纳米级观察贝壳和珊瑚的形成方式揭示了生物矿化比想象的更复杂

珊瑚到底是如何形成骨骼的，海胆是如何长出脊柱的，鲍鱼是如何在壳中形成珍珠母的呢?美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)先进光源的一项新研究表明，海洋生物用来将碳锁在体内的生物矿化过程比之前想象的更加复杂和多样化。

研究人员研究了珊瑚、海胆和软体动物样本的边缘，其中被称为“矿物前体”的临时构件开始形成新的外壳或骨骼。在那里，他们发现了一个惊喜：珊瑚和软体动物产生了一种矿物前体，这种前体以前从未在生物体中观察到，直到最近才被合成。

他们还发现存在的构建块类型多种多样。科学家们预计会看到“无定形”前体，即缺乏重复原子结构的矿物。他们确实做到了，但他们也发现了“结晶”前体，即结构更加有序、更加有序的矿物。该研究发表在《自然通讯》杂志上。

伯克利实验室客座科学家、威斯康星大学教授普帕·吉尔伯特(PupaGilbert)表示：“一个令人着迷的观察结果是，珊瑚骨骼和软体动物珍珠母是由完全相同的前体形成的，但它们的进化过程完全独立。”，麦迪逊。她指出，这两个物种在生命之树上彼此分歧很久之后就开始制造生物矿物质。

“这很酷，因为这意味着用如此多的前体来制造生物矿物是一种进化优势——从能量上、热力学上或其他方面来说，”吉尔伯特说。“作为一名物理学家，我觉得很有趣的是，生命的大部分，以及整个生物学，正在利用物理学之美来获得进化优势。”

科学家还发现不同物种中存在不同比例的构建模块。这种令人惊讶的矿物前体——半水碳酸钙(CCHH)和另一种构件(单水方解石，或MHC)均在珊瑚和软体动物中发现。但CCHH和MHC仅在海胆刺中出现微量，这表明不同的动物采用不同的生物矿化方法。

研究人员利用先进光源(ALS)做出了这一发现，这是一种能够产生强光束的圆形粒子加速器。ALS可以像一个强大的显微镜一样，提供有关样品原子和化学结构的信息。科学家们使用两种不同的技术来研究材料的表面及其化学组成，揭示了意想不到的矿物质以及各种构建块。

吉尔伯特说：“进行这些实验非常复杂，因为我们必须立即分析新鲜的样本，以观察生物矿物质形成时的前体。”

“如果我们只等待一天，我们就会错过这些仅短暂存在的阶段。在伯克利实验室，我们拥有这种独特的能力，我们可以在现场准备样品，然后获得这种奇妙的光束和显微镜，这是世界上最好的。世界并为我们提供所需的纳米级分辨率和深度灵敏度。”

为了研究这种微小水平的矿物颗粒，研究人员还开发了一种称为“无数映射”的新方法。该技术使得在一张图像中可视化所有不同类型和相对浓度的矿物质成为可能;以前的方法将研究人员仅限于三种类型的矿物。该方法还可以应用于从原子到宇宙尺度的其他领域。

吉尔伯特和她的合作者正在进行研究，研究海水酸度的增加如何影响海洋生物制造生物矿物质的方式。了解这一过程是预测海洋生物如何应对环境变化(例如气候变化引起的海洋酸性增强)的关键。