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.
Основным источником минералогических знаний является минеральный индивид. Он же и главный объект минералогических исследований. Современная минералогия располагает большим арсеналом методов, позволяющих исследовать индивид и его минералогическую историю. Задача значительно усложняется в том случае, когда мы приступаем к изучению агрегата, и становится вообще трудновыполнимой, если объект исследования — минерально-органический агрегат. Трудность заключается прежде всего в том, что окружающая биогенный минерал органическая оболочка, в которую заключен минерал и посредством которой происходит его питание, плотно сцеплена с ним. Эта оболочка — неотъемлемая часть агрегата. Оба вещества плохо разделяются, особенно трудно отделить минеральную фазу. Поэтому природа биогенных минералов до последнего времени остается слабоизученной, а процессы биоминерализации все еще исследованы недостаточно. Очень мало известно и о параметрах минералообразующей среды в том пространственно-временном интервале, в котором происходит образование минерально-органического агрегата. Следует учитывать, что она представляет собой сложную систему с непрерывно меняющимися параметрами. А ведь минерал фиксирует в особенностях своего состава, свойств и строения все изменения, происшедшие в минералообразующей среде.
Несомненно, что воссоздание возможно полной картины всех событий, зафиксированных в минерале, имеет большое значение как для объяснения условий его образования, так и для установления ряда закономерностей в минералогии, биологии и в смежных науках. Решение этой проблемы позволит глубже исследовать минеральный уровень органической материи, характерной особенностью которого является кристаллическое состояние. Оно определяет систему свойств, через которые проявляется сущность минерала. Минеральные продукты живой клетки служат наглядным подтверждением сложности минерального уровня материи.
Одно из детальных исследований биогенных кристаллов провел С. Н. Голубев [1981]. Фактические данные, полученные этим автором, принимаются в качестве достоверных и широко используются нами при характеристике процесса биоминерализации.
Минерально-органические агрегаты имеют кристаллическое строение и при рентгеновских исследованиях обнаруживают дифракцию рентгеновских лучей. Используя методы электронной микроскопии, можно не только непосредственно увидеть исследованные объекты, но и изучить детали реальной структуры биогенных кристаллов. Разумеется, по идеализированной решетке они представляют собой «обычные» кристаллы, но образовавшиеся и выросшие в живых организмах. Облик биогенных кристаллов, всегда подчиненный структуре вещества, по-разному формируется под воздействием физико-химических факторов. В настоящее время еще мало чисто описательных данных о морфологических особенностях биогенных кристаллов. Поэтому выявить по этим данным влияние отдельных физико-химических факторов на форму образующихся кристаллов оказалось крайне затруднительным.
Биогенные кристаллы минерализованных структур рассматриваются как реальные кристаллы. В отличие от идеальных кристаллов они характеризуются наличием разного рода дефектов. Это преимущественно объемные, но несоизмеримо малые по сравнению с величиной кристаллов нарушения правильного пространственного размещения атомов в кристаллической решетке. В биогенных кристаллах наиболее распространены такие дефекты: упаковки, замещения, вакансии, примесные атомы, границы блоков, двойников, включения других фаз. Размеры, форма и свойства дефектов определяются структурой биогенного минерала. Наиболее часто они располагаются в междоузлиях кристаллической решетки. Именно наличие дефектов в кристаллах служит причиной изменения их свойств. В этом отношении биогенные кристаллы представляют собой объект, заслуживающий всестороннего изучения. Подход к ним как к реальным кристаллическим образованиям имеет большое значение не только для постановки и решения основных проблем биоминерализации, но и для понимания многих вопросов минералообразования.
