Language
Country/Area
No result found
Тайна биоминерализации: почему жизнь может создавать такие замечательные минералы?
Биоминерализация — это биологический процесс, посредством которого организмы способны производить минералы, что часто приводит к отверждению или ригидизации минеральной ткани. Это явление встречается во всех шести таксономических царствах жизни, а организмы способны образовывать более 60 различных минералов. От силикатов в водорослях и диатомовых водорослях до карбонатов у беспозвоночных, фосфата и карбоната кальция у позвоночных — эти минералы обычно используются для формирования структурных элементов, таких как морские раковины, скелет млекопитающих и птиц.
Биоминерализация считается процессом минерализации, контролируемым организмом, при котором форма, рост, состав и положение кристаллов полностью определяются клеточными процессами этого конкретного организма.
Со временем организмы образовали минерализованные скелеты, датируемые 550 миллионами лет назад. Биологически образованные минералы часто имеют специализированное применение, например, магнетит (Fe3O4) в качестве магнитного датчика в магнитных бактериях или природный сульфат кальция (CaSO4) и сульфат бария (BaSO4) в устройствах, чувствительных к гравитации. В таксономическом отношении наиболее распространенными биоминералами являются соли фосфата и карбоната кальция, которые используются вместе с органическими полимерами, такими как коллаген и хитин, для обеспечения структурной поддержки костей и оболочек.
Типы биоминерализации
Процесс биоминерализации можно подразделить по различным критериям, включая способность организма или процесса создавать химические условия, необходимые для минералообразования, происхождение матрикса в месте осаждения минералов и эффект матрицы на морфологию кристаллов, состав и степень контроля роста. К этим подкатегориям относятся биоминерализация, органная минерализация, неорганическая минерализация и т. д. Однако использование этих терминов в научной литературе широко варьируется, и единого определения не существует.
Биоминерализация
Биоминерализация — это процесс, который происходит, когда форма, рост, состав и положение кристаллов полностью контролируются клеточными процессами конкретного организма. Примеры этого процесса включают раковины беспозвоночных, таких как моллюски и брахиоподы. Кроме того, минерализация коллагена обеспечивает важную прочность на сжатие костей, хрящей и зубов позвоночных.
Минерализация органов
Этот тип минерализации включает в себя биологическую минерализацию и биологическую минерализацию. Биологически индуцированная минерализация обычно происходит под влиянием метаболической деятельности микроорганизмов, создающих химические условия, благоприятные для минералообразования. Точно так же минерализация под влиянием биотики – это когда на химическую среду влияют абиотические процессы, такие как испарение или выделение газа.
Роль существ
У животных биоминералы, содержащие карбонат кальция, фосфат кальция или кремний, выполняют различные функции, такие как поддержка, защита и захват добычи. На надклеточном уровне биоминералы обычно откладываются специализированным органом, который четко формируется на ранних стадиях эмбрионального развития. Этот орган будет содержать органическую матрицу, облегчающую и направляющую отложение кристаллов. Этот матрикс может представлять собой коллаген, как у многоклеточных животных, или быть основой другой молекулы типа полисахарида, как это чаще всего встречается у моллюсков.
Среди моллюсков раковины представляют собой биосинтетические композиционные материалы, которые получили широкое внимание со стороны материаловедческого сообщества благодаря своим уникальным свойствам и в качестве модели биоминерализации.
Например, раковины моллюсков на 95–99 % состоят из карбоната кальция, а остальные 1–5 % составляют органические компоненты. Вязкость разрушения этого композитного материала в 3000 раз выше, чем у его монокристаллического аналога, что привлекло внимание ученых к углубленным исследованиям в процессе биоминерализации.
Микробная минерализация
Грибы также играют важную роль в биоминерализации. Рост грибков может привести к образованию минеральных предшественников, связанных с медью, таких как карбонат меди из смеси (NH4)2CO3 и CuCl2. Помимо отложения карбоната кальция, грибы способствуют образованию минералов фосфата урана, используя фосфорорганические соединения в качестве субстрата. Эти грибы, такие как Aspergillus niger и Paecilomyces javanicus, хотя и считаются токсичными, способны переносить присутствие урана.
Роль бактерий в биоминерализации
У бактерий функция биоминералов неясна. Одна из гипотез заключается в том, что клетки образуют биоминералы, чтобы избежать захвата собственными метаболитами. Частицы оксида железа также могут усиливать его метаболизм.
Глобальное влияние биоминерализации
Биоминерализация играет важную роль в глобальных экосистемах, особенно в биогеохимических циклах и в качестве поглотителя углерода. Большинство биологических минералов можно разделить на несколько различных классов минералов в зависимости от их химического состава: силикаты, карбонаты и фосфаты. Среди них биоминеральное разнообразие является выражением взаимодействия между организмами и окружающей их средой.
Эволюция биоминерализации
Первые свидетельства биоминерализации датируются примерно 750 миллионами лет назад, а такие организмы, как губки, возможно, начали формировать кальцитовые скелеты 630 миллионов лет назад. Стоит отметить, что биоминерализация начала проявляться только в кембрийском или ордовикском периоде. Важным наблюдением в ходе этого процесса является то, что организм принял форму карбоната кальция, которая в то время была более стабильной в толще воды, и оставался в этой форме до конца своей биологической истории.
Это явление поднимает фундаментальный вопрос: почему некоторые организмы предпочитают биоминерализацию, а другие — нет? Конкуренция между организмами и взаимодействие с окружающей средой раскрывают эволюционные предпосылки биоминерализации. Эти сложные взаимоотношения способствуют разнообразию организмов, а процесс биоминерализации также обеспечивает богатое вдохновение и возможности для будущих исследований в области материаловедения.
Такой развивающийся процесс биоминерализации также поднимает вдумчивый вопрос: как организмы могут так точно контролировать рост и формирование структуры минералов в ходе такого эволюционного процесса?
