Как именно у коралла формируется скелет, у морского ежа – шип, а у морского ушка – перламутр в своей раковине? Новое исследование, проведенное в усовершенствованном источнике света Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (Лаборатория Беркли) при Министерстве энергетики, показало, что этот процесс биоминерализации, который морские существа используют для удержания углерода в своих телах, является более сложным и разнообразным, чем считалось ранее.

Исследователи изучили края образцов кораллов, морских ежей и моллюсков, где временные строительные блоки, известные как «минеральные предшественники», начинают формировать новую раковину или скелет. Там они обнаружили сюрприз: кораллы и моллюски произвели минеральный предшественник, который никогда раньше не наблюдался в живых организмах и только недавно был создан синтетически.

Они также обнаружили разнообразие типов строительных блоков. Ученые ожидали увидеть «аморфные» предшественники — минералы, у которых отсутствует повторяющаяся атомная структура. Они это сделали, но они также нашли «кристаллические» предшественники, минералы, которые более структурированы и упорядочены. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

«Одно интересное наблюдение заключается в том, что скелеты кораллов и перламутровые моллюски образуются из одних и тех же предшественников, но развивались совершенно отдельно друг от друга», — сказал Пупа Гилберт, приглашенный научный сотрудник лаборатории Беркли и профессор Университета Висконсина. , Мэдисон. Она отметила, что эти два вида начали производить биоминералы спустя долгое время после того, как они разошлись друг от друга на древе жизни.

«Это круто, потому что это означает, что создание биоминерала таким образом, с таким количеством предшественников, является эволюционным преимуществом — энергетически, термодинамически или каким-либо другим способом», — сказал Гилберт. «Как физик, я нахожу удивительным то, что большая часть жизни и биологии в целом использует красоту физики для получения эволюционных преимуществ».

Ученые также обнаружили разные пропорции строительных блоков, присутствующих у разных видов. Неожиданный минеральный предшественник, гемигидрат карбоната кальция (CCHH), и другой строительный блок (моногидрокальцит, или MHC) были обнаружены в кораллах и моллюсках. Но CCHH и MHC обнаруживались только в следовых количествах в шипах морских ежей, что позволяет предположить, что разные животные используют разные подходы к биоминерализации.

Исследователи сделали это открытие с помощью Advanced Light Source (ALS), кругового ускорителя частиц, который производит интенсивные лучи света. АЛС может действовать как мощный микроскоп, предоставляя информацию об атомной и химической структуре образцов. Ученые использовали два разных метода для изучения поверхности материалов и их химического состава, обнаруживая неожиданные минералы, а также разнообразие строительных блоков.

«Проводить эти эксперименты чрезвычайно сложно, потому что нам приходится анализировать образцы сразу, пока они свежие, чтобы увидеть предшественники по мере формирования биоминералов», — сказал Гилберт.

«Если мы подождем хотя бы один день, мы пропустим эти фазы, которые существуют лишь временно. В лаборатории Беркли у нас есть уникальная возможность подготовить образцы на месте, а затем получить доступ к этому фантастическому лучу и микроскопам, которые являются лучшими в мире. мир и дать нам необходимое наноразмерное разрешение и чувствительность к глубине».

Чтобы изучить минеральные частицы на этом крохотном уровне, исследователи также разработали новый метод под названием «Мириады карт». Этот метод позволяет визуализировать все различные типы и относительные концентрации минералов на одном изображении; предыдущие методы ограничивали исследователей только тремя типами минералов. Этот подход может также найти применение в других областях, от атомного до космического масштаба.

Гилберт и ее коллеги продолжают исследовать, как повышение кислотности океанской воды влияет на то, как морские существа производят биоминералы. Понимание этого процесса является ключом к прогнозированию того, как морская жизнь будет реагировать на изменения окружающей среды, такие как повышение кислотности океанов, вызванное изменением климата.