In recente jaren, wetenschappers hebben veel van de geheimen van biomineralisatie geplaagd, het proces waarbij zee-egels stekels laten groeien, weekdieren bouwen hun schelpen en koralen maken hun skeletten, om nog maar te zwijgen over hoe zoogdieren en andere dieren botten en tanden maken.

De materialen die dieren van de grond af maken om beschermende schelpen te bouwen, vlijmscherpe tanden, dragende botten en naaldachtige stekels zijn enkele van de moeilijkste en meest duurzame stoffen die bekend zijn. Het recept voor het maken van die materialen was een van de goed bewaarde geheimen van de natuur, maar krachtige nieuwe analytische instrumenten en microscopen hebben veel van het mysterie weggenomen, laten zien, op nanoschaal, precies hoe een breed scala aan dieren precies dezelfde mechanismen en starterchemicaliën gebruiken om de biominerale structuren te maken waarvan ze afhankelijk zijn.

Nutsvoorzieningen, in een vandaag gepubliceerd rapport (19 aug. 2019) in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ), een team onder leiding van Pupa Gilbert, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, laat zien dat het recept voor het maken van schelpen, stekels, en koraalskeletten is niet alleen hetzelfde in veel moderne dierlijke geslachten, maar is oud - daterend van 550 miljoen jaar - en is meer dan eens onafhankelijk geëvolueerd.

De bevindingen zijn belangrijk omdat ze helpen een evolutionair verhaal van biomineralisatie samen te voegen. Het volledigere beeld van een proces dat alomtegenwoordig is voor het dierlijk leven op onze planeet vertelt ons niet alleen iets belangrijks over onze wereld, maar de details kunnen ooit door mensen worden gebruikt om harder te produceren, aansteker, duurzamere materialen; gereedschap dat nooit geslepen hoeft te worden; meer getrouwe biomedische implantaten; en de mogelijkheid van menselijk ingrijpen in zaken als de wederopbouw van de koraalriffen van de wereld.

"De bevinding dat biomineralisatie meerdere keren onafhankelijk is geëvolueerd, met hetzelfde mechanisme, ons vertelt dat er een sterke fysieke of chemische reden is om dit te doen, " zegt Gilbert, een wereldexpert op het gebied van biomineralisatie. "Als een organisme op die manier zijn biomineraal begint te maken, het overtreft alle anderen die ofwel geen biomineralen maken of ze anders maken, het wordt niet gegeten, en krijgt dat goede idee over de lijn."

De nieuwe PNAS rapport bouwt voort op een reeks baanbrekende ontdekkingen door Gilbert en haar collega's. In eerdere onderzoeken, de natuurkundige uit Wisconsin heeft aangetoond dat het proces van biomineralisaties hetzelfde werkt in enorm verschillende klassen van dieren, variërend van weekdieren zoals abalone, aan stekelhuidigen zoals zee-egels, en aan cnidaria, een grote groep dieren waaronder koralen, kwallen, en zeeanemonen. deze phyla, of brede groepen dieren, geen gemeenschappelijke voorouder hebben die al aan het biomineraliseren was, dus moeten ze onafhankelijk van elkaar biomineralisatiemechanismen hebben ontwikkeld. Daarom, Gilbert zegt, "Het is buitengewoon verrassend dat toen ze begonnen met biomineralisatie in het Cambrium (meer dan 500 miljoen jaar geleden), deze drie phyla het op precies dezelfde manier begonnen te doen:met behulp van hechting van amorfe nanodeeltjes."

"Biomineralisatie illustreert zowel de eenheid als de diversiteit van de natuur, " legt Andrew Knoll uit, een professor in natuurlijke historie en van aard- en planetaire wetenschappen aan de Harvard University, en een corresponderende co-auteur van het nieuwe rapport. "Gebiomineraliseerde skeletten zijn misschien wel twintig keer geëvolueerd binnen dieren alleen. Dat betekent dat geen twee van deze biomineraliserende groepen een gemeenschappelijke voorouder delen die, zelf, vormde een biomineralized skelet."

