珍珠生长的数学

花落

我们已经知道珍珠是如何诞生的：当异物陷入蛤蚌的肉中时，为了减轻這种痛苦，蛤蚌就会赶快分泌出珍珠质来把它的尖锐棱角包裹起来，形成珍珠囊，包了一层又一层，久而久之，就在异物外面包上了厚厚的珍珠质，直到形成一粒粒圆圆的漂亮的珍珠，圆圆的珍珠不再有尖锐棱角就不会扎痛蛤蚌了。

但是，蛤蚌是如何将奇形怪状的异物包裹成球形的呢？

观察不同种类的蛤蚌产生的珍珠，人们发现，这些珍珠的珍珠层厚度并不相同。而且，由于其核心的异物形状各异，蛤蚌在最初包裹异物时，会在不同的位置均匀地分泌和沉积珍珠质，使早期的珍珠层结构并不规则，形状古怪。但是最终形成的珍珠却能保持几乎完美的圆球形。蛤蚌是如何做到这一点的呢？它们如何知道在异物棱角突出的地方应该少分泌珍珠质，凹陷的区域则多分泌一些？几个世纪以来，人们一直困惑于蛤蚌这种准确度惊人的“计算”能力。

最近，澳大利亚的一个研究团队揭开了其中的秘诀。他们从澳大利亚东部沿海的珍珠养殖场收集了一批马氏珠母贝制造的珍珠，将之切割成直径3～5毫米的截面，抛光之后用电子显微镜检测其细微结构。他们计算发现，马氏珠母贝在548天的时间里平均能分泌2615层珍珠质，它们像军人一样严谨地将珍珠质整齐而精密地覆盖异物，层与层之间夹有有机物，每一层之间都有相互作用，旋转方向相同的分层相互吸引，旋转方向相异的断口严丝合缝。这一过程使得整个组织逐渐趋同，随着时间推移，有缺陷的结构最终会变得规律而均匀。

至于在不同区域应该分泌多少层珍珠质，软体动物则遵循“粉色噪声规律”。粉色噪声是自然界最常见的噪音，其旋律有一定规律：其能量和频率成反比，下一个调受上一个调的影响，每隔一段时间就会重复一次相同旋律。人们将具有同一规律的现象——一系列看似随机的事件其实是相互关联的，每一个新的事件都受到前一个事件的影响，事情发展呈周期性变化——称为“粉色噪声现象”。许多自然和人为现象中都存在“粉色噪声规律”，比如鸟鸣声、虫鸣声、潮汐声、风吹声都是粉色噪声，大脑电波的传导和心脏的规律跳动也遵循相同规律，甚至古典音乐的旋律和经济市场的活动也表现出相似规律……

以珍珠的情况来说，不同厚度的珍珠层的形成可能看起来是随机的，但实际上是取决于前一层的厚度——如果某一层特别厚，接下来的那层就会变薄一点，反之亦然。多次重复这一过程后，最后制造出来的珍珠虽然在不同位置的珍珠质层数相同，厚度却相异，最终总能形成圆润对称的结构。

结构互补和粉色噪声——蛤蚌的这两个能力确保了珍珠在其数千层的增长过程中，保持着相似的平均厚度，使它看起来圆润、均匀。如果没有这种不断的调整，珍珠就可能像地表的层状沉积岩那样，无法弥合影响其长成球形的小缺陷甚至将之放大，最终变得奇形怪状。

其实，蛤蚌制造的珍珠是一种比我们之前认为的更了不起的材料，它们由钙、碳酸盐和蛋白质组成，但硬度却比这些构成它们的材料要强数千倍。这些由不起眼的生物制造出的材料，比目前人类用任何技术制出的材料都更轻易也更好地做到了超轻、超坚韧的特性。通过学习蛤蚌将奇形怪状的异物制造成具有精密结构的珍珠的过程，人们将能制造出性能更优异的超级材料，比如更节能的太阳能电池板或可制成太空飞船外壳的更坚韧耐热的材料。