Ngọc trai hình thành khi một nhóm tế bào của lớp áo (màng bao phủ thân con trai, con hàu) bị đẩy vào sâu trong mô, tạo thành một túi nhỏ gọi là túi ngọc. Túi này tiếp tục làm đúng việc nó vẫn làm khi còn ở lớp áo: tiết ra xà cừ, chất tạo nên mặt trong óng ánh của vỏ. Lớp này chồng lên lớp kia quanh một nhân, sau nhiều năm thành viên ngọc. Tác nhân khởi đầu thường là ký sinh trùng hoặc tổn thương mô, hiếm khi là hạt cát.
Bên trong viên ngọc là một trong những vật liệu sinh học được nghiên cứu nhiều nhất: xà cừ cấu tạo từ hàng nghìn lớp tinh thể canxi cacbonat mỏng cỡ bước sóng ánh sáng, dán với nhau bằng protein. Cấu trúc này vừa tạo ra ánh cầu vồng, vừa khiến xà cừ dai hơn rất nhiều so với khoáng vật gốc. Bài viết kể lại cách ngọc thành hình, cách con người học nuôi cấy, và vì sao ngọc trai tự nhiên ngày nay hiếm.
Túi ngọc thành hình: từng bước bên trong con trai
Quá trình diễn ra trong mô mềm, chậm và không ai quan sát trực tiếp được ở ngọc tự nhiên. Các nhà sinh học tái dựng nó qua mổ xẻ, chụp tia X và thí nghiệm nuôi cấy:
- Lớp áo là "nhà máy xà cừ". Các tế bào biểu mô ở mặt ngoài lớp áo liên tục tiết ra chất xây vỏ, kể cả lớp xà cừ mặt trong.
- Một sự cố đẩy tế bào vào sâu. Ký sinh trùng chui vào, vỏ bị tổn thương, hoặc mô bị kẹt, cuốn theo một nhóm tế bào biểu mô vào trong mô liên kết.
- Tế bào tạo thành túi kín. Nhóm tế bào phân chia, bao quanh vật lạ hoặc chỉ quanh một khoảng trống, tạo thành túi ngọc.
- Túi tiết xà cừ vào phía trong. Lớp này nối lớp kia, mỗi lớp gồm tinh thể aragonit và chất nền hữu cơ. Viên ngọc lớn dần theo năm tháng.
- Hình dạng tuỳ vào túi và vị trí. Túi đều đặn, nằm nơi ít bị ép thì ngọc tròn; nằm sát vỏ hay bị cử động cơ thể ép thì ngọc méo, giọt nước hoặc hình bất định.
Chụp tia X các viên ngọc tự nhiên cho thấy nhiều viên không có nhân rõ ràng, hoặc nhân là chất hữu cơ, khoảng rỗng. Hình ảnh hạt cát quen thuộc trong sách báo là cách nói đơn giản hoá: con trai sống trên nền cát hằng ngày mà hiếm khi tạo ngọc vì cát.
Xà cừ: bức tường gạch vữa tí hon
Nhìn dưới kính hiển vi điện tử, xà cừ trông như bức tường xây gạch. "Gạch" là các tấm tinh thể aragonit, một dạng của canxi cacbonat, dày khoảng nửa micromet, xếp thành lớp. "Vữa" là chất nền hữu cơ gồm protein và chitin, mỏng hơn nhiều, dán các tấm với nhau.
Cách sắp xếp này giải thích độ dai đáng kinh ngạc của xà cừ. Aragonit nguyên khối khá giòn. Nhưng khi có vết nứt trong xà cừ, nó không thể chạy thẳng: phải vòng qua từng viên gạch, lớp vữa hữu cơ co giãn hấp thụ năng lượng, các viên gạch trượt nhẹ lên nhau. Các nghiên cứu cơ học thường trích dẫn rằng xà cừ dai hơn aragonit đơn thuần hàng trăm tới hàng nghìn lần, tuỳ cách đo.
Ngành khoa học vật liệu lấy cảm hứng từ cấu trúc này để thiết kế gốm nhiều lớp, vật liệu chống đạn, lớp phủ chịu va đập. Một con trai tạo ra vật liệu như vậy ở nhiệt độ nước biển, từ ion có sẵn trong nước, không cần lò nung, điều mà công nghiệp vẫn đang cố bắt chước.
Vì sao ngọc trai óng ánh: giao thoa ánh sáng
Màu sắc óng ánh như cầu vồng trên mặt xà cừ không đến từ sắc tố. Độ dày mỗi tấm aragonit tương đương bước sóng ánh sáng nhìn thấy. Ánh sáng phản xạ ở mặt trên và mặt dưới mỗi lớp giao thoa với nhau: ở một góc nhìn, bước sóng màu này được tăng cường, bước sóng màu kia bị triệt tiêu. Đổi góc nhìn, màu nổi lên cũng đổi. Hiện tượng giống váng dầu loang trên mặt nước hay bong bóng xà phòng.
