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.
На морфологию выпадающих из раствора биогенных кристаллов существенно влияют примеси некоторых химических элементов. Они тормозят или ускоряют рост кристаллических граней, иногда способствуют закрученности кристаллов. В ряде случаев при преобладании в растворе стронция из него выпадает арагонит, а при большом количестве магния — кальцит. На скорость роста биогенных минералов воздействует также величина pH раствора.
Своеобразным регистратором процессов, сопровождающих биоминерализацию, является изменение изотопного состава ряда элементов. Это изменение очень невелико, так что изотопный состав элементов можно считать практически постоянным. Однако масштабы явлений, происходящих в организмах, и их продолжительность приводят к некоторому разделению изотопов, поддающемуся измерению на современных масс-спектрометрах. При исследовании изотопных эффектов углерода и кислорода необходимо учитывать биологический фактор, под которым подразумевается закономерное распределение изотопов химических элементов в объектах живой материи. Наиболее вероятной причиной биологического фракционирования изотопов углерода и кислорода при образовании органических карбонатов, в том числе и жемчуга, следует считать участие в этом процессе метаболической углекислоты, обедненной «тяжелыми» изотопами. Красивые жемчужины образуются в узком интервале изменения соотношения изотопов кислорода.
В процессе роста происходит самоупорядочение структуры индивидов в объеме минерально-органических агрегатов. Однако отмеченная неидеальность биогенных кристаллов и ряд других факторов способствуют тому что строгая упорядоченность минеральных индивидов таких агрегатах отсутствует.
Процессы биоминерализации широко распространены в природе, они характеризуются большой мобильностью и пластичностью. Этому способствует то обстоятельство, что многие биологические вещества и структуры, служащие субстратом для минеральной фазы, проявляют свойства, которые присущи жидким кристаллам. Жидкокристаллический порядок в биологических структурах играет большую роль в функциях и свойствах живой материи.
Жемчуг, как мы уже знаем, образуется в раковинах пресноводных и морских моллюсков. Теоретически все моллюски, имеющие раковину с перламутровым слоем, могут продуцировать жемчуг, однако для представителей класса лопатоногих, панцирных и моноплакофор это явление не отмечено. У двустворчатого моллюска тридакны, раковины которого лишены перламутрового слоя, образуются жемчужины величиной с голову ребенка, но без присущего жемчугу блеска. Такой жемчуг весьма эффектен, но стоимость его невелика.
Пресноводные моллюски. Драгоценный пресноводный жемчуг образуется в раковинах семейства унионид, или перловицеобразных. Из них наибольшее значение имеют моллюски двух родов — маргаританы (Margaritana) и дауринайи (Dahurinaia). Среди маргаритан поставщиком пресноводного жемчуга является пресноводная жемчужница (Margaritana margaritifera). Она обитает в реках Прибалтики, Карелии, Кольского полуострова, Финляндии, Швеции, Норвегии, Англии, Ирландии, Северной Америки, водится в устье Дона и в каскадах Пиренеев. Еще недавно моллюск был распространен довольно широко. Быстрое исчезновение его в ряде районов объясняется не только хищническим истреблением в погоне за жемчугом, но и сильной заболоченностью берегов рек, поступлением в них болотных вод, развитием лесосплава, наличием в воде взмученных минеральных частиц, засоряющих жабры маргаританы.
Маргаритана обитает в чистых проточных реках и ручьях с медленно текущей холодной водой, содержащей минимальное количество солей кальция и магния. Извести в ней должно быть не более 15 мг/л. Дно сложено мелким песком, гранитами, гнейсами, кристаллическими сланцами, прибрежная растительность дает хорошую тень. Наибольшие скопления раковин наблюдаются в местах поворота направления течения. Глубина мест обитания маргаританы колеблется от 0,4—1 м на порогах до 2,4 м на плёсах. Ареал жемчужницы на Северо-Западе СССР ограничен реками, лишенными извести, и совпадает с ареалом форели. Маргаритана, поселившись в реке, во многом способствует тому, что вода становится чистой. Она постоянно перекачивает через себя воду, задерживая муть и питательные вещества. Так ракушка кормится.
Моллюск имеет прочную толстостенную раковину овальной или почковидной формы, длиной до 12 см, внешне похожую на обычную речную беззубку, только покрупнее и покрытую изнутри красивым перламутром. Перламутр белый с легким синеватым оттенком. Годовой прирост раковины составляет 1,63 мм. Зимой раковина растет в 4 раза медленнее, чем летом. Это обстоятельство вызывает образование на раковине особых колец нарастания, подобных тем, которые образуются на чешуе у рыб. По числу этих колец можно судить о возрасте: многие животные доживают до 80—90 лет.
