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生物礦化的奧秘：為何生命能創造如此奇妙的礦物？
生物礦化是一個生物過程，通過此過程，生物體能夠生產礦物，這常常導致硬化或剛性化的礦物組織。這一現象在生命的所有六個分類界中都存在，生物體能夠形成超過60種不同的礦物。從藻類和矽藻中的矽酸鹽，到無脊椎動物中的碳酸鹽，再到脊椎動物中的磷酸鈣和碳酸鈣，這些礦物常用來形成結構特徵，如海洋貝殼、哺乳動物和鳥類的骨骼。
生物礦化被視為一種由生物體控制的礦化過程，其中晶體的形狀、生長、組成和位置完全受特定生物的細胞過程支配。
隨著時間的推移，生物體已經生產了礦化的骨架，歷史可追溯到5.5億年前。生物形成的礦物通常具有特殊用途，例如在磁性細菌中作為磁感應器的磁鐵礦（Fe3O4），或在重力感測設備中的天然硫酸鈣（CaSO4）和鋇硫酸鹽（BaSO4）。在生物分類學上，最常見的生物礦物是磷酸鈣和碳酸鈣鹽，它們與有機聚合物如膠原蛋白和 chitin 一起使用，為骨骼和殼體提供結構支持。
生物礦化的類型
生物礦化的過程可以根據不同的標準進行細分，包括生物體或過程創造礦物形成所需的化學條件的能力、礦物沉澱地點基質的來源，以及基質對晶體形態、組成和生長的控制程度。這些子類別包括生物礦化、器官礦化和無機礦化等，然而，這些術語在科學文獻中的使用差異很大，並沒有統一的定義。
生物礦化
生物礦化是指當晶體的形態、生長、組成和位置完全由特定生物的細胞過程控制時所發生的過程。這一過程的例子包括無脊椎動物的殼體，例如軟體動物和腕足類。此外，膠原蛋白的礦化為脊椎動物的骨骼、軟骨和牙齒提供了重要的抗壓強度。
器官礦化
這類礦化包括生物誘導礦化和生物影響礦化。生物誘導礦化通常發生在微生物的代謝活動影響下，產生有利於礦物形成的化學條件。與此類似，生物影響的礦化則是化學環境受非生物過程的影響，例如蒸發或氣體釋放。
生物的角色
在動物中，含有碳酸鈣、磷酸鈣或矽的生物礦物執行多種角色，例如支持、防禦和捕食。在超細胞尺度上，生物礦物通常由一個專門的器官沉積，而這個器官在胚胎發育早期便明確形成。這個器官會包含一個有機基質，以促進和指導晶體的沉積。該基質可能是膠原蛋白，在後生動物中如此，或者是另一種多醣類分子的基礎，在軟體動物中最為常見。
在軟體動物中，貝殼是一種生物合成的複合材料，因其獨特的性能以及作為生物礦化模型而受到材料科學界的廣泛關注。
例如，軟體動物的貝殼由95%至99%的碳酸鈣構成，剩餘的1%至5%則來源於有機成分。這一複合材料的斷裂韌性比其單晶體高出3000倍，這使其在生物礦化過程中引起了科學家的深入研究。
微生物礦化
真菌也在生物礦化中扮演著重要角色。真菌的生長可以生成與銅相關的礦物前驅體，例如從(NH4)2CO3和CuCl2的混合物中生成的碳酸銅。除了沉積碳酸鈣，真菌還能促進以有機磷為底物的鈾磷酸鹽礦物的形成。這些真菌如黑曲霉和Paecilomyces javanicus雖然被認為是毒性的，但卻能夠忍受鈾的存在。
細菌的生物礦化角色
在細菌中，生物礦物的功能尚不明確。一個假說是，細胞之所以形成生物礦物，是為了避免被自己的代謝產物包埋。鐵氧化物顆粒也可能會增強其代謝。
生物礦化的全球影響
生物礦化在全球生態系統中扮演著重要的角色，尤為生物地球化學循環和作為碳匯的功用。大多數生物礦物可以根據化學成分分為幾個不同的礦物類別：硅酸鹽、碳酸鹽和磷酸鹽。其中，生物礦物多樣性的背後是生物與其所處環境相互作用的表現。
生物礦化的演化歷程
生物礦化的首次證據可追溯至約7.5億年前，而海綿等生物可能在6.3億年前已經開始形成方解石骨骼。值得注意的是，生物礦化在寒武紀或奧陶紀時期才開始出現。這一過程中的一個重要觀察是，生物採用了在當時水柱中更為穩定的碳酸鈣形式，並且在其生物歷史的其餘時光中一直保持這一形式。
這一現象引發了一個根本問題：為什麼一些生物會選擇生物礦化而另一些卻不會？生物與生物之間的競爭、以及與環境的相互作用，揭示了生物礦化的演化背景。這些複雜的關係促使了生物體的多樣化，而生物礦化的過程也為將來的材料科學研究提供了豐富的靈感和可能性。
如此不斷演變的生物礦化歷程也引發了一個深思的問題：在這樣的演變過程中，生物為何能夠如此精妙地操控礦物的成長與結構形成？
