På senare år har forskare har retat ut många av biomineraliseringens hemligheter, den process genom vilken sjöborrar växer taggar, blötdjur bygger sina skal och koraller gör sina skelett, för att inte tala om hur däggdjur och andra djur gör ben och tänder.

Materialet som djur gör från grunden för att bygga skyddande skal, knivskarpa tänder, Bärande ben och nålliknande ryggar är några av de hårdaste och mest hållbara ämnen som är kända. Receptet för att tillverka dessa material var en av naturens välbevarade hemligheter, men kraftfulla nya analytiska verktyg och mikroskop har skalat tillbaka mycket av mysteriet, som visar, på nanoskala, exakt hur ett brett spektrum av djur använder exakt samma mekanismer och startkemikalier för att göra de biominerala strukturer de är beroende av.

Nu, i en rapport som publicerades idag (19 augusti, 2019) i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), ett team ledd av Pupa Gilbert, en professor i fysik vid University of Wisconsin–Madison, visar att receptet för att göra skal, ryggar, och korallskelett är inte bara desamma över många moderna djurstammar, men är uråldrig – går tillbaka 550 miljoner år – och utvecklades självständigt mer än en gång.

Fynden är viktiga eftersom de hjälper till att sy ihop en evolutionär berättelse om biomineralisering. Den mer fullständiga bilden av en process som är allestädes närvarande för djurlivet på vår planet säger oss inte bara något viktigt om vår värld, men detaljerna kan en dag utnyttjas av människor för att producera hårdare, lättare, mer hållbara material; verktyg som aldrig behöver slipas; mer trogna biomedicinska implantat; och möjligheten till mänsklig inblandning i saker som att återuppbygga världens korallrev.

"Fyndet att biomineralisering utvecklades oberoende flera gånger, använder samma mekanism, talar om för oss att det finns ett starkt fysiskt eller kemiskt skäl för att göra det, säger Gilbert, en världsexpert på biomineraliseringsprocessen. "Om en organism börjar göra sitt biomineral på det sättet, det konkurrerar ut alla andra som antingen inte gör biomineral eller gör dem annorlunda, det äts inte, och får föra den goda idén vidare i släktet."

Den nya PNAS rapporten bygger på en serie avgörande upptäckter av Gilbert och hennes kollegor. I tidigare studier, Wisconsin-fysikern har visat att processen med biomineralisering fungerar på samma sätt i mycket olika klasser av djur, allt från blötdjur som abalone, till tagghudingar som sjöborrar, och till cnidaria, en stor grupp djur som inkluderar koraller, manet, och havsanemoner. Dessa phyla, eller breda grupper av djur, har ingen gemensam förfader som redan var biomineraliserande, sålunda måste de ha utvecklat biomineraliseringsmekanismer oberoende. Därför, Gilbert säger, "det är extremt förvånande att när de började biomineralisera i Kambrium (för mer än 500 miljoner år sedan) började dessa tre filur göra det på exakt samma sätt:att använda fastsättning av amorfa nanopartiklar."

"Biomineralisering illustrerar både naturens enhet och mångfald, " förklarar Andrew Knoll, en professor i naturhistoria och i jord- och planetvetenskaper vid Harvard University, och en motsvarande medförfattare till den nya rapporten. "Biomineraliserade skelett kan ha utvecklats så många som tjugo gånger enbart inom djur. Det betyder att inte två av dessa biomineraliserande grupper har en gemensam förfader som, sig, skapat ett biomineraliserat skelett."

Gilbert och hennes kollegor har visat att olika biomineraler bildas med början med amorfa kalciumkarbonat-nanopartiklar, som produceras i celler och är den kritiska startkemikalien för alla material som bildas i biomineraliseringsprocessen, vare sig det är pärlemor, eller pärlemor, som kantar ett abaloneskal eller de stenslipande tänderna på en sjöborre. "Mer än ett biomineral bildas av dessa amorfa prekursornanopartiklar, " säger Gilbert. "Det spelar ingen roll om det är en sjöborre, en tand, en ryggrad, pärlemor, eller korall. Alla dessa system har samma amorfa prekursorer.

"Amorfa kalciumkarbonat nanopartiklar, " tillägger Gilbert, "stabiliseras i fångenskap, och reversibelt så. Således, kristaller bildar inte kärnor och växer vid fel plats och tid, men de kan och gör vid rätt plats och tid, det är, på den växande ytan av ett skal, ett korallskelett, en sjöborrerygg."

Många djurs förmåga att göra hårt, skyddande eller defensiva strukturer, säger Knoll, var troligen ett brett svar på utvecklingen av köttätare, återspeglas i en "explosion av biomineralisering" sett i fossiler från den kambriska perioden, började för cirka 541 miljoner år sedan.

De mikroskopiska partiklarna av kalciumkarbonat som produceras i djurceller är samma saker som bildar "kalk" avlagringar i rör och VVS-armaturer. Hos ett djur, det omvandlas på platsen för biomineralisering genom att fästa till platsen och bilda kristaller i vilka individuella atomer är snyggt inriktade för att göra ett gitter, en slags ställning för vilken struktur ett djur än bygger. Processen har retats av Gilberts team med hjälp av ett nytt mikroskop som använder de mjuka röntgenstrålar som produceras av synkrotronstrålning för att observera i nanoskala hur strukturerna kommer samman när de bildas.

Gilberts team gick tillbaka i tiden och använde samma teknik för att undersöka de djupa fossila rekorden i tre distinkta filor, eller breda grupper av besläktade djur, går så långt tillbaka som 550 miljoner år för att prova det äldsta kända djurbiomineralet:Cloudina-skelettet med dess karakteristiska serie av trattar inbäddade i varandra.

Gilbert noterar att medan djurrester genomgår betydande förändringar i fossiliseringsprocessen, nanopartiklarnas biomineraliseringssignatur förblir intakt och observeras genom att spricka öppna fossiler och använda ett svepelektronmikroskop för att undersöka sprickplatsen för att se om nanopartiklarna har tydliga tecken under den ursprungliga kristalliseringsprocessen. "Vi gick tillbaka i tiden så långt som möjligt, till de allra första fossilerna, och biomineralisering genom partikelbindning ser likadan ut som hos moderna djur."

Berättelsen om biomineralisering som avslöjats av Gilbert och hennes kollegor kan informera om utvecklingen av nya material som är användbara för industrin.

"Vi vet inte hur man får amorft kalciumkarbonat eller något annat material att bilda ett rymdfyllande fast ämne och sedan kristallisera, men det gör celler i marina organismer, Gilbert förklarar. "Det vi lär oss av dem, vi kan reproducera i labbet och i industrin, och gör material som är mycket bättre än summan av deras delar, som alla biomineraler är."