Videnskab
 Science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Et kig på nanoskala på, hvordan skaller og koraller dannes, afslører, at biomineralisering er mere kompleks end forestillet

Kredit:Dagmara Dombrovska fra Pexels

Præcis hvordan får koraller sit skelet, et søpindsvin til at vokse til en rygrad eller en abalone til at danne perlemor i sin skal? En ny undersøgelse ved Advanced Light Source ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) afslørede, at denne proces med biomineralisering, som havdyr bruger til at låse kulstof væk i deres kroppe, er mere kompleks og forskelligartet end tidligere antaget.



Forskere studerede kanterne af prøver fra koraller, søpindsvin og bløddyr, hvor midlertidige byggesten kendt som "mineralprækursorer" begynder at danne den nye skal eller skelet. Der fandt de en overraskelse:Koraller og bløddyr producerede et mineralprækursor, som aldrig før var blevet observeret i levende organismer og først for nylig var blevet skabt syntetisk.

De fandt også variation i de tilstedeværende typer byggeklodser. Forskere forventede at se "amorfe" forstadier, mineraler, der mangler en gentagen atomstruktur. Det gjorde de - men de fandt også "krystallinske" forstadier, mineraler, der er mere strukturerede og velordnede. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

"En fascinerende observation er, at koralskeletter og perlemor dannes med nøjagtig de samme forstadier, men alligevel udviklede de sig fuldstændig adskilt fra hinanden," siger Pupa Gilbert, en gæsteforsker ved Berkeley Lab og professor ved University of Wisconsin. , Madison. Hun bemærkede, at de to arter begyndte at lave biomineraler længe efter, at de adskilte sig fra hinanden på livets træ.

"Det er fedt, fordi det betyder at lave et biomineral på den måde, med så mange forstadier, er en evolutionær fordel - energimæssigt, termodynamisk eller på en anden måde," sagde Gilbert. "Som fysiker finder jeg det fascinerende, at så meget af livet, og biologien generelt, udnytter fysikkens skønhed for at opnå evolutionære fordele."

CCHH på overfladen af ​​koralskelet. CCHH på overfladen af ​​en Stylophora pistillata koralskelet. A , B Gråtonefotoelektronbillede af et koralskelet (øverst) med væv og indlejringsmateriale (nederst). Boksen i (B ) angiver området forstørret i (A ). I begge paneler er de farvede pixels, der er overlejret på gråskalamikrografiet, carbonat Myriad Maps (MM'er) af mineralske faser i nanoskala, der kun viser pixels, der indeholdt 50 % eller mere af hver fase, farvekodet så rød =ACCH2 O, grøn =ACC, cyan =CCHH, magenta =MHC, blå =aragonit, med lysere/mørkere farver svarende til større/lavere koncentration (se farveforklaring). I (B ), vises de aragonitblå pixels ikke, så skelettets morfologi er synlig. Dette område blev analyseret i to eksemplarer med konsistente resultater. C Ca L-kant røntgenabsorptionsspektre af 5 calciumcarbonatfaser, erhvervet fra syntetiske referencemineraler, brugt til MM'er og farvekodet som i (A ), (B ). Spektrene blev forskudt lodret for klarhedens skyld. Kredit:Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46117-x

Forskere fandt også forskellige proportioner af byggestenene til stede i forskellige arter. Den overraskende mineralprækursor, calciumcarbonathemihydrat (CCHH) og en anden byggesten (monohydrocalcit eller MHC) blev begge fundet i koraller og bløddyr. Men CCHH og MHC dukkede kun op i spormængder i søpindsvinsrygge - hvilket tyder på, at forskellige dyr tager forskellige tilgange til biomineralisering.

Forskere gjorde opdagelsen ved hjælp af Advanced Light Source (ALS), en cirkulær partikelaccelerator, der producerer intense lysstråler. ALS kan fungere som et kraftfuldt mikroskop, der giver information om prøvernes atomare og kemiske struktur. Forskere brugte to forskellige teknikker til at studere overfladen af ​​materialerne og deres kemiske sammensætning og afslørede de uventede mineraler såvel som de mange forskellige byggesten.

"Det er enormt kompliceret at køre disse eksperimenter, fordi vi er nødt til at analysere prøverne med det samme, mens de er friske, for at se forstadierne, mens biomineralerne dannes," sagde Gilbert.

"Hvis vi bare venter en dag, går vi glip af disse faser, der kun eksisterer forbigående. Hos Berkeley Lab har vi denne unikke kapacitet, hvor vi kan forberede prøverne på stedet og derefter have adgang til denne fantastiske stråle og mikroskoper, der er de bedste i verden og give os den opløsning og dybdefølsomhed i nanoskala, vi har brug for."

For at studere mineralpartikler på dette minimale niveau udviklede forskere også en ny metode kaldet "Myriad Mapping". Teknikken gør det muligt at visualisere alle de forskellige typer og relative koncentrationer af mineraler i ét billede; tidligere metoder begrænsede forskerne til kun tre typer mineraler. Tilgangen kan også have anvendelser på andre områder lige fra den atomære til den kosmiske skala.

Gilbert og hendes samarbejdspartnere har løbende forskning, der ser på, hvordan den stigende surhedsgrad i havvandet påvirker den måde, havdyr fremstiller biomineraler på. At forstå processen er nøglen til at forudsige, hvordan livet i havet vil reagere på miljøændringer, såsom mere sure oceaner forårsaget af klimaændringer.

Flere oplysninger: Connor A. Schmidt et al., Myriad Mapping af mineraler i nanoskala afslører calciumcarbonathemihydrat i dannelsen af ​​nacre og koralbiomineraler, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46117-x

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Lawrence Berkeley National Laboratory




Sidste artikel

Næste artikel

Varme artikler
Sprog: French | Italian | Spanish | Portuguese | Swedish | German | Dutch | Danish | Norway |

Videnskab © https://da.scienceaq.com