Study on the Formation Mechanism and Basic Characteristics of Pearl

Zhu Di ¹, Gao Hong ^2, Jin Lingfei ^1,2*

1 Zhuji Cuixi Academy of Biotechnology, Zhuji, 311800

2 Institute of Life Science, Jiyang College of Zhejiang A&F University, Zhuji, 311800

 * Corresponding author, jinlingfei@molplantbreed.org

Abstract Pearl is an ancient organic gem with unique beauty, and has been treated as a treasure since ancient times. From a scientific point of view, pearls are produced in the bodies of Pteria and Pinctada molluscs. The pearls are rich in color and diverse in shape, and are formed by the accumulation of calcium carbonate (CaCO3) containing minerals (aragonite) beads produced by endocrine. This paper summarizes the biological characteristics and formation mechanism of pearl during its growth and development; The chemical composition, biological activity and internal and external causes of pearl are clarified to reveal their formation mechanism and the physiological and biochemical characteristics of pearls; The physiological and biochemical characteristics of pearls and their main chemical components are analyzed to provide scientific basis for improving the quality of cultured pearls in China and the follow-up research and development of new composite materials.

Keywords Pearl; Form; Formation mechanism; Chemical characteristics

珍珠(Pernulo, pearl)是一种古老的有机宝石，主要产于珍珠贝目(Anisomyaria)珍珠贝科(Pteriidae)软体动物体内，种类丰富，形状各异，色彩斑斓，通常作为珠宝，药品，食品应用于我们生活中。根据地质学和考古学的研究证明，在两亿年前，地球上就已经有了珍珠(http://www.nimrf.net.cn/index.action)。中国是世界上最早发现珍珠和最早利用珍珠的国家之一，也是人工养殖珍珠最早的国家，是世界上名副其实的珍珠古国。早在6 000多年前中国就有开始采集、应用珍珠的记载，《格致镜原·装台记》中曾记载周文王用珍珠装饰发髻的史实，《尚书·禹贡》中也曾有“淮夷宾珠”的记述，这些都说明中国采珠历史早在夏禹时代就已开始。不仅如此，《诗经》、《山海经》、《尔雅》、《周易》中也都记载了很多关于珍珠的内容记载。

而人们并不局限于单纯的养殖、采集和应用珍珠，人们发现准确了解珍珠形成的机理有助于后续珍珠人工养殖，也为培育更优质的珍珠提供了科学依据。自18世纪末就有大量的科学工作者开始了人类于真正科学层面对“珍珠”定义与形成机理的研究。100多年前的科学家针对当时盛行的唯心主义的神话和传说，将珍珠切为两半，发现其中的核是吸虫，绦虫的幼虫、头部和卵球，甚至是沙粒，得出寄生虫形成珍珠的说法。随后，有人通过研究认为，珍珠是以寄生虫的残体为核，在周围形成所谓的珍珠囊，珍珠囊分泌珍珠质，附在核上，形成珍珠。1913年，尔维德司把分开的外套膜表皮细胞注人外套膜表皮细胞内使之形成珍珠囊，取得了人工培育无核珍珠的成功。1947年，日本的松井佳一等发现外套膜上皮细胞发生病理变化时，出现异常增殖，产生皱褶并凹陷形成珍珠囊，产生珍珠。日本学者根据中国宋代人工培育佛像珠的褶原理，用贝壳球状核包被外套膜片，插进外套膜内，养成游离的正圆的有核珍珠。

最终我们将珍珠定义为是贝类外套膜的一部分细胞由于某种原因，在贝类体内形成珍珠囊并分泌类似贝壳的物质，围绕一个共同的核心沉积而成的圆球形或其他形状的物体(Farn and Alexander, 2013)。基于此，本综述概述了珍珠的成因、结构、外形特征与生理生化特征，为提高我国养殖珍珠质量，后续新型复合材料的研发提供科学依据。

1珍珠的成因

1.1珍珠形成的外因

珍珠形成的外因主要包括两种形成机制。一种是当贝、蚌的外套膜被异物(如沙粒、寄生虫等)侵入时，贝体启动自保机制，受刺激处的外套膜表皮细胞以异物为中心，陷入外套膜的结缔组织中，陷入的部分外套膜表皮细胞不断自行分裂、包裹，形成以异物为核的囊状结构——珍珠囊。珍珠囊细胞分泌珍珠质，一层复一层地持续包裹异物，珍珠质随时间推移不断加厚，最终形成“有核珍珠”(图1)。

图1有核珍珠形成的过程 Figure 1 Process of nucleated pearl formation

另外一种形成机制是，贝、蚌的外套膜被异物侵入时，外套膜的外表皮细胞感受到外来刺激，外表皮细胞发生非正常增殖后陷入外套膜结缔组织中，然后外表皮细胞持续分裂，形成多个珍珠囊，分泌珍珠质，进而形成珍珠。这种没有异物核的珍珠被称为“无核珍珠”。

