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加州大学圣芭芭拉分校新闻

不寻常的构建块

动物王国充满了长着硬壳、甲壳和骨骼的动物。但是复杂的生命最初进化的时候非常脆弱,那么这种变化是什么时候发生的,又是如何发生的呢?

加州大学圣巴巴拉分校的古生物学家苏珊娜·波特和她的同事们解决了这个问题,发现当碳酸盐骨骼在5亿多年前首次进化时,不同的动物群体都聚集在一个类似的、违反直觉的生物矿化过程中。

研究人员的发现发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上的一篇新论文中。

今天,许多不相关的动物用碳酸钙建造它们的骨骼或外壳——包括棘皮动物、软体动物和珊瑚。这些动物使用非晶态或非晶态纳米颗粒作为它们的构建材料,而不是从周围的海水中一个离子一个离子地构建晶体。

地球科学教授波特说:“事实上,据我们所知,通过粒子附着结晶似乎是生物矿化的主流方法。”

这些动物不是在分子水平上构建骨架,而是首先形成无定形碳酸钙纳米颗粒。然后,他们把这些颗粒储存在囊泡中,囊泡可以用来把它们运送到结晶的地方。

这种结晶方法早在20多年前就在海胆的牙齿中被首次记录下来。从那时起,科学家们就注意到了整个动物界的这一过程,涉及到不同的矿物质。更重要的是,不同的动物群体似乎已经独立地确定了这种生物矿化的方法,所以一定有什么原因。

鉴于这一过程的普遍性,波特和她的合作者想要确定他们能在多早的时候找到这一过程的证据。她说:“我们显然不能看着这些寒武纪和埃迪卡拉纪生物形成它们的骨架,所以我们需要一个替代物。”波特的同事、威斯康辛大学麦迪逊分校的第一作者Pupa Gilbert先前发现,当在扫描电子显微镜下观察贝壳和骨骼时,通过颗粒附着形成的结晶会在外壳和骨骼中留下不规则的颗粒结构。

在扫描电镜下观察到白垩纪菊石的颗粒状结晶结构。

照片来源:苏珊娜·波特

研究小组在对5亿多年前的化石进行成像时也发现了同样的模式。事实上,即使在后来转化成另一种矿物的物质中,这种特征也被保存了下来。

“这是惊人的,”波特惊叹道,“事实上,我们可以在亚微米水平上看到这个细节。”

在波特和她的合作者研究的古代材料中有克鲁迪纳的化石,克鲁迪纳属包括一些最早形成矿化骨架的动物。该属以加州大学圣巴巴拉分校的普雷斯顿云命名,普雷斯顿云是已故的生物地质学教授,也是研究早期生命的杰出研究者。

研究小组在克鲁迪纳化石中发现了与其他通过颗粒附着形成晶体的动物相同的不规则纳米结构。波特说:“这表明,即使在动物刚开始进化矿化骨骼时,它们可能并不擅长生物矿化,但它们已经选择了这种机制。”

研究人员的发现表明,即使在早期,不同的血统之间也存在对这种特殊机制的选择。波特说:“当你一次又一次地看到某样东西被选中时,这表明它是最有利的。”

虽然动物会使用非晶态材料来创造最终形成它们骨骼或外壳的晶体,这是违反直觉的,但波特解释说,这种机制似乎比传统模型所建议的简单地一个离子一个离子地建造,更能控制矿化。

首先,当这些粒子被限制在小泡中时,它们非常稳定:这种物质不会立即结晶,而是保持非晶态。这使得动物可以保留周围和可用的成分,同时保持关于矿化骨骼形成的时间和地点的灵活性。

此外,像碳酸钙这样的化合物可以根据环境条件具有不同的结构,从而形成不同的矿物质。波特解释说,通过将这些分子以无定形的形式储存起来,这种动物可以更好地控制它们的形态,或者说是变型。

她说:“这就像周围有一些冷冻的曲奇饼面团,之后你要把它们烤成曲奇饼。”

波特感兴趣的是大规模的模式,当血统第一次进化骨骼,以及这些骨骼如何受到当时的环境和生态条件的影响。她最近提交了一篇论文,研究碳酸盐岩生物矿化剂的模式在埃迪卡拉纪和寒武纪之间是如何变化的。寒武纪是复杂动物开始出现在化石记录中的时期。

她怀疑最早的生物矿化剂,比如克鲁迪纳,对骨骼的形成过程没有特别强的控制能力。波特说:“但到了寒武纪,碳酸盐矿化剂的外壳就变得复杂而有组织。”“它们对骨骼有更大的控制力。”

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.news.ucsb.edu/2019/019608/unusual-building-blocks