珍珠生長的數(shù)學

花落

我們已經(jīng)知道珍珠是如何誕生的：當異物陷入蛤蚌的肉中時，為了減輕這種痛苦，蛤蚌就會趕快分泌出珍珠質(zhì)來把它的尖銳棱角包裹起來，形成珍珠囊，包了一層又一層，久而久之，就在異物外面包上了厚厚的珍珠質(zhì)，直到形成一粒粒圓圓的漂亮的珍珠，圓圓的珍珠不再有尖銳棱角就不會扎痛蛤蚌了。

但是，蛤蚌是如何將奇形怪狀的異物包裹成球形的呢？

觀察不同種類的蛤蚌產(chǎn)生的珍珠，人們發(fā)現(xiàn)，這些珍珠的珍珠層厚度并不相同。而且，由于其核心的異物形狀各異，蛤蚌在最初包裹異物時，會在不同的位置均勻地分泌和沉積珍珠質(zhì)，使早期的珍珠層結(jié)構(gòu)并不規(guī)則，形狀古怪。但是最終形成的珍珠卻能保持幾乎完美的圓球形。蛤蚌是如何做到這一點的呢？它們?nèi)绾沃涝诋愇锢饨峭怀龅牡胤綉撋俜置谡渲橘|(zhì)，凹陷的區(qū)域則多分泌一些？幾個世紀以來，人們一直困惑于蛤蚌這種準確度驚人的“計算”能力。

最近，澳大利亞的一個研究團隊揭開了其中的秘訣。他們從澳大利亞東部沿海的珍珠養(yǎng)殖場收集了一批馬氏珠母貝制造的珍珠，將之切割成直徑3～5毫米的截面，拋光之后用電子顯微鏡檢測其細微結(jié)構(gòu)。他們計算發(fā)現(xiàn)，馬氏珠母貝在548天的時間里平均能分泌2615層珍珠質(zhì)，它們像軍人一樣嚴謹?shù)貙⒄渲橘|(zhì)整齊而精密地覆蓋異物，層與層之間夾有有機物，每一層之間都有相互作用，旋轉(zhuǎn)方向相同的分層相互吸引，旋轉(zhuǎn)方向相異的斷口嚴絲合縫。這一過程使得整個組織逐漸趨同，隨著時間推移，有缺陷的結(jié)構(gòu)最終會變得規(guī)律而均勻。

至于在不同區(qū)域應該分泌多少層珍珠質(zhì)，軟體動物則遵循“粉色噪聲規(guī)律”。粉色噪聲是自然界最常見的噪音，其旋律有一定規(guī)律：其能量和頻率成反比，下一個調(diào)受上一個調(diào)的影響，每隔一段時間就會重復一次相同旋律。人們將具有同一規(guī)律的現(xiàn)象——一系列看似隨機的事件其實是相互關(guān)聯(lián)的，每一個新的事件都受到前一個事件的影響，事情發(fā)展呈周期性變化——稱為“粉色噪聲現(xiàn)象”。許多自然和人為現(xiàn)象中都存在“粉色噪聲規(guī)律”，比如鳥鳴聲、蟲鳴聲、潮汐聲、風吹聲都是粉色噪聲，大腦電波的傳導和心臟的規(guī)律跳動也遵循相同規(guī)律，甚至古典音樂的旋律和經(jīng)濟市場的活動也表現(xiàn)出相似規(guī)律……

以珍珠的情況來說，不同厚度的珍珠層的形成可能看起來是隨機的，但實際上是取決于前一層的厚度——如果某一層特別厚，接下來的那層就會變薄一點，反之亦然。多次重復這一過程后，最后制造出來的珍珠雖然在不同位置的珍珠質(zhì)層數(shù)相同，厚度卻相異，最終總能形成圓潤對稱的結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)互補和粉色噪聲——蛤蚌的這兩個能力確保了珍珠在其數(shù)千層的增長過程中，保持著相似的平均厚度，使它看起來圓潤、均勻。如果沒有這種不斷的調(diào)整，珍珠就可能像地表的層狀沉積巖那樣，無法彌合影響其長成球形的小缺陷甚至將之放大，最終變得奇形怪狀。

其實，蛤蚌制造的珍珠是一種比我們之前認為的更了不起的材料，它們由鈣、碳酸鹽和蛋白質(zhì)組成，但硬度卻比這些構(gòu)成它們的材料要強數(shù)千倍。這些由不起眼的生物制造出的材料，比目前人類用任何技術(shù)制出的材料都更輕易也更好地做到了超輕、超堅韌的特性。通過學習蛤蚌將奇形怪狀的異物制造成具有精密結(jié)構(gòu)的珍珠的過程，人們將能制造出性能更優(yōu)異的超級材料，比如更節(jié)能的太陽能電池板或可制成太空飛船外殼的更堅韌耐熱的材料。

（四月摘自《大科技》2022年第4期）