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O mistério da biomineralização: por que a vida pode criar minerais tão maravilhosos?
A biomineralização é um processo biológico pelo qual os organismos são capazes de produzir minerais, muitas vezes resultando em tecido mineral endurecido ou enrijecido. Este fenômeno ocorre em todos os seis reinos taxonômicos da vida, e os organismos são capazes de formar mais de 60 minerais diferentes. Desde silicatos em algas e diatomáceas, até carbonatos em invertebrados, até fosfato de cálcio e carbonato de cálcio em vertebrados, estes minerais são comumente usados para formar características estruturais, como conchas marinhas, esqueletos de mamíferos e aves.
A biomineralização é considerada um processo de mineralização controlado pelo organismo, no qual a forma, o crescimento, a composição e a posição dos cristais são inteiramente governados pelos processos celulares daquele organismo específico.
Com o tempo, os organismos produziram esqueletos mineralizados que datam de 550 milhões de anos atrás. Minerais formados biologicamente geralmente têm usos especializados, como magnetita (Fe3O4) como sensor magnético em bactérias magnéticas, ou sulfato de cálcio natural (CaSO4) e sulfato de bário (BaSO4) em dispositivos sensores de gravidade. Taxonomicamente, os biominerais mais comuns são o fosfato de cálcio e os sais de carbonato de cálcio, que são usados em conjunto com polímeros orgânicos como o colágeno e a quitina para fornecer suporte estrutural aos ossos e conchas.
Tipos de biomineralização
O processo de biomineralização pode ser subdividido com base em diferentes critérios, incluindo a capacidade do organismo ou processo de criar as condições químicas necessárias para a formação mineral, a origem da matriz no local da precipitação mineral e o efeito da matriz na morfologia do cristal, composição e grau de controle sobre o crescimento. Essas subcategorias incluem biomineralização, mineralização de órgãos e mineralização inorgânica, etc. No entanto, o uso desses termos na literatura científica varia amplamente e não existe uma definição unificada.
Biomineralização
A biomineralização é um processo que ocorre quando a forma, o crescimento, a composição e a posição dos cristais são completamente controlados pelos processos celulares de um organismo específico. Exemplos desse processo incluem as conchas de invertebrados, como moluscos e braquiópodes. Além disso, a mineralização do colágeno fornece importante resistência à compressão para ossos, cartilagens e dentes de vertebrados.
Mineralização de órgãos
Este tipo de mineralização inclui mineralização induzida biologicamente e mineralização influenciada biologicamente. A mineralização biologicamente induzida geralmente ocorre sob a influência das atividades metabólicas dos microrganismos, produzindo condições químicas favoráveis à formação mineral. Da mesma forma, a mineralização influenciada bioticamente ocorre onde o ambiente químico é afetado por processos abióticos, como evaporação ou liberação de gás.
O papel das criaturas
Em animais, os biominerais que contêm carbonato de cálcio, fosfato de cálcio ou silício desempenham diversas funções, como suporte, defesa e captura de presas. Na escala supracelular, os biominerais são normalmente depositados por um órgão especializado que está claramente estabelecido no início do desenvolvimento embrionário. Este órgão conterá uma matriz orgânica para facilitar e orientar a deposição dos cristais. Essa matriz pode ser colágeno, como nos metazoários, ou pode ser a base de outra molécula do tipo polissacarídeo, como é mais comum nos moluscos.
Entre os moluscos, as conchas são materiais compósitos biossintéticos que têm recebido ampla atenção da comunidade científica de materiais devido às suas propriedades únicas e como modelo para biomineralização.
Por exemplo, as conchas dos moluscos são compostas por 95% a 99% de carbonato de cálcio, sendo os restantes 1% a 5% provenientes de componentes orgânicos. A resistência à fratura deste material compósito é 3.000 vezes maior do que a de seu equivalente monocristalino, o que atraiu pesquisas aprofundadas por cientistas durante o processo de biomineralização.
Mineralização Microbiana
Os fungos também desempenham um papel importante na biomineralização. O crescimento de fungos pode produzir precursores minerais relacionados ao cobre, como o carbonato de cobre a partir de uma mistura de (NH4)2CO3 e CuCl2. Além de depositar carbonato de cálcio, os fungos promovem a formação de minerais de fosfato de urânio utilizando o organofosforado como substrato. Esses fungos, como Aspergillus niger e Paecilomyces javanicus, embora considerados tóxicos, são capazes de tolerar a presença de urânio.
O papel das bactérias na biomineralização
Nas bactérias, a função dos biominerais não é clara. Uma hipótese é que as células formem biominerais para evitar serem aprisionadas pelos seus próprios metabolitos. Partículas de óxido de ferro também podem melhorar o seu metabolismo.
Impacto Global da Biomineralização
A biomineralização desempenha um papel importante nos ecossistemas globais, particularmente nos ciclos biogeoquímicos e como sumidouro de carbono. A maioria dos minerais biológicos pode ser dividida em várias classes minerais diferentes com base na sua composição química: silicatos, carbonatos e fosfatos. Dentre eles, a diversidade biomineral é a expressão da interação entre os organismos e seu ambiente.
A evolução da biomineralização
A primeira evidência de biomineralização remonta a cerca de 750 milhões de anos atrás, e organismos como as esponjas podem ter começado a formar esqueletos de calcita há 630 milhões de anos. É importante notar que a biomineralização só começou a aparecer no período Cambriano ou Ordoviciano. Uma observação importante nesse processo é que o organismo adotou a forma de carbonato de cálcio que era mais estável na coluna d'água na época e permaneceu nessa forma pelo resto de sua história biológica.
Este fenómeno levanta uma questão fundamental: Porque é que alguns organismos optam pela biomineralização e outros não? A competição entre organismos e as interações com o meio ambiente revelam o contexto evolutivo da biomineralização. Essas relações complexas promovem a diversidade de organismos, e o processo de biomineralização também fornece rica inspiração e possibilidades para futuras pesquisas em ciência de materiais.
Esse processo evolutivo de biomineralização também levanta uma questão cuidadosa: como os organismos podem controlar o crescimento e a formação da estrutura dos minerais de forma tão primorosa durante esse processo evolutivo?