Gilbert en haar collega's hebben aangetoond dat verschillende biomineralen worden gevormd, beginnend met amorfe calciumcarbonaat-nanodeeltjes, die in cellen worden geproduceerd en de essentiële chemische startstof zijn voor alle materialen die zich vormen in het biomineralisatieproces, of het nu het parelmoer is, of parelmoer, die een abalone-schelp of de rotsknarsende tanden van een zee-egel omlijnt. "Meer dan één biomineraal wordt gevormd door deze amorfe voorloper-nanodeeltjes, "zegt Gilbert. "Het maakt niet uit of het een zee-egelspicule is, een tand, een ruggengraat, parelmoer, of koraal. Al deze systemen hebben dezelfde amorfe voorlopers.

"Amorfe calciumcarbonaat nanodeeltjes, " voegt Gilbert toe, "zijn gestabiliseerd in opsluiting, en omkeerbaar dus. Dus, kristallen kiemen niet en groeien niet op de verkeerde plaats en tijd, maar ze kunnen en doen op de juiste plaats en tijd, dat is, op het groeioppervlak van een schelp, een koraalskelet, een zee-egel ruggengraat."

Het vermogen van veel dieren om harde, beschermende of defensieve structuren, zegt Knoll, was waarschijnlijk een brede reactie op de evolutie van carnivoren, weerspiegeld in een "uitbarsting van biomineralisatie" gezien in fossielen uit de Cambrische periode, begon zo'n 541 miljoen jaar geleden.

De microscopisch kleine deeltjes calciumcarbonaat die in dierlijke cellen worden geproduceerd, zijn hetzelfde materiaal dat "kalkafzettingen" vormt in leidingen en sanitaire voorzieningen. Bij een dier, het wordt getransformeerd op de plaats van biomineralisatie door zich aan de plaats te hechten en kristallen te vormen waarin individuele atomen netjes zijn uitgelijnd om een ​​rooster te maken, een soort steiger voor welke structuur een dier ook aan het bouwen is. Het proces is geplaagd door het team van Gilbert met behulp van een nieuwe microscoop die de zachte röntgenstralen gebruikt die worden geproduceerd door synchrotronstraling om op nanoschaal te observeren hoe de structuren samenkomen terwijl ze worden gevormd.

Het team van Gilbert ging terug in de tijd door dezelfde technieken toe te passen om het diepe fossielenbestand in drie verschillende phyla te onderzoeken, of brede groepen verwante dieren, teruggaand tot 550 miljoen jaar geleden om het oudst bekende dierlijke biomineraal te bemonsteren:het Cloudina-skelet met zijn karakteristieke reeks trechters die in elkaar zijn genesteld.

Gilbert merkt op dat hoewel dierlijke resten significante veranderingen ondergaan in het proces van fossilisatie, de biomineralisatiesignatuur van nanodeeltjes blijft intact en wordt waargenomen door fossielen open te breken en een scanning-elektronenmicroscoop te gebruiken om de plaats van de breuk te onderzoeken op de veelbetekenende tekenen van nanodeeltjes tijdens het oorspronkelijke kristallisatieproces. "We zijn zo ver mogelijk teruggegaan in de tijd, tot de allereerste fossielen, en biomineralisatie door aanhechting van deeltjes ziet er hetzelfde uit als bij moderne dieren."

Het biomineralisatieverhaal dat door Gilbert en haar collega's is ontrafeld, kan de ontwikkeling van nieuwe materialen die nuttig zijn voor de industrie, informeren.

"We weten niet hoe we amorf calciumcarbonaat of een ander materiaal een ruimtevullende vaste stof kunnen laten vormen en dan kunnen kristalliseren, maar cellen in mariene organismen wel, Gilbert legt uit. "Wat we van hen leren, we kunnen reproduceren in het laboratorium en in de industrie, en materialen maken die veel beter zijn dan de som der delen, zoals alle biomineralen zijn."