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El secreto de la biomineralización: ¿Cómo puede la vida crear minerales tan asombrosos?
La biomineralización es un proceso biológico mediante el cual los organismos pueden producir minerales, lo que a menudo da como resultado un tejido mineral endurecido o rígido. Este fenómeno ocurre en los seis reinos taxonómicos de la vida y los organismos son capaces de formar más de 60 minerales diferentes. Desde silicatos en algas y diatomeas hasta carbonatos en invertebrados, fosfato de calcio y carbonato de calcio en vertebrados, estos minerales se usan comúnmente para formar características estructurales como conchas marinas, esqueletos de mamíferos y aves.
La biomineralización se considera un proceso de mineralización controlado por el organismo en el que la forma, el crecimiento, la composición y la posición de los cristales se rigen completamente por los procesos celulares de ese organismo en particular.
Con el tiempo, los organismos han producido esqueletos mineralizados que datan de hace 550 millones de años. Los minerales formados biológicamente a menudo tienen usos especializados, como la magnetita (Fe3O4) como sensor magnético en bacterias magnéticas, o el sulfato de calcio natural (CaSO4) y el sulfato de bario (BaSO4) en dispositivos sensores de gravedad. Taxonómicamente, los biominerales más comunes son las sales de fosfato cálcico y carbonato cálcico, que se utilizan junto con polímeros orgánicos como el colágeno y la quitina para proporcionar soporte estructural a los huesos y las conchas.
Tipos de biomineralización
El proceso de biomineralización se puede subdividir según diferentes criterios, incluida la capacidad del organismo o proceso para crear las condiciones químicas necesarias para la formación de minerales, el origen de la matriz en el sitio de precipitación mineral y el efecto. de la matriz sobre la morfología cristalina, la composición y el grado de control sobre el crecimiento. Estas subcategorías incluyen biomineralización, mineralización de órganos y mineralización inorgánica, etc. Sin embargo, el uso de estos términos en la literatura científica varía ampliamente y no existe una definición unificada.
Biomineralización
La biomineralización es un proceso que ocurre cuando la forma, el crecimiento, la composición y la posición de los cristales están completamente controlados por los procesos celulares de un organismo específico. Ejemplos de este proceso incluyen los caparazones de invertebrados como moluscos y braquiópodos. Además, la mineralización del colágeno proporciona una importante resistencia a la compresión de los huesos, cartílagos y dientes de los vertebrados.
Mineralización de órganos
Este tipo de mineralización incluye la mineralización inducida biológicamente y la mineralización influenciada biológicamente. La mineralización inducida biológicamente generalmente ocurre bajo la influencia de las actividades metabólicas de los microorganismos, produciendo condiciones químicas favorables para la formación de minerales. De manera similar, la mineralización influenciada bióticamente es cuando el ambiente químico se ve afectado por procesos abióticos, como la evaporación o la liberación de gases.
El papel de las criaturas
En los animales, los biominerales que contienen carbonato de calcio, fosfato de calcio o silicio desempeñan una variedad de funciones, como apoyo, defensa y captura de presas. A escala supracelular, los biominerales suelen ser depositados por un órgano especializado que está claramente establecido en las primeras etapas del desarrollo embrionario. Este órgano contendrá una matriz orgánica para facilitar y guiar la deposición de cristales. Esta matriz puede ser colágeno, como en los metazoos, o puede ser la base de otra molécula de polisacárido, como es más común en los moluscos.
Entre los moluscos, las conchas son materiales compuestos biosintéticos que han recibido amplia atención por parte de la comunidad científica de materiales debido a sus propiedades únicas y como modelo para la biomineralización.
Por ejemplo, las conchas de los moluscos están compuestas de 95 % a 99 % de carbonato de calcio, y el 1 % a 5 % restante proviene de componentes orgánicos. La tenacidad a la fractura de este material compuesto es 3.000 veces mayor que la de su homólogo monocristalino, lo que ha atraído una investigación profunda por parte de los científicos durante el proceso de biomineralización.
Mineralización microbiana
Los hongos también juegan un papel importante en la biomineralización. El crecimiento de hongos puede producir precursores minerales relacionados con el cobre, como el carbonato de cobre a partir de una mezcla de (NH4)2CO3 y CuCl2. Además de depositar carbonato de calcio, los hongos promueven la formación de minerales de fosfato de uranio utilizando organofosforados como sustrato. Estos hongos, como Aspergillus niger y Paecilomyces javanicus, aunque se consideran tóxicos, son capaces de tolerar la presencia de uranio.
El papel de las bacterias en la biomineralización
En las bacterias, la función de los biominerales no está clara. Una hipótesis es que las células forman biominerales para evitar quedar atrapadas por sus propios metabolitos. Las partículas de óxido de hierro también pueden mejorar su metabolismo.
Impacto global de la biomineralización
La biomineralización juega un papel importante en los ecosistemas globales, particularmente en los ciclos biogeoquímicos y como sumidero de carbono. La mayoría de los minerales biológicos se pueden dividir en varias clases de minerales diferentes según su composición química: silicatos, carbonatos y fosfatos. Entre ellos, la diversidad biomineral es la expresión de la interacción entre los organismos y su entorno.
La evolución de la biomineralización
La primera evidencia de biomineralización se remonta a hace unos 750 millones de años, y organismos como las esponjas pueden haber comenzado a formar esqueletos de calcita hace 630 millones de años. Vale la pena señalar que la biomineralización no comenzó a aparecer hasta el período Cámbrico u Ordovícico. Una observación importante durante este proceso es que el organismo adoptó la forma de carbonato de calcio que era más estable en la columna de agua en ese momento y permaneció en esa forma por el resto de su historia biológica.
Este fenómeno plantea una pregunta fundamental: ¿Por qué algunos organismos eligen biomineralizarse y otros no? La competencia entre organismos y las interacciones con el medio ambiente revelan los antecedentes evolutivos de la biomineralización. Estas relaciones complejas promueven la diversidad de organismos, y el proceso de biomineralización también proporciona una gran inspiración y posibilidades para futuras investigaciones en ciencia de materiales.
Un proceso tan evolutivo de biomineralización también plantea una pregunta reflexiva: ¿Cómo pueden los organismos controlar el crecimiento y la formación de estructuras de minerales de manera tan exquisita durante un proceso evolutivo como este?