Giới ngọc học phân biệt hai thứ: "ánh" là độ sáng và độ sắc nét của hình phản chiếu trên bề mặt viên ngọc, phụ thuộc độ mịn và độ dày lớp xà cừ; còn "sắc ánh" là các dải màu lung linh do giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng giữa các lớp. Hai yếu tố này cùng tạo ra vẻ "có hồn" của ngọc trai, điều mà hạt nhựa phủ sơn không có.
Màu nền của ngọc, như trắng, kem, vàng, xám đen, thì có phần do sắc tố trong chất hữu cơ và phụ thuộc loài trai, môi trường nước. Ngọc từ loài trai môi đen ở Polynesia thường có màu nền tối; trai môi vàng cho sắc vàng óng. Cùng một cơ chế xà cừ, mỗi loài lại có "bảng màu" riêng.
Con người học nuôi cấy ngọc trai
Người Trung Hoa từ nhiều thế kỷ trước đã biết chèn tượng nhỏ bằng chì hay xương vào trai nước ngọt để trai phủ xà cừ lên thành tượng Phật bán cầu. Nhưng ngọc tròn nuôi cấy chỉ thành hiện thực vào đầu thế kỷ 20 tại Nhật Bản. Năm 1893, Kokichi Mikimoto tạo được ngọc bán cầu từ trai Akoya. Vài năm sau, Tatsuhei Mise và Tokichi Nishikawa phát triển kỹ thuật cấy một mẩu mô lớp áo kèm hạt nhân vào trong cơ thể trai, chìa khoá để có ngọc tròn. Mikimoto về sau mua quyền và phát triển kỹ thuật thành ngành công nghiệp.
Kỹ thuật hiện nay về cơ bản giữ nguyên ý tưởng: thợ cấy đặt một hạt nhân tròn (thường mài từ vỏ trai nước ngọt) cùng một mẩu mô lớp áo của con trai khác vào tuyến sinh dục của trai mẹ. Mô cấy phát triển thành túi ngọc quanh nhân. Với trai nước ngọt, người ta thường chỉ cấy mô, không có nhân, và một con có thể cho nhiều viên.
Ở Việt Nam, nghề nuôi cấy ngọc trai có mặt ở các vùng biển như Quảng Ninh, Khánh Hoà và Phú Quốc. Môi trường nước sạch và ổn định là điều kiện sống còn: ô nhiễm, nhiệt độ nước bất thường có thể làm trai chết hàng loạt hoặc ngọc kém chất lượng.
Ngọc trai tự nhiên hiếm cỡ nào và vì sao
Xác suất thấp. Không phải con trai nào cũng có ngọc, và trong số có ngọc, rất ít viên đủ tròn, đủ lớn, đủ ánh. Thợ lặn xưa có khi phải mở hàng nghìn con mới được một viên đáng kể.
Ngư trường cạn kiệt. Vùng Vịnh Ba Tư từng là trung tâm khai thác ngọc tự nhiên lớn của thế giới hàng thế kỷ. Từ thập niên 1930, khủng hoảng kinh tế và ngọc nuôi cấy từ Nhật Bản khiến nghề lặn ngọc suy sụp. Nghề này ở Bahrain được UNESCO ghi danh là di sản thế giới năm 2012 như một chứng tích văn hoá.
Thị phần nhỏ. Ngày nay ngọc nuôi cấy chiếm gần như toàn bộ lượng ngọc trai lưu hành. Ngọc tự nhiên chủ yếu xuất hiện trong bộ sưu tập cổ và đấu giá.
Phân biệt bằng tia X. Ngọc nuôi cấy có nhân thường lộ một hạt tròn đồng nhất với ranh giới rõ dưới tia X; ngọc tự nhiên có cấu trúc lớp đồng tâm từ tâm ra ngoài. Phân biệt đáng tin cần phòng kiểm định.
Hiểu nhầm hay gặp về ngọc trai
"Ngọc trai càng tròn càng là tự nhiên." Thực tế ngược lại: ngọc tự nhiên tròn hoàn hảo cực hiếm, còn ngọc nuôi cấy có nhân tròn thì dễ tròn đều hơn. Hình dạng không phải dấu hiệu để phân biệt nguồn gốc.
"Cắn thấy sạn sạn là ngọc thật." Mép các tấm aragonit tạo cảm giác hơi ráp khi chà nhẹ lên răng, còn hạt nhựa, thuỷ tinh phủ sơn thường trơn láng. Nhưng đây chỉ là gợi ý thô, không phân biệt được ngọc tự nhiên với ngọc nuôi, và cắn mạnh có thể làm trầy lớp xà cừ mềm.
