Language
Country/Area
No result found
Bí ẩn của quá trình khoáng hóa sinh học: Tại sao sự sống có thể tạo ra những khoáng chất tuyệt vời như vậy?
Khoáng sinh học là một quá trình sinh học trong đó các sinh vật có thể tạo ra khoáng chất, thường dẫn đến mô khoáng cứng hoặc cứng lại. Hiện tượng này xảy ra ở cả sáu giới phân loại của sự sống và các sinh vật có khả năng hình thành hơn 60 loại khoáng chất khác nhau. Từ silicat trong tảo và tảo cát, đến cacbonat ở động vật không xương sống, đến canxi photphat và canxi cacbonat ở động vật có xương sống, những khoáng chất này thường được sử dụng để hình thành các đặc điểm cấu trúc như vỏ biển, động vật có vú và bộ xương chim.
Khoáng hóa sinh học được coi là một quá trình khoáng hóa do sinh vật kiểm soát, trong đó hình dạng, sự phát triển, thành phần và vị trí của tinh thể hoàn toàn bị chi phối bởi các quá trình tế bào của sinh vật cụ thể đó.
Theo thời gian, các sinh vật đã tạo ra những bộ xương khoáng hóa có niên đại từ 550 triệu năm trước. Các khoáng chất được hình thành về mặt sinh học thường có những ứng dụng chuyên biệt, chẳng hạn như magnetite (Fe3O4) làm cảm biến từ tính ở vi khuẩn từ tính, hay canxi sunfat tự nhiên (CaSO4) và bari sunfat (BaSO4) trong các thiết bị cảm biến trọng lực. Về mặt phân loại, các chất khoáng sinh học phổ biến nhất là muối canxi photphat và canxi cacbonat, được sử dụng cùng với các polyme hữu cơ như collagen và chitin để cung cấp hỗ trợ cấu trúc cho xương và vỏ.
Các loại khoáng hóa sinh học
Quá trình khoáng hóa sinh học có thể được chia nhỏ dựa trên các tiêu chí khác nhau, bao gồm khả năng của sinh vật hoặc quá trình tạo ra các điều kiện hóa học cần thiết cho sự hình thành khoáng chất, nguồn gốc của ma trận tại nơi kết tủa khoáng chất và tác động của ma trận về hình thái tinh thể, thành phần và Mức độ kiểm soát sự tăng trưởng. Các tiểu mục này bao gồm khoáng hóa sinh học, khoáng hóa cơ quan và khoáng hóa vô cơ, v.v. Tuy nhiên, việc sử dụng các thuật ngữ này trong tài liệu khoa học rất khác nhau và không có định nghĩa thống nhất.
Khoáng hóa sinh học
Khoáng sinh học là một quá trình xảy ra khi hình dạng, sự phát triển, thành phần và vị trí của tinh thể hoàn toàn được kiểm soát bởi các quá trình tế bào của một sinh vật cụ thể. Ví dụ về quá trình này bao gồm vỏ của động vật không xương sống như động vật thân mềm và động vật chân tay. Ngoài ra, quá trình khoáng hóa collagen cung cấp sức nén quan trọng cho xương, sụn và răng của động vật có xương sống.
Khoáng hóa cơ quan
Loại khoáng hóa này bao gồm khoáng hóa do sinh học và khoáng hóa do ảnh hưởng sinh học. Quá trình khoáng hóa do sinh học thường xảy ra dưới tác động của hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật, tạo ra các điều kiện hóa học thuận lợi cho sự hình thành khoáng chất. Tương tự, quá trình khoáng hóa chịu ảnh hưởng sinh học là nơi môi trường hóa học bị ảnh hưởng bởi các quá trình phi sinh học, chẳng hạn như sự bay hơi hoặc giải phóng khí.
Vai trò của sinh vật
Ở động vật, các chất khoáng sinh học chứa canxi cacbonat, canxi photphat hoặc silicon thực hiện nhiều vai trò khác nhau, chẳng hạn như hỗ trợ, phòng thủ và bắt mồi. Ở quy mô siêu tế bào, các chất khoáng sinh học thường được tích tụ bởi một cơ quan chuyên biệt được hình thành sớm trong quá trình phát triển phôi thai. Cơ quan này sẽ chứa một chất nền hữu cơ để tạo điều kiện thuận lợi và hướng dẫn sự lắng đọng của tinh thể. Chất nền này có thể là collagen, như ở động vật đa bào, hoặc nó có thể là nền tảng của một phân tử polysaccharide khác, như phổ biến nhất ở động vật thân mềm.
