贝壳上的图案是怎么形成的?

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太平洋岛贝壳爱好者,万有青年养成计划入围选手

2014-01-11 19:55

贝壳上的图案是怎么形成这是个很复杂的问题,研究的人很多,这有个专门学科叫做生物图案形成模式,要讲的话可以讲很多,也涉及到很多数学算法方面的东西,我自己也没怎么仔细看的,不过这里就先简单说一下吧。
首先来点背景知识。贝壳的基本结构是有三层,最外的是很薄的角质层,主要是有机质;中间厚的部分主要是方解石和文石组合构成的棱柱层;最里面是珍珠层。我们能看到的那些图案主要是在中间的棱柱层中沉积的各种有色化合物导致的,比如吡咯或者卟啉之类的,而且贝类一般不是直接产生有色物质,而是分泌无色底物和激活剂,利用激活剂来促使色素形成。软体动物的外套膜是分泌形成壳的器官,随着里面软体动物的生长贝壳也不断形成,然后就可以大概说一下贝壳的那些各种图案是怎么形成的。
首先是和生长方向平行的条纹,这是最简单的图案形成模式,比如像是下面这个平濑芋螺Conus hirasei。这是由于外套膜分泌色素激活剂的物理位置不同,色素按照在壳上的位置稳定地持续产生导致的。


然后是复杂一点的和生长方向垂直的条纹,比如这个柳条涡螺Amoria ellioti。这个图案形成模式关系到了一个激活剂与抑制剂配合作用的拮抗系统。在某一时刻外套膜形成新的壳的边缘的同时产生大量色素激活剂,于是在边缘上形成了一条与生长方向垂直的线,同时立刻伴随产生大量的抑制剂,与激活剂拮抗阻止了图案的继续生成,之后在壳的形成过程中抑制剂的浓度不断下降,但是由于没有新的激活剂产生色素因此图案出现了中断,当抑制剂浓度下降到某一阈值时激活剂重新大量产生形成图案,伴随着抑制剂也立刻大量重新产生,周而复始。


然后是更复杂的和生长方向成一定角度的条纹,比如这个波纹横帘蛤Paphia undulata,同样是激活剂与抑制剂配合作用的拮抗系统,但是涉及到了行波的作用。一个模型是这个系统中的激活剂有一个小的扩散范围但是抑制剂几乎不扩散。激活剂可以像行波一样在一个区域扩散开来,使与之相邻的区域都产生色素,但是与之拮抗的抑制剂不能扩散,而只是在原位抑制激活剂的作用;此外,激活剂还具有累加增强的效应,也就是越扩散其边缘的浓度会不断提高,产生大量的色素,当高到某一阈值时促使了扩散到的那个位置瞬间产生了大量抑制剂,直接阻断了图案继续生成。如此随着贝壳生长二者相互作用形成了斜向的条纹,而那些V形的条纹是两条行波交叉,都被抑制剂抑制色素形成产生的。
另外一般情况下贝壳上比较容易出现V形纹路而不容易出现两个波相互穿透的X形纹路,因为那些交叉的区域都是被抑制剂所拮抗,激活剂很难在沿交叉点继续向下产生色素。不过也有X形纹路的,那又是另一种复杂的图案形成模式了,讲起来就要涉及到一堆数学公式和计算了,此处不表了。

此外,很多复杂图案,是抑制剂与激活剂都能扩散并相互作用的结果,就好象不同波的相互干涉作用,有时还会形成驻波一样。总之以上各种因素配合作用能形成各种各样非常复杂的图案。就先这样吧。

--------------------------------------------------这是分割线-----------------------------------------------------------------
有同学问珍珠层为什么都是白色的。。。。事实上贝壳的珍珠层颜色是很多的,比如说这个金口蝾螺Turbo chrysostomus的珍珠层是金黄色的

@冈瓦纳 照片借用一下啦)
这个红口骨螺Phyllonotus erythrostomus就是粉红色的

另外有的种类在内侧是条纹的但是外侧很不明显~不过我怀疑这不是珍珠层上的而是在棱柱层内侧积累的色素,而珍珠层非常薄就把颜色透出来了。。。比如这个美国产的淡水螺是菱蜷Io fluvialis

另外配合这篇介绍壳的生长的文章看风味更佳~谁说生物是集邮的,全是数学好么!!!
http://www.guokr.com/question/474285/?_block=question_recommend_relevant&_pos=4

对贝壳的图案形成有兴趣的同学可以看看这篇文献,算是第一篇比较详细的综述了,不过看起来比较头疼
Meinhardt, H. and Klingler, M. (1987). A model for pattern formation on the shells of molluscs. J. theor. Biol 126, 63-69. [url=http://www.eb.tuebingen.mpg.de/fileadmin/uploads/pdf/Emeriti/Hans_Meinhardt/Old_paper_pdf/87-shells.pdf]PDF[/url]

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