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生物矿化的奥秘：为何生命能创造如此奇妙的矿物？
生物矿化是一个生物过程，通过此过程，生物体能够生产矿物，这常常导致硬化或刚性化的矿物组织。这一现象在生命的所有六个分类界中都存在，生物体能够形成超过60种不同的矿物。从藻类和矽藻中的矽酸盐，到无脊椎动物中的碳酸盐，再到脊椎动物中的磷酸钙和碳酸钙，这些矿物常用来形成结构特征，如海洋贝壳、哺乳动物和鸟类的骨骼。
生物矿化被视为一种由生物体控制的矿化过程，其中晶体的形状、生长、组成和位置完全受特定生物的细胞过程支配。
随着时间的推移，生物体已经生产了矿化的骨架，历史可追溯到5.5亿年前。生物形成的矿物通常具有特殊用途，例如在磁性细菌中作为磁感应器的磁铁矿（Fe3O4），或在重力感测设备中的天然硫酸钙（CaSO4）和钡硫酸盐（BaSO4）。在生物分类学上，最常见的生物矿物是磷酸钙和碳酸钙盐，它们与有机聚合物如胶原蛋白和 chitin 一起使用，为骨骼和壳体提供结构支持。
生物矿化的类型
生物矿化的过程可以根据不同的标准进行细分，包括生物体或过程创造矿物形成所需的化学条件的能力、矿物沉淀地点基质的来源，以及基质对晶体形态、组成和生长的控制程度。这些子类别包括生物矿化、器官矿化和无机矿化等，然而，这些术语在科学文献中的使用差异很大，并没有统一的定义。
生物矿化
生物矿化是指当晶体的形态、生长、组成和位置完全由特定生物的细胞过程控制时所发生的过程。这一过程的例子包括无脊椎动物的壳体，例如软体动物和腕足类。此外，胶原蛋白的矿化为脊椎动物的骨骼、软骨和牙齿提供了重要的抗压强度。
器官矿化
这类矿化包括生物诱导矿化和生物影响矿化。生物诱导矿化通常发生在微生物的代谢活动影响下，产生有利于矿物形成的化学条件。与此类似，生物影响的矿化则是化学环境受非生物过程的影响，例如蒸发或气体释放。
生物的角色
在动物中，含有碳酸钙、磷酸钙或矽的生物矿物执行多种角色，例如支持、防御和捕食。在超细胞尺度上，生物矿物通常由一个专门的器官沉积，而这个器官在胚胎发育早期便明确形成。这个器官会包含一个有机基质，以促进和指导晶体的沉积。该基质可能是胶原蛋白，在后生动物中如此，或者是另一种多糖类分子的基础，在软体动物中最为常见。
在软体动物中，贝壳是一种生物合成的复合材料，因其独特的性能以及作为生物矿化模型而受到材料科学界的广泛关注。
例如，软体动物的贝壳由95%至99%的碳酸钙构成，剩余的1%至5%则来源于有机成分。这一复合材料的断裂韧性比其单晶体高出3000倍，这使其在生物矿化过程中引起了科学家的深入研究。
微生物矿化
真菌也在生物矿化中扮演着重要角色。真菌的生长可以生成与铜相关的矿物前驱体，例如从(NH4)2CO3和CuCl2的混合物中生成的碳酸铜。除了沉积碳酸钙，真菌还能促进以有机磷为底物的铀磷酸盐矿物的形成。这些真菌如黑曲霉和Paecilomyces javanicus虽然被认为是毒性的，但却能够忍受铀的存在。
细菌的生物矿化角色
在细菌中，生物矿物的功能尚不明确。一个假说是，细胞之所以形成生物矿物，是为了避免被自己的代谢产物包埋。铁氧化物颗粒也可能会增强其代谢。
生物矿化的全球影响
生物矿化在全球生态系统中扮演着重要的角色，尤为生物地球化学循环和作为碳汇的功用。大多数生物矿物可以根据化学成分分为几个不同的矿物类别：硅酸盐、碳酸盐和磷酸盐。其中，生物矿物多样性的背后是生物与其所处环境相互作用的表现。
生物矿化的演化历程
生物矿化的首次证据可追溯至约7.5亿年前，而海绵等生物可能在6.3亿年前已经开始形成方解石骨骼。值得注意的是，生物矿化在寒武纪或奥陶纪时期才开始出现。这一过程中的一个重要观察是，生物采用了在当时水柱中更为稳定的碳酸钙形式，并且在其生物历史的其余时光中一直保持这一形式。
这一现象引发了一个根本问题：为什么一些生物会选择生物矿化而另一些却不会？生物与生物之间的竞争、以及与环境的相互作用，揭示了生物矿化的演化背景。这些复杂的关系促使了生物体的多样化，而生物矿化的过程也为将来的材料科学研究提供了丰富的灵感和可能性。
如此不断演变的生物矿化历程也引发了一个深思的问题：在这样的演变过程中，生物为何能够如此精妙地操控矿物的成长与结构形成？