Trong số các loài nhuyễn thể, vỏ là vật liệu composite sinh tổng hợp đã nhận được sự quan tâm rộng rãi từ cộng đồng khoa học vật liệu do những đặc tính độc đáo của chúng và là hình mẫu cho quá trình khoáng hóa sinh học.
Ví dụ, vỏ nhuyễn thể có chứa 95% đến 99% canxi cacbonat, 1% đến 5% còn lại là từ các thành phần hữu cơ. Độ bền đứt gãy của vật liệu composite này cao hơn 3.000 lần so với vật liệu đơn tinh thể, điều này đã thu hút sự nghiên cứu chuyên sâu của các nhà khoa học trong quá trình khoáng hóa sinh học.
Khoáng hóa vi sinh vật
Nấm cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình khoáng hóa sinh học. Sự phát triển của nấm có thể tạo ra các tiền chất khoáng liên quan đến đồng, chẳng hạn như đồng cacbonat từ hỗn hợp (NH4)2CO3 và CuCl2. Ngoài việc lắng đọng canxi cacbonat, nấm còn thúc đẩy sự hình thành các khoáng chất urani photphat sử dụng phốt pho hữu cơ làm chất nền. Những loại nấm này, chẳng hạn như Aspergillus niger và Paecilomyces javanicus, mặc dù được coi là độc hại nhưng có thể chịu được sự hiện diện của uranium.
Vai trò của vi khuẩn trong quá trình khoáng hóa sinh học
Ở vi khuẩn, chức năng của các chất khoáng sinh học chưa rõ ràng. Một giả thuyết cho rằng các tế bào hình thành các chất khoáng sinh học để tránh bị mắc kẹt bởi các chất chuyển hóa của chính chúng. Các hạt oxit sắt cũng có thể tăng cường sự trao đổi chất của nó.
Tác động toàn cầu của quá trình khoáng hóa sinh học
Quá trình khoáng hóa sinh học đóng một vai trò quan trọng trong hệ sinh thái toàn cầu, đặc biệt là trong các chu trình sinh địa hóa và như một bể chứa carbon. Hầu hết các khoáng chất sinh học có thể được chia thành nhiều loại khoáng chất khác nhau dựa trên thành phần hóa học của chúng: silicat, cacbonat và phốt phát. Trong đó, đa dạng khoáng sinh học là biểu hiện của sự tương tác giữa sinh vật và môi trường của chúng.
Sự phát triển của khoáng hóa sinh học
Bằng chứng đầu tiên về quá trình khoáng hóa sinh học có từ khoảng 750 triệu năm trước và các sinh vật như bọt biển có thể đã bắt đầu hình thành bộ xương canxit từ 630 triệu năm trước. Điều đáng chú ý là quá trình khoáng hóa sinh học chỉ bắt đầu xuất hiện vào kỷ Cambri hoặc kỷ Ordovic. Một quan sát quan trọng trong quá trình này là sinh vật đã sử dụng dạng canxi cacbonat ổn định hơn trong cột nước vào thời điểm đó và duy trì ở dạng đó trong suốt phần còn lại của lịch sử sinh học.
Hiện tượng này đặt ra một câu hỏi cơ bản: Tại sao một số sinh vật chọn cách đa hóa sinh học còn những sinh vật khác thì không? Sự cạnh tranh giữa các sinh vật và tương tác với môi trường tiết lộ nền tảng tiến hóa của quá trình khoáng hóa sinh học. Những mối quan hệ phức tạp này thúc đẩy sự đa dạng của sinh vật và quá trình khoáng hóa sinh học cũng mang lại nguồn cảm hứng và khả năng phong phú cho nghiên cứu khoa học vật liệu trong tương lai.
Quá trình đa hóa sinh học ngày càng phát triển như vậy cũng đặt ra một câu hỏi đáng suy ngẫm: Làm thế nào các sinh vật có thể kiểm soát sự phát triển và hình thành cấu trúc của khoáng chất một cách tinh vi đến vậy trong quá trình tiến hóa như vậy?
