כיצד אורגניזמים חיים מייצרים מינרלים כמו קונכיות? מדענים חושפים את סודות הביומינרליזציה

כיצד יצורים חיים מייצרים מינרלים – למשל, עבור הקליפות שלהם? חוקרים התקרבו צעד אחד יותר לתשובה לתעלומה זו.

אורגניזמים רבים יכולים לייצר מינרלים או רקמה מינרלית. דוגמה מפורסמת היא ה-nacre, המשמשת בתכשיטים בגלל צבעיו הססגניים. מבחינה כימית, היווצרותו מתחילה ברכיכה המוציאה יוני סידן וקרבונט ממים. עם זאת, התהליכים והתנאים המדויקים המובילים ל-nacre, מרכיב של ביו-פולימרים וטסיות של סידן פחמתי גבישי, הם נושא לוויכוח אינטנסיבי בין מומחים, וקיימות תיאוריות שונות.

החוקרים אכן מסכימים כי תוצרי ביניים לא גבישיים, כגון סידן פחמתי אמורפי (ACC), ממלאים תפקיד מכריע בביומינרליזציה. לובסטרים וסרטנים אחרים, למשל, שומרים על אספקה ​​של ACC בקיבה, שבה הם משתמשים כדי לבנות קליפה חדשה לאחר ההיתוך. במחקר שפורסם לאחרונה ב תקשורת טבעחוקרים מאוניברסיטת קונסטנץ ומאוניברסיטת לייבניץ בהנובר הצליחו כעת לפענח את מסלול ההיווצרות של ACC.

שילוב של שיטות מתקדמות

החוקרים בראשות דניס גבאואר (אוניברסיטת לייבניץ האנובר) וגווינבר מאתיס (אוניברסיטת קונסטנץ) ניצלו את העובדה שניתן לסנתז ACC לא רק על ידי אורגניזמים חיים, אלא גם במעבדה. באמצעות שיטות מתקדמות כגון ספקטרוסקופיה של תהודה מגנטית גרעינית (MAS NMR), הם ניתחו חלקיקי ACC זעירים כדי לקבוע את המבנה שלהם. "נאבקנו לפרש את הספקטרום של ACC. הם הציעו דינמיקה, שלא הצלחנו לדגמן בהתחלה", אומר מתייס.

רמז חשוב סיפקו הקולגות מאוניברסיטת לייבניץ בהנובר. מקסים גינדלה מקבוצת Gebauer הראה ש-ACC מוליכה חשמל. מכיוון שחלקיקי ACC שבירים מאוד וגודלם רק עשרות ננומטרים (בסביבות 1,000 מעובי שערה אנושית), זה לא היה קל כמו הדבקת שני מובילים פנימה. במקום זאת, המדידות בוצעו באמצעות מיקרוסקופיה של כוח אטומי מוליכות (C-AFM), שבו חלקיקי ACC על משטח שטוח מזוהים על ידי שלוחה זעירה הסורקת את פני השטח ומדמיינים בעזרת קרן לייזר. כאשר הזרוע מונח על אחד הננו-חלקיקים, עובר זרם דרך קצהו כדי למדוד את המוליכות.

שתי סביבות שונות

מיודע על ידי תצפית מוליכות, סנג'אי וינוד קומאר מקבוצת Mathies ביצע ניסויים נוספים של MAS NMR שמטרתם לחקור דינמיקה. הם ציינו שתי סביבות כימיות שונות בחלקיקי ה-ACC. בסביבה הראשונה, מולקולות המים משובצות בסידן פחמתי קשיח ויכולות לעבור רק סיבובים של 180 מעלות. הסביבה השנייה מורכבת ממולקולות מים העוברות נפילה ותרגום איטיים, עם יוני הידרוקסיד מומסים. "האתגר שנותר היה ליישב את שתי הסביבות עם המוליכות הנצפית. מלחים מוצקים הם מבודדים ולכן הסביבה השנייה, הניידת, הייתה צריכה למלא תפקיד", אומר מתייס. בדגם החדש, מולקולות המים הניידות יוצרות רשת באמצעות ננו-חלקיקי ה-ACC. יוני הידרוקסיד המומסים נושאים את המטען.

החוקרים יכולים גם להסביר את היווצרותן של שתי הסביבות הכימיות: במים, יוני סידן וקרבונט נוטים להיצמד זה לזה וליצור מכלולים דינמיים המכונים אשכולות קדם-גרעיניים. הצבירים יכולים לעבור הפרדת פאזות וליצור טיפות נוזליות צפופות, שבתורן מתמזגות להצטברויות גדולות יותר – בדומה לאופן שבו בועות סבון מתלכדות. "הסביבה הנוקשה והפחות ניידת נובעת מהליבה של הננו-טיפות הצפופות והנוזליות. רשת מולקולות המים הניידות, לעומת זאת, נשארת מההתלכדות הלא מושלמת של משטחי הטיפות במהלך התייבשות לקראת ACC מוצק", מסביר Gebauer.

תוצאות אלו מהוות צעד משמעותי לקראת מודל מבני עבור ACC. יחד עם זאת, הם מספקים ראיות מוצקות לכך שהמינרליזציה מתחילה עם אשכולות טרום גרעין. "זה לא רק מקרב אותנו להבנת סוד הביומינרליזציה, אלא יכול להיות גם יישומים בפיתוח חומרים צמנטיים הקושרים פחמן דו חמצני, ומכיוון שאנו יודעים כעת ש-ACC הוא מוליך, במכשירים אלקטרוכימיים", מסכם מתייס.