生物如何产生像贝壳一样的矿物质？科学家揭开矿化的秘密

许多生物都能产生矿物或矿化组织。一个著名的例子就是珍珠质，它因具有彩虹般的色彩而被用于制作珠宝。从化学角度讲，珍珠质的形成始于软体动物从水中提取钙和碳酸根离子。然而，专家们对形成珍珠质这种生物聚合物和结晶碳酸钙小板的复合体的确切过程和条件争论不休，存在不同的理论。

研究人员一致认为，非晶中间体，如无定形碳酸钙（ACC），在生物矿化过程中起着至关重要的作用。例如，龙虾和其他甲壳类动物会在胃里储存一定量的无定形碳酸钙，在蜕皮后用来打造新的外壳。康斯坦茨大学（University of Konstanz）和汉诺威莱布尼茨大学（Leibniz University Hannover）的研究人员在最近发表于《自然-通讯》（Nature Communications）的一项研究中，成功破解了ACC的形成途径。

Denis Gebauer（汉诺威莱布尼茨大学）和Guinevere Mathies（康斯坦茨大学）领导的研究人员利用了ACC不仅可以由生物体合成，也可以在实验室合成这一事实。他们利用魔角旋转核磁共振（MAS NMR）光谱等先进方法分析了微小的ACC颗粒，以确定其结构。

"我们一直在努力解释 ACC 的光谱。它们显示了我们起初无法建立模型的动力学，"马蒂斯说。汉诺威莱布尼茨大学的同事提供了一条重要线索。Gebauer 小组的 Maxim Gindele 发现 ACC 可以导电。由于 ACC 颗粒非常脆弱，只有几十纳米大小（约为头发丝粗细的千分之一），因此这并不像插入两根导线那么容易。测量采用了电导原子力显微镜（C-AFM），通过微型悬臂扫描平面上的 ACC 粒子，并借助激光束进行观察。当悬臂放在其中一个纳米粒子上时，悬臂尖端会通过电流来测量电导率。

马蒂斯研究小组的桑杰-维诺德-库马尔（Sanjay Vinod Kumar）根据电导率观测结果，进一步进行了旨在探测动力学的 MAS NMR 实验。他们在 ACC 粒子中发现了两种截然不同的化学环境。

在第一种环境中，水分子嵌入坚硬的碳酸钙中，只能进行 180 度的翻转。

第二种环境是水分子与溶解的氢氧根离子一起缓慢翻滚和平移。

"剩下的挑战是如何将两种环境与观测到的导电性相协调。固体盐是绝缘体，因此第二种流动环境必须发挥作用，"马蒂斯说。在新模型中，移动水分子通过 ACC 纳米粒子形成了一个网络。溶解的氢氧根离子携带电荷。

研究人员还解释了两种化学环境形成的原因：在水中，钙离子和碳酸根离子往往会粘在一起，形成动态的集合体，称为预核团。这些簇会发生相分离，形成致密的液滴，而液滴又会合并成更大的聚集体--这与肥皂泡的凝聚过程类似。

"刚性、流动性较低的环境来自于致密液态纳米液滴的核心。另一方面，流动的水分子网络则是水滴表面在向固体 ACC 脱水过程中不完全凝聚而形成的，"Gebauer 解释说。

这些结果是朝着建立 ACC 结构模型迈出的重要一步。与此同时，它们还提供了确凿的证据，证明矿化始于预成核簇。马蒂斯总结说："这不仅使我们更接近于了解生物矿化的秘密，而且还可以应用于开发结合二氧化碳的胶凝材料，由于我们现在知道 ACC 是一种导体，因此还可以应用于电化学设备。"

编译来源：ScitechDaily