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 CO32- 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 CO32- 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.
Связь между арагонитом жемчуга и минералообразующей средой двусторонняя. Среда в определенных условиях формирует жемчужину, влияет на ее строение и форму. Действие любого фактора среды происходит на молекулярном уровне. В свою очередь, растущая жемчужина воздействует на среду.
Основные проблемы биоминерализации
Совсем недавно стала развиваться новая наука — биологическая минералогия. Она изучает строение, свойства, состав, условия образования и изменения объектов, которые находятся на стыке биологии и минералогии. К ним относятся продукты деятельности живых клеток: кости и зубы человека и животных, раковины моллюсков, жемчуг, скелет кораллов, скорлупа птичьих яиц, отолиты и другие объекты живой природы.
Биологическая минералогия как генетическая наука исходит из того, что неживое, возникшее из живого, является его частью и они тесно взаимосвязаны. Существование в природе форм, в которых соединены свойства живого и неживого (например, вирусов), наглядно подтверждает пример внутреннего единства неорганического и органического мира.
Главным объектом исследования биологической минерализации является минерально-органический агрегат. Он состоит из органических веществ и минеральных индивидов, имеющих определенные форму, размер, строение, свойства и состав. В структуре многих индивидов имеются специфические внутренние элементы. От их упорядоченного сочетания во многом зависят свойства всего агрегата.
Основная задача биологической минералогии — всестороннее исследование взаимоотношения неорганической и органической природы, а также детальное изучение минеральных продуктов живой природы в процессе их развития и изменения. Конкретная практическая задача науки — выявить роль организмов при формировании и разрушении месторождений полезных ископаемых (железа, серы, фосфора, марганца и др.).
Биологическая минералогия развивает представление профессора Д. П. Григорьева о минерале как об организме. Оно выступает сейчас как наиболее актуальное и перспективное. Сущность нового подхода к минералу выражается следующим образом: «Минералы, т. е. кристаллы и зерна, в форме которых реально существуют природные химические соединения и физико-химические фазы, выступают в нашей науке каждый как целостный организм, индивид, со своей анатомией, всегда по-своему живущий... Познание минерала как организма и его естественной истории, обусловливающей все качества, условия и места нахождения минералов, есть назначение, прерогатива минералогической науки» [Григорьев, 1976]. То есть минеральный индивид рассматривается как своеобразная модель живого организма. Такой подход к минералу раскрывает те стороны строения, свойств и поведения, которые раньше рассматривались только на биологических объектах и не принимались во внимание минералогами.
Специфика минерально-органических агрегатов состоит в том, что возникновение и рост их объясняются не законами физики и химии, как это имеет место в минералогии, а биохимическими законами развития живой клетки. Они еще не нашли столь четкого выражения, как известные законы физики и химии, регулирующие процессы минералообразования в неживой природе. К тому же в организме физические и химические законы тесно взаимодействуют с биохимическими законами и не только подчиняются им, но и имеют иное применение. Клетка — структурная единица организма, она рассматривается как система взаимосвязанных структур и процессов, протекающих по программе дифференциации органов. В этом сказывается универсальность клетки. Природа скупа на объяснения и щедра на окончательные результаты. Поэтому исследователю приходится часто затрачивать массу труда и времени, чтобы вскрыть всю причинную цепь событий.
Минералы недр, возникшие многие миллионы лет назад, как и «живые» минералы, находящиеся в организмах, являются своеобразными регистраторами событий, свидетелями которых они были в разное время. Трудность, а то и полная невозможность непосредственного наблюдения этих событий заставляют нас обратиться к минералу как к важному документу его истории. В особенностях состава, строения и свойств минерала отражены особенности его рождения, роста и изменения. Поэтому восстановление истории минерала — главная минералогическая задача. Достаточно иногда лишь взглянуть на минерал, чтобы понять, насколько она сложна.