1.2珍珠形成的内因

珍珠的内因形成机制和蚌内部发生的病变有关。贝、蚌的外套膜的外表皮细胞因病理变化而产生有效刺激，受刺激的一部分表皮进行细胞分裂而后发生游离，随即包裹自身分泌的有机物质(角质蛋白)，同时逐渐陷进外套膜结缔组织中。外表皮细胞不断分裂形成珍珠囊，同时分泌珍珠质持续覆盖，形成珍珠。这种因病变而形成的珍珠由于没有异物为核，也被称为“无核珍珠”(沙拿利和张晓辉, 2013)。

如今人工养殖的珍珠，就是根据此类原理，通过从育珠蚌外套膜剪下活的上皮细胞小片(简称细胞小片)，与蚌壳制备的人工核、一起植入蚌的外套膜结缔组织中，植入的细胞小片依靠结缔组织提供的营养(人工无核珍珠是对外套膜施术时仅植入细胞小片)，围绕人工核迅速增殖形成珍珠囊，分泌珍珠质，从而生成人工有核珍珠。

2珍珠的结构外型特征

2.1珍珠蚌的结构

珍珠蚌壳大、厚而坚实，呈长椭圆形。壳长可达180 mm，壳高可达70 mm，壳宽可达40 mm。两壳膨大，壳面深褐色，或近黑色，并布有带光泽的斑(图2)。

图2淡水珍珠蚌外观(A)与内观(B) 注: 蚌有一个或两个部分铰接在一起组成的壳, 以保护动物体内的柔软身体, 外表面幼年时通常呈黄褐色, 随着年龄的增长，颜色逐渐变暗; 贝壳的老部分经常出现腐蚀; 内表面为珍珠白色, 有时带有迷人的彩虹色 Figure 2 Appearance (A) and interior (B) of freshwater pearl mussel Note: A mussel has a shell composed of one or two hinged parts to protect the soft body inside the animal. The outer surface is usually yellow brown when young, and gradually darkens with age; The old part of the shell often corrodes; The inner surface is pearl white, sometimes with a charming rainbow color

2.2珍珠的外形特征

珍珠的外部形态即珍珠呈现出的形状，人们大致上将其形状分为规则和不规则形两类(图3)。圆形、半圆形、椭圆形、水滴形、梨形珍珠等属于规则形珍珠，除上述几种规则形珍珠外，其他形状的珍珠统称为不规则珠或者异形珠。

图3形状各异的珍珠 Figure 3 Pearls of different shapes

珍珠呈现透明至半透明状态。折光率1.530~1.686，双折射率：集合体不可测。无色散现象。硬度2.5~4.5，天然淡水珍珠的密度一般为2.66~2.78 g/cm³，韧性较好，但因产地不同而有差异。

珍珠的内部结构是层状结构，与树的年轮类似(图4)。我们可以根据珍珠层来判断珍珠的生长期限、生长年龄。

图4珍珠横切面 Figure 4 Cross sectional view of pearls

珍珠蚌通过跟自然界的光线的特殊互动，影响它珠光的形成度和颜色，形成了典型的、柔和且带有虹晕色彩的“珍珠”光泽。珍珠的独特光泽取决于来自壳最内层的结构——珍珠层的光的反射、折射和衍射。最珍贵的珍珠有一种金属的，高度反射的光泽。珍珠层是指充填于碳酸钙叠层缝隙间的被称为贝壳硬蛋白的蛋白质，其结构关系类似于砌墙的砖与水泥(图5)。珍珠层越薄，数量越多，光泽就越好。

图5珍珠层断裂表面的电子显微镜图像 Figure 5 Electron microscope image of the fracture surface of the pearl layer

由于珍珠为非均质体，表面存在白色条痕，所以颜色大体以白色为主，另有粉红色、银色、奶油色、棕色、绿色、蓝色、黑色、黄色、橙色、红色、金色、紫色、彩虹色；珍珠(特别是人工养殖的淡水珍珠)也可以被染成黄色、绿色、蓝色、棕色、粉红色、紫色或黑色(图6)。

图6黑珍珠 Figure 6 Black pearl

3珍珠的生理生化特征

珍珠是在珍珠贝、蚌内形成的物质，是其新陈代谢的产物，其化学成分除含有大量无机成分外，还含有一定量的有机成分和水分等。其中无机成分以霰石型碳酸钙晶体(文石和方解石)为主，加少量碳酸镁(菱镁矿)，占91%左右。有机成分以壳角蛋白为主，占珍珠总量的5%以下。含水量在0.6~0.8%。同时还有铁，酷、铜、钴、银、锌、镁、钼、镍和的等多种微量元素。

3.1珍珠的无机成分

珍珠无机成分的主体是碳酸钙及少量的碳酸镁。这是因为软体动物外套膜中可分泌出可溶粘液与不可溶粘液，诱发结晶成文石或方解石。

此外，珍珠的成分中还含有Cu、Fe、Zn、Mn、Mg、Cr、Sr、Pb、Na、K、Ti、V、Al、Ag、Co等10种微量元素。而微量元素会影响珍珠的品质和颜色。和其他宝石一样，微量元素对珍珠的颜色起着重要的作用。

