных кристаллов и существенно ограничивающий рост всего минерально-органического агрегата. Так, биологическая минерализация в процессе формирования жемчуга проходит в полном соответствии с моделью обволакивающих пленок. Однако рост призматических кристаллов жемчужины многократно прерывается. Кратковременные остановки в росте кристаллов отчетливо фиксируются скоплениями темного органического вещества; оно продолжает выделяться, несмотря на прекращение роста арагонита, и покрывает торцы его кристаллов маломощными слоями. В дальнейшем рост кристалла арагонита возобновляется, а чрезмерное выделение органики прекращается. Другими словами, процесс минералообразования внутри организма происходит скачками. Многократное повторение этого процесса придает формирующемуся минерально-органическому агрегату концентрически-зональное строение. Причины зональности разные. Возможно, зональное строение жемчужины отражает периодичность дефектной структуры органических молекул матрицы или же до деталей наследует тонкую структуру их, в частности нередко наблюдаемую поперечную исчерченность. Не исключено, что зональная структура жемчуга и других биогенных кристаллов связана с ростовыми пульсациями, которые могут быть вызваны частыми изменениями температуры воды, ее состава, условиями питания моллюсков и другими факторами.