Seit Jahrhunderten rätseln Forscher darüber, wie Austern erstaunlich symmetrische, perfekt runde Perlen um unregelmäßig geformte Sandkörner oder Trümmerstücke wachsen. Jetzt hat ein Team gezeigt, dass Austern, Muscheln und andere Weichtiere einen komplexen Prozess verwenden, um die Edelsteine zu züchten, die den mathematischen Regeln der Natur folgen.
Perlen werden gebildet, wenn ein Reizstoff in einer Molluske eingeschlossen wird und das Tier sich selbst schützt, indem es glatte Schichten aus Mineralien und Proteinen – zusammen Perlmutt genannt – um ihn herum bildet. Jede neue Perlmuttschicht, die über diesem asymmetrischen Zentrum gebaut wurde, passt sich genau an die vorhergehenden an und glättet Unregelmäßigkeiten, um eine runde Perle zu ergeben, so eine Analyse, die am 19. Oktober in der veröffentlicht wurde Proceedings of the National Academy of Sciences.
„Perlmutt ist dieses unglaublich schöne, schillernde, glänzende Material, das wir im Inneren einiger Muscheln oder auf der Außenseite von Perlen sehen“, sagt Laura Otter, Biogeochemikerin an der Australian National University in Canberra.
Das symmetrische Wachstum einer Perle, während sie Perlmuttschichten ablegt, beruht darauf, dass die Molluske zwei grundlegende Fähigkeiten ausbalanciert, fanden Otter und ihre Kollegen heraus. Es korrigiert Wachstumsaberrationen, die während der Perlenbildung auftreten, und verhindert, dass sich diese Variationen über die vielen Schichten der Perle ausbreiten. Andernfalls wäre der resultierende Edelstein schief.
Darüber hinaus moduliert die Molluske die Dicke der Perlmuttschichten, so dass, wenn eine Schicht besonders dick ist, die nachfolgenden Schichten als Reaktion darauf dünner werden (SN: 24.03.14). Dies hilft der Perle, über ihre Tausenden von Schichten eine ähnliche durchschnittliche Dicke beizubehalten, so dass sie perfekt rund und gleichmäßig aussieht. Ohne diese ständige Anpassung könnte eine Perle geschichtetem Sedimentgestein ähneln und kleine Unvollkommenheiten verstärken, die ihre Kugelform beeinträchtigen.
Die Forscher untersuchten Keshi-Perlen, die aus Akoya-Perlenaustern (Pinctada imbricata fucata) auf einer Perlenfarm im Osten Australiens. Sie verwendeten eine Diamantdrahtsäge, um die Perlen in Querschnitte zu schneiden, dann zu polieren und die Edelsteine mit Raman-Spektroskopie zu untersuchen, einer zerstörungsfreien Technik, mit der sie die Struktur der Perlen charakterisieren konnten. Für eine der in der Zeitung präsentierten Perlen zählten sie 2.615 Schichten, die über 548 Tage abgelagert wurden.
Die Analyse ergab, dass Schwankungen in der Dicke der Perlmuttschichten ein Phänomen aufweisen, das als 1/f-Rauschen oder rosa Rauschen bezeichnet wird und bei dem scheinbar zufällige Ereignisse tatsächlich miteinander verbunden sind. In diesem Fall kann die Bildung von Perlmuttschichten unterschiedlicher Dicke zufällig erscheinen, ist aber tatsächlich von der Dicke der vorherigen Schichten abhängig. Das gleiche Phänomen ist bei seismischen Aktivitäten am Werk: Das Rumpeln des Bodens scheint zufällig, hängt aber tatsächlich mit früheren seismischen Aktivitäten in jüngster Zeit zusammen. Rosa Rauschen tritt auch in klassischer Musik auf und sogar bei der Überwachung von Herzschlägen und Gehirnaktivität, sagt Co-Autor Robert Hovden, Materialwissenschaftler und Ingenieur an der University of Michigan in Ann Arbor. Diese Phänomene „gehören zu einer universellen Klasse von Verhalten und Physik“, sagt Hovden.
Dies ist das erste Mal, dass Forscher berichtet haben, „dass Perlmutt sich selbst heilt und wenn ein Defekt auftritt, heilt es sich innerhalb weniger [layers], ohne ein externes Gerüst oder eine Schablone zu verwenden“, sagt Pupa Gilbert, ein Physiker, der Biomineralisation an der University of Wisconsin-Madison studiert und nicht an der Studie beteiligt war. „Perlmutt ist ein noch bemerkenswerteres Material, als wir zuvor geschätzt hatten.“
Otter bemerkt: „Diese bescheidenen Kreaturen machen ein superleichtes und superhartes Material so viel einfacher und besser als wir es mit all unserer Technologie tun.“ Perlmutt besteht nur aus Kalzium, Karbonat und Protein und ist „3.000 Mal härter als die Materialien, aus denen es besteht“.
Dieses neue Verständnis von Perlen, fügt Hovden hinzu, könnte „die nächste Generation von Supermaterialien“ inspirieren, wie energieeffizientere Sonnenkollektoren oder robuste und hitzebeständige Materialien, die für den Einsatz in Raumfahrzeugen optimiert sind.