В то время как большинство людей не сочли бы хрустящую поверхность устрицы особенно красивой, открывая этот скалистый футляр, вы могли бы обнаружить изысканную жемчужину, спрятанную внутри. Тем не менее, несмотря на их переливающиеся цвета и гладкие формы, жемчуг на самом деле сделан из того же материала, что и оболочка, которая его окружает. Жемчуг, иглы ежей, раковины мидий, улиток и моллюсков, даже кораллы — все эти структуры состоят из одного и того же химического соединения: карбоната кальция. Итак, как этот единственный ингредиент образует такое огромное количество материалов?
Карбонат кальция, или CaCO3, распространен на суше и еще более распространен в море. Земная кора богата кальцием, и на протяжении тысячелетий эти отложения просачивались в реки и океаны. Это особенно верно вблизи гидротермальных источников, где горячая морская вода смешивается с богатыми кальцием базальтами. Между тем, когда углекислый газ в воздухе взаимодействует с морской водой, в конечном итоге образуется растворенный карбонат. Каждый год океан поглощает примерно одну треть наших выбросов углекислого газа, добавляя в воду огромное количество карбоната.
Неудивительно, что морские существа используют эти обильные соединения, но то, как кальций и карбонат переплетаются вместе в различные формы, на удивление искусно. Вернемся к скромной устрице. Как и многие водные моллюски, устрицы начинают жизнь как незащищенные личинки и быстро приступают к созданию защитной оболочки. Во-первых, орган, называемый мантией, выделяет органическую матрицу белков и других молекул для построения каркаса. Затем устрица фильтрует морскую воду, извлекая из нее кальций и карбонат, чтобы превратить их в строительный материал. Он укладывает этот материал на каркас, покрытый заряженными белками, которые притягивают и направляют молекулы карбоната кальция на слои. Конкретное расположение этих белковых каркасов зависит от вида моллюсков и окружающей их среды, что объясняет их огромное разнообразие форм, размеров и цветов раковин.
Моллюски тщательно контролируют все компоненты своих творений из карбоната кальция, даже манипулируя CaCO3 на молекулярном уровне. С помощью специальных белков моллюски могут производить из CaCO3 две кристаллические структуры: кальцит и арагонит. Оба эти соединения имеют одинаковый химический состав, но разные свойства из-за того, как устроены их кристаллические решетки.
Кальцит является более стабильным из двух и менее склонен к растворению с течением времени, поэтому раковины большинства моллюсков имеют прочный внешний слой кальцита. Как немного более растворимая молекула, арагонит может лучше адаптироваться к более или менее кислой среде. Таким образом, большинство раковин моллюсков имеют внутренний слой арагонита для поддержания их внутреннего уровня pH. Но одна форма арагонита прочнее и универсальнее остальных: перламутр. Моллюски делают этот особый материал, укладывая последовательные слои арагонита с вкраплениями белков. Эти слои сложены как шестиугольные кирпичи, каждый из которых окружен другим органическим материалом, определяющим их ориентацию. Равномерная слоистость и кирпичная структура перламутра является ключом к его фирменной радужности. Толщина слоев аналогична длине волны видимого света, поэтому свет, отражающийся от его внутренней поверхности, интерферирует со светом, отражающимся от внешней поверхности. Когда частицы света ударяются о перламутр, они отскакивают от его многослойной кристаллической структуры каскадом меняющихся радуг.
Но перламутр не просто красив — это один из самых прочных и легких биоматериалов, которые мы знаем. И не только устрицы производят его. Фактически, многие виды моллюсков используют перламутр в качестве одного из своих основных защитных механизмов. Если вторгшийся паразит или даже случайная частица песка раздражает мантию, моллюск покрывает обидчика перламутровыми клетками, образуя так называемый жемчужный мешочек. Эти клетки окутывают угрозу слоями белков и арагонита до тех пор, пока кокон полностью не поглотит захватчика, растворив угрозу в опалесцирующей сфере из перламутра. Этот защитный механизм является нашей ведущей теорией моллюсков, образующих жемчуг; превращая повседневных злоумышленников в вневременные сокровища.