"Ngọc trai màu đen đều là nhuộm." Ngọc từ loài trai môi đen có màu nền tối tự nhiên, kèm sắc ánh xanh lục, tím. Nhuộm có tồn tại, nhưng không phải mọi ngọc tối màu đều là nhuộm; xác định cần phòng kiểm định.
"Ngọc trai cứng như đá quý." Ngọc trai chỉ cứng khoảng 2,5–4,5 trên thang Mohs, mềm hơn thạch anh trong bụi, nên dễ trầy khi để chung với trang sức đá. Bù lại, cấu trúc xà cừ khiến nó dai, ít vỡ khi rơi.
Những điều khoa học còn đang tìm hiểu
Một câu hỏi hấp dẫn là làm sao hàng triệu tế bào "biết" xếp các tấm aragonit đều đặn như vậy. Các nghiên cứu hình ảnh độ phân giải cao trong khoảng năm 2020–2021 cho thấy độ dày các lớp xà cừ trong ngọc trai dao động nhưng có xu hướng tự điều chỉnh: lớp nào hơi dày thì lớp sau mỏng lại, giữ cho tổng thể đều đặn qua hàng nghìn lớp. Cơ chế sinh học chi tiết phía sau vẫn đang được nghiên cứu.
Một hướng khác là vai trò của các protein trong chất nền: chúng quyết định canxi cacbonat kết tinh thành aragonit hay canxit, kích thước và hướng của tinh thể. Hiểu được "công thức protein" này có thể giúp tổng hợp vật liệu khoáng hoá ở nhiệt độ thường.
Ngoài ra, các nhà khoa học môi trường dùng vỏ và ngọc trai như "nhật ký" nước biển: thành phần đồng vị và nguyên tố vi lượng trong từng lớp phản ánh nhiệt độ, độ mặn lúc lớp đó hình thành. Viên ngọc vì thế không chỉ đẹp, mà còn là bản ghi chép môi trường nhỏ xíu.
Câu hỏi thường gặp
Ngọc trai có tan trong giấm không?
Có, vì ngọc trai chủ yếu là canxi cacbonat, phản ứng với axit. Giai thoại kể nữ hoàng Cleopatra hoà tan ngọc trai trong giấm để thắng cược. Các thí nghiệm hiện đại cho thấy giấm thông thường có thể hoà tan ngọc trai nhưng cần nhiều giờ, nhanh hơn nếu nghiền nhỏ, nên chi tiết "tan ngay" trong giai thoại có lẽ đã được phóng đại.
Con hàu ăn được có tạo ngọc trai không?
Hàu ăn thông thường có thể tạo những cục canxi nhỏ, nhưng hiếm khi có ánh xà cừ đẹp, vì lớp trong vỏ của chúng không phải xà cừ óng ánh như trai ngọc. Ngọc trai giá trị chủ yếu đến từ các loài trai ngọc biển thuộc chi Pinctada và một số loài trai nước ngọt.
Vì sao ngọc trai cần được đeo thường xuyên?
Lời khuyên này có cơ sở ở chỗ ngọc chứa một lượng nhỏ nước và chất hữu cơ; để quá khô lâu ngày trong két kín có thể khiến lớp xà cừ nứt chân chim. Tuy vậy, mồ hôi, nước hoa và mỹ phẩm cũng có thể làm mờ ánh, nên người ta thường lau ngọc bằng khăn mềm sau khi đeo.
Ngọc trai mất bao lâu để hình thành?
Tuỳ loài và điều kiện. Ngọc nuôi cấy Akoya thường được thu sau khoảng một đến hai năm, ngọc biển nam và Tahiti cần lâu hơn để lớp xà cừ đủ dày. Ngọc tự nhiên có thể mất nhiều năm, và không ai biết chính xác thời điểm bắt đầu của từng viên.
Có ngọc trai không có xà cừ không?
Có. Một số loài ốc, như ốc xà cừ hồng vùng Caribe hay ốc dừa ở Đông Nam Á, tạo ra ngọc không có lớp xà cừ, bề mặt giống sứ với vân lửa đặc trưng. Chúng vẫn được gọi là ngọc trai theo nghĩa rộng nhưng cấu trúc khác ngọc xà cừ.
Ngọc trai nuôi cấy có phải ngọc giả không?
Không. Ngọc nuôi cấy do chính con trai tạo ra trong cơ thể nó, xà cừ hình thành theo đúng cơ chế sinh học như ngọc tự nhiên; con người chỉ khởi động quá trình. Ngọc giả là hạt thuỷ tinh hay nhựa phủ lớp óng ánh, hoàn toàn không có xà cừ.