Language
Country/Area
No result found
Il mistero della biomineralizzazione: perché la vita può creare minerali così meravigliosi?
La biomineralizzazione è un processo biologico mediante il quale gli organismi viventi producono minerali, spesso dando origine a tessuti minerali induriti o irrigiditi. Questo fenomeno si verifica in tutti e sei i regni della vita, con organismi in grado di formare più di 60 minerali diversi. Dai silicati presenti nelle alghe e nelle diatomee ai carbonati negli invertebrati, fino ai fosfati di calcio e al carbonato di calcio nei vertebrati, questi minerali sono comunemente utilizzati per formare elementi strutturali come le conchiglie marine, i mammiferi e gli uccelli, nonché le ossa.
La biomineralizzazione è considerata un processo di mineralizzazione controllato dall'organismo in cui la forma, la crescita, la composizione e la posizione dei cristalli sono completamente governate dai processi cellulari di un organismo specifico.
Nel corso del tempo, gli organismi hanno prodotto scheletri mineralizzati a partire da 550 milioni di anni fa. I minerali formati biologicamente hanno spesso usi speciali, come la magnetite (Fe3O4) come sensore magnetico nei batteri magnetici, o il solfato di calcio (CaSO4) e il solfato di bario (BaSO4) naturali nei dispositivi di rilevamento della gravità. Dal punto di vista tassonomico, i biominerali più comuni sono i fosfati e i carbonati di calcio, che interagiscono con polimeri organici come il collagene e la chitina per fornire supporto strutturale a ossa e gusci.
Tipi di biomineralizzazione
Il processo di biomineralizzazione può essere suddiviso in base a diversi criteri, tra cui la capacità dell'organismo o del processo di creare le condizioni chimiche richieste per la formazione minerale, l'origine della matrice nel sito di precipitazione minerale e l'influenza della matrice sulla morfologia cristallina, sulla composizione e sul grado di controllo della crescita. Queste sottocategorie includono la biomineralizzazione, l'organomineralizzazione e la mineralizzazione inorganica. Tuttavia, l'uso di questi termini nella letteratura scientifica varia notevolmente e non esiste una definizione uniforme.
Biomineralizzazione
La biomineralizzazione è il processo che si verifica quando la morfologia, la crescita, la composizione e la posizione dei cristalli sono completamente controllate dai processi cellulari di un organismo specifico. Esempi di questo processo includono i gusci di invertebrati come molluschi e brachiopodi. Inoltre, la mineralizzazione del collagene conferisce un'importante resistenza alla compressione alle ossa, alla cartilagine e ai denti dei vertebrati.
Mineralizzazione degli organi
Questo tipo di mineralizzazione comprende la mineralizzazione bioindotta e la mineralizzazione bioinfluenzata. La mineralizzazione bioindotta avviene solitamente sotto l'influenza dell'attività metabolica dei microrganismi, creando condizioni chimiche favorevoli alla formazione di minerali. Allo stesso modo, la mineralizzazione influenzata biologicamente si verifica quando l'ambiente chimico è influenzato da processi abiotici, come l'evaporazione o il rilascio di gas.
Il ruolo delle creature
Negli animali, i biominerali contenenti carbonato di calcio, fosfato di calcio o silicio svolgono diversi ruoli, tra cui supporto, difesa e predazione. A livello sopracellulare, i biominerali vengono solitamente depositati da un organo specializzato che si forma espressamente nelle prime fasi dello sviluppo embrionale. Questo organo conterrebbe una matrice organica per facilitare e guidare la deposizione dei cristalli. Questa matrice può essere basata sul collagene, come nei metazoi, o su un'altra molecola simile a un polisaccaride, più comune nei molluschi.
Tra i molluschi, le conchiglie sono un materiale composito biosintetico che ha attirato molta attenzione nella comunità scientifica dei materiali per le sue proprietà uniche e come modello di biomineralizzazione.
Ad esempio, i gusci dei molluschi sono composti per il 95%-99% da carbonato di calcio, mentre il restante 1%-5% proviene da fonti organiche. La tenacità alla frattura di questo materiale composito è 3.000 volte superiore a quella della sua controparte monocristallina, il che ha attirato l'attenzione degli scienziati su un'intensa attività di ricerca nel processo di biomineralizzazione.
Mineralizzazione microbica
Anche i funghi svolgono un ruolo importante nella biomineralizzazione. La crescita fungina può produrre precursori minerali correlati al rame, come il carbonato di rame da una miscela di (NH4)2CO3 e CuCl2. Oltre a precipitare il carbonato di calcio, i funghi possono anche favorire la formazione di minerali di fosfato di uranio utilizzando il fosforo organico come substrati. Questi funghi, come l'Aspergillus niger e il Paecilomyces javanicus, sebbene siano considerati tossici, sono in grado di tollerare la presenza di uranio.
Il ruolo dei batteri nella biomineralizzazione
Nei batteri, le funzioni dei biominerali non sono ancora chiare. Un'ipotesi è che le cellule formino biominerali per evitare di essere incorporati nei loro stessi prodotti metabolici. Le particelle di ossido di ferro possono anche migliorarne il metabolismo.
Impatto globale della biomineralizzazione
La biomineralizzazione svolge un ruolo importante negli ecosistemi globali, in particolare nei cicli biogeochimici e come pozzo di carbonio. La maggior parte dei biominerali può essere suddivisa in diversi gruppi minerali in base alla loro composizione chimica: silicati, carbonati e fosfati. Tra queste, alla base della diversità biominerale c'è l'interazione tra gli organismi e il loro ambiente.
Evoluzione della biomineralizzazione
Le prime prove della biomineralizzazione risalgono a circa 750 milioni di anni fa; organismi come le spugne potrebbero aver iniziato a formare scheletri di calcite già 630 milioni di anni fa. È interessante notare che la biomineralizzazione non iniziò ad apparire prima del periodo Cambriano o Ordoviciano. Un'osservazione importante in questo processo è che gli organismi adottarono la forma più stabile di carbonato di calcio presente nella colonna d'acqua in quel momento e rimasero in quella forma per il resto della loro storia biologica.
Questo fenomeno solleva una domanda fondamentale: perché alcuni organismi scelgono di biomineralizzarsi mentre altri no? La competizione tra gli organismi e le loro interazioni con l'ambiente rivelano il background evolutivo della biomineralizzazione. Queste complesse relazioni hanno portato alla diversificazione degli organismi e il processo di biomineralizzazione fornisce inoltre una ricca ispirazione e possibilità per la futura ricerca sulla scienza dei materiali.
Questo processo di biomineralizzazione in continua evoluzione solleva anche una domanda stimolante: in un simile processo evolutivo, perché gli organismi riescono a controllare così delicatamente la crescita e la formazione della struttura dei minerali?