利用等离子发射光谱仪，分析不同颜色淡水珍珠粉中所含金属离子的含量，结果表明：Zn、Ti、V、Ag、Mg、Sr等元素的含量随珍珠的颜色偏深而增加，其光泽也随之增强，说明金属离子的含量与珍珠的颜色和光泽呈正相关。其中桃红色珍珠主要含Mn，含Mg、Na、Zn、Si、Ti也较多；金色、奶油色的珍珠含Cu、Ag等金属成分；银色珍珠含有Mn、Na、Ti；金色珍珠含金属种类最多；银灰色珍珠含有机物质较多，白色珍珠含有机物质较少。

3.2珍珠的有机成分

珍珠有机成分的主体是壳角蛋白(也称角质蛋白或固蛋白)和各种色素等。

珍珠中有机成分质量分数大约占3.5%~7%。提取淡水养殖珍珠中的壳角蛋白，经水解后利用氨基酸自动分析仪，检测到门冬氨酸、丝氨酸、苏氨酸、谷氨酸等多种氨基酸(表1)。此外，因为各种有机色素的影响，珍珠的颜色不同(张蓓莉, 2006)。不同颜色的珍珠氨基酸含量略有差异。

表1淡水养殖珍珠中的氨基酸种类及含量 Table 1 Types and content of amino acids in freshwater cultivated pearls

不同类型母贝的化学组成有差异，因此导致珍珠的营养价值、药用价值的差别很大，其中淡水珠的价值低于海水珠。

人们在研究珍珠化学成分的基础上，也深入研究了珍珠的物相组成。目前主要存在两种观点。一种观点认为珍珠主要由方解石组成，另一种观点则认为珍珠主要由文石组成，文石的含量直接影响着珍珠的质量。

4结论和展望

珍珠因其柔和的光泽、温润的质感，自诞生之初便备受皇室的钟爱，更是因其独特的性质被称为珠宝界“五王一后”中的“一后”。色彩丰富、形状多样的珍珠有着极高的观赏价值、研究价值与保健功效，随着珍珠行业的逐渐崛起和发展，珍珠受到越来越多的国内外消费者与研究者的广泛关注。因为环境和技术的限制，天然珍珠的采集数量仍是比较稀少的，人工技术科学养殖珍珠是目前珍珠市场的主力军。不同地区的环境因素导致珍珠存在明显差异。因此，研究珍珠的成因、结构、外形特征与生理生化特征，有助于我们更好地了解其机理，并有助于珍珠品种的培育，更全面地推动珍珠行业的发展。

珍珠分为淡水珍珠和海水珍珠两种。因地理位置和自然条件的影响，中国主要出产淡水珍珠。如今，中国已经成为全球最重要的淡水珍珠产地。中国的淡水珍珠主要养殖区在诸暨、常德、苏州、江西、湖北、安徽等地。珍珠养殖作为第一产业，为推动地方经济发展，解决劳动就业做出贡献。随着政策的发展，珍珠培育、珍珠养殖、珍珠销售已经成为很多地区的标志性产业。如何更好、更全面的将珍珠产业发展为龙头型产业成为了地区经济转型的一个关键点。为此，我们需要更深入地去剖析珍珠的成因以及影响其生长的条件，在可控的实验下去试验出更科学高效高质量的珍珠养殖。

珍珠贝、蚌与自然光照的互动以及珍珠贝、蚌内生活的环境往往与珍珠的成色与形状有关，这两个因素在珍珠的产生和质地上起到关键的作用。而有无人工干预以及在怎么样的水体环境下生长，同样也与珍珠最后的呈现息息相关。在此方面，珍珠的研究较少，所以未来应该加强这些方面的研究，对进一步了解珍珠形成具有重要意义，对于我国珍珠新品种的研发等具有重要的实际应用价值。

作者贡献

朱笛是综述的主要撰写人，完成相关文献资料的收集和分析及论文初稿的写作，参与文献资料的分析、整理；高虹参与文献资料的分析、整理；金玲飞是项目的构思者及负责人，指导论文写作。全体作者都阅读并同意最终的文本。

致谢

本研究由诸暨市翠溪生物技术研究院《翠溪创新研发项目基金》资助。

参考文献

Farn, and Alexander E., 2013, Pearls: Natural, Cultured and Imitation, Burlington: Elsevier Science, pp.90-108. ISBN 9781483162737.

Sha N.L., and Zhang X.H., Pearls,Geology Press, Beijing, China, pp.38-48.(沙拿利, 张晓辉, 2013, 珍珠, 地质出版社, 中国, 北京, pp.38-48.)

Zhang B.L., 2006, Systematic gemmology, Geology Press, Beijing, China, pp.102.(张蓓莉, 2006, 系统宝石学，地质出版社, 中国, 北京, pp.102.)