使得生物矿物:大自然的食谱是旧的,进化不止一次

2019年8月19日 通过 萨拉·珀杜 

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近年来,科学家们已经梳理出许多生物矿化的秘密的,由海胆刺成长的过程中,软体动物建立自己的贝壳和珊瑚使它们的骨架,更何况哺乳动物和其他动物如何使骨骼和牙齿。

动物从头make来构建保护壳,锋利的牙齿,承重的骨骼和针状刺材料是一些已知的最硬和最持久的物质。为使这些材料是配方中大自然的密切举行秘密之一,但功能强大的新的分析工具和显微镜都剥开太多的谜团,显示出,在纳米尺度上,广泛的动物阵究竟如何使用完全相同的机制和启动化学品使他们依赖于生物矿物结构。

蛹吉尔伯特 照片: 杰夫·米勒

现在,在今天发表的报告中的科学(PNAS)国家科学院院刊(2019年8月19日),由蛹吉尔伯特,物理威斯康星大学麦迪逊分校教授的大学领导的研究小组表示,该配方制作壳,刺,和珊瑚骨骼不仅在许多现代动物谱系相同,但古 - 距今5.5亿年 - 和独立进化不止一次。

该发现非常重要,因为它们有助于缝合在一起生物矿化的进化故事。无处不在的动物生命过程的更全面的了解我们这个星球上,不仅告诉我们一些重要的东西我们的世界,但在细节上可能有一天被人用来生产硬,更轻,更耐用的材料;从来没有需要锐化工具;更忠实的生物医学植入物;和人类干预之类的东西重建世界珊瑚礁的可能性。

“是生物矿化独立进化多次,使用相同的机制的发现,告诉我们有这样做强大的物理或化学的原因,”吉尔伯特,生物矿化过程的世界级专家说。 “如果一个有机体开始使得它的生物矿物这种方式,它outcompetes所有其他人,要么不做生物矿物或使它们不同,它不被吃掉,并得到以发射好主意下来的血统。”

Photo: A cephalopod fossil in the shape of a snail shell.

一个desmoceras化石。头足类,在早白垩世蓬勃发展,146至100万年前。注意珍珠化石生物矿物珍珠母或母亲。 照片由蛹吉尔伯特

新PNAS报告依据的是吉尔伯特和她的同事们了一系列开创性的发现。在过去的研究中,威斯康星州的物理学家表明biomineralizations的过程工作在完全不同类的动物一样,从像鲍鱼软体动物,以棘皮动物如海胆,和刺胞动物门,一大群的动物,包括珊瑚,水母和海葵。动物的这些门类或大类,有已经独立biomineralizing,因此它们必须进化生物矿化机制没有共同的祖先。因此,吉尔伯特说,“这是非常令人惊讶的是,当他们在寒武纪(5亿年前)开始biomineralizing这三个门类开始在完全相同的方式做:用非晶纳米粒子的附件”。

“生物矿化说明两者的统一和自然的多样性,”解释安德鲁·诺尔,哈佛大学地球与行星科学的自然历史和教授,对新报告中相应的合着者。 “生物矿化骨骼的动物可以单独内已经发展了多达二十次。这意味着,没有两个这些biomineralizing群体有着共同的祖先,它本身,塑造了生物矿化骨架“。

Photo: A long tubular skeleton.

一个cloudina骨架,以其特有的一系列堆叠漏斗的是在550亿年的历史已知的最古老化石的生物矿物。 照片由蛹吉尔伯特

吉尔伯特和她的同事已经表明,不同的生物矿物形成具有无定形碳酸钙的纳米颗粒,其在细胞中产生,而且是所有在生物矿化过程中形成的材料的临界起动机化学开始,是它的珍珠质,或母OF-珍珠,即线鲍鱼壳或海胆的岩石磨齿。 “不止一个生物矿物形式通过这些无定形前体的纳米粒子,说:”吉尔伯特。 “如果它是一个海胆骨针,牙齿,脊柱,珍珠母,或珊瑚不要紧。所有这些系统都具有相同的无定形前体。

“无定形碳酸钙的纳米粒子”,增加了吉尔伯特“,在约束被稳定,并可逆地如此。因此,晶体不核并在错误的地点和时间成长,但他们可以做在正确的地点和时间,也就是一个外壳,珊瑚骨骼,海胆脊骨的生长表面上。”

许多动物的做出艰难的,保护性或防御性结构的能力,说丘陵,很可能食肉动物的进化广大的回响,有5.41亿年前体现在“生物矿化的爆发”,从寒武纪化石看出,刚开始。

在动物细胞中产生的碳酸钙的微观粒子,其形成在管和管道装置“石灰”存款同样的东西。在动物中,它是在生物矿化的部位通过连接到现场并形成其中单个原子都整齐地对准以使晶格,排序为任何结构的动物正在建设的支架晶体转化。该方法已通过使用了采用由同步辐射产生在纳米级,观察结构如何聚集在一起,因为它们形成在软X射线的新颖显微镜吉尔伯特球队梳理出。

吉尔伯特的团队在时间回去采用相同的技术来探测在三个不同门类的深化石记录,或有关动物的大类,去早550万年品尝已知最古老的动物生物矿物:在cloudina骨架,其特征系列漏斗依偎在一起。

吉尔伯特指出,虽然动物遗体经历石化过程显著变化,所述纳米颗粒的生物矿化签名保持完整,并且由原始时的开裂开放化石和使用扫描电子显微镜来探测断裂的纳米颗粒的蛛丝马迹的部位观察到结晶过程。 “我们往后退的时候尽量到第一个化石和生物矿化的颗粒附着看上去与现代的动物。”

生物矿化故事吉尔伯特解开和她的同事们可以通知对行业的新型材料的开发。

“我们不知道如何使非晶态的碳酸钙或任何其他材料形式的空间填充固体再结晶,但细胞的海洋生物做的,”吉尔伯特说。 “我们向他们学习,我们可以重现实验室和行业,并作出远比其部分的总和更好,因为所有的生物矿物材料。”

这项研究是由美国支持能源,科学办公室,基础能源科学,化学科学,地球科学,生物科学和部门的办公室,在奖项去fg02-07er15899的部门;和美国国家科学基金会资助DMR-1603192。