Exakt hur får koraller sitt skelett, en sjöborre att växa till en ryggrad eller en abalone att bilda pärlemor i sitt skal? En ny studie vid Advanced Light Source vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) avslöjade att denna process av biomineralisering, som havsdjur använder för att låsa bort kol i sina kroppar, är mer komplex och mångsidig än man tidigare trott.
Forskare studerade kanterna på prover från koraller, sjöborrar och blötdjur, där tillfälliga byggstenar som kallas "mineralprekursorer" börjar bilda det nya skalet eller skelettet. Där hittade de en överraskning:koraller och blötdjur producerade en mineralprekursor som aldrig tidigare observerats i levande organismer och som först nyligen hade skapats syntetiskt.
De hittade också variation i de typer av byggstenar som fanns. Forskare förväntade sig att se "amorfa" prekursorer, mineraler som saknar en återkommande atomstruktur. Det gjorde de - men de hittade också "kristallina" prekursorer, mineraler som är mer strukturerade och ordnade. Forskningen är publicerad i tidskriften Nature Communications .
"En fascinerande observation är att korallskelett och blötdjur pärlemor bildas med exakt samma prekursorer, men de utvecklades helt separat från varandra", säger Pupa Gilbert, en gästforskare vid Berkeley Lab och professor vid University of Wisconsin , Madison. Hon noterade att de två arterna började tillverka biomineraler långt efter att de avvikit från varandra på livets träd.
"Det är coolt eftersom det betyder att göra en biomineral på det sättet, med så många prekursorer, är en evolutionär fördel - energimässigt, termodynamiskt eller på något annat sätt," sa Gilbert. "Som fysiker tycker jag att det är fascinerande att så mycket av livet, och biologin i allmänhet, utnyttjar fysikens skönhet för att få evolutionära fördelar."
Forskare fann också olika proportioner av byggstenarna i olika arter. Överraskningsmineralprekursorn, kalciumkarbonathemihydrat (CCHH) och en annan byggsten (monohydrocalcit eller MHC) hittades båda i koraller och blötdjur. Men CCHH och MHC dök bara upp i spårmängder i sjöborreryggar – vilket tyder på att olika djur tar olika tillvägagångssätt för biomineralisering.
Forskare gjorde upptäckten med hjälp av Advanced Light Source (ALS), en cirkulär partikelaccelerator som producerar intensiva ljusstrålar. ALS kan fungera som ett kraftfullt mikroskop som ger information om provernas atomära och kemiska struktur. Forskare använde två olika tekniker för att studera ytan på materialen och deras kemiska sammansättning, och avslöjade de oväntade mineralerna såväl som olika byggstenar.
"Det är oerhört komplicerat att köra dessa experiment eftersom vi måste analysera proverna direkt, medan de är färska, för att se prekursorerna när biomineralerna bildas," sa Gilbert.
"Om vi bara väntar en dag missar vi dessa faser som bara existerar övergående. På Berkeley Lab har vi denna unika förmåga där vi kan förbereda proverna på plats och sedan ha tillgång till denna fantastiska stråle och mikroskop som är de bästa inom världen och ge oss den upplösning och djupkänslighet vi behöver i nanoskala."
För att studera mineralpartiklar på denna minimala nivå utvecklade forskare också en ny metod som heter "Myriad Mapping". Tekniken gör det möjligt att visualisera alla olika typer och relativa koncentrationer av mineraler i en bild; tidigare metoder begränsade forskarna till endast tre typer av mineraler. Tillvägagångssättet kan också ha tillämpningar inom andra områden som sträcker sig från den atomära till den kosmiska skalan.
Gilbert och hennes medarbetare har pågående forskning som tittar på hur den ökande surheten i havsvatten påverkar hur havsdjur gör biomineraler. Att förstå processen är nyckeln till att förutsäga hur marint liv kommer att reagera på miljöförändringar, såsom surare hav orsakade av klimatförändringar.
Mer information: Connor A. Schmidt et al, Myriad Mapping of nanoscale minerals avslöjar kalciumkarbonathemihydrat i att bilda pärlemor och korallbiomineraler, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46117-x
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Lawrence Berkeley National Laboratory
