Разнообразие природных структур, таких как зубы и кости млекопитающих, защитные раковины моллюсков, иглы морских ежей и других обитателей моря демонстрирует поистине удивительный почерк природы. Приспособленные для жевания, передвижения, защиты, эти образования являются твердыми и прочными, а ученые и инженеры стараются воссоздать материалы с подобным строением и свойствами.

Изучение процессов биоминерализации привело ученых к описанию деталей неизвестного до недавних пор механизма превращения аморфного карбоната кальция в минерал кальцит, представляющий собой кристаллы с гексагональной сингонией и являющийся основным компонентом морских раковин. С помощью подробной информации о процессе биоминерализации ученые надеются разработать новые, сверхтвердые материалы для электроники и микромеханических устройств.

В последнем номере высоко цитируемого журнала PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences) группой ученых из университета Wisconsin-Madison (США) под руководством профессора физики Пьюпы Гилберт (Pupa Gilbert) приведено описание процесса трансформации глубоководными морскими ежами карбоната кальция в тот самый материал, который образует известковые отложения в трубах и в чайниках – в кристаллы вещества, из которого также построены твердые раковины и шипы обитателей моря. Этот механизм, по словам авторов, хорошо иллюстрирует основной принцип биоминерализации.

«Если мы сможем повторить этот процесс, то это будет чрезвычайно важным шагом для технологии, – так комментирует цели исследования профессор Гилберт, – Это настоящее, происходящее по принципу «снизу-вверх», нанопроизводство».

Профессор Гилберт в сотрудничестве с израильским Weizmann Institute, калифорнийским университетом в Беркли и Lawrence Berkeley National Laboratory воспользовалась возможностями нового рентгеновского микроскопа, с помощью синхротронного излучения которого изучила возникновение игл морских ежей, начиная с личиночной стадии, когда эти органы представляют собой острые кристаллические выступы на подкожном эндоскелете.

Подобно зубам и костям, иглы морских ежей – это биоминеральные образования, состоящие из органических и неорганических компонентов и наиболее распространенных в морской воде кальция, кислорода и углерода. Полностью сформированная игла морского ежа  – это монокристалл с довольно необычной морфологией: он не имеет граней и в течение 48 часов после зарождения очень похож на логотип Мерседеса.

Разнообразные формы кристаллов, такие как в эмали зубов, яичной скорлупе или раковинах улиток, очень отличаются от типа кристаллов, образованных в природе в результате небиологических процессов. И чтобы достичь такой необычности и функциональной морфологии, организмы сначала производят отложения аморфного минерала, а затем медленно превращают его в кристаллическую форму с упорядоченным расположением атомов и специфической решеткой, поддерживающей столь необычную морфологию.

(a) Синтетический кристалл кальцита простой формы по сравнению с (b) сложной высокоорганизованной структурой, образованной в природе (на рисунке изображен кокколит – известковый панцирь одноклеточной водоросли)

Гилберт и ее коллеги задались вопросом о том, каким именно образом происходит превращение аморфного вещества в кристаллическое. Модельной системой для изучения этого процесса биоминерализации послужили иглы морского ежа, открытие существования кальциевого прекурсора в метаболизме которого было сделано той же группой израильских ученых в 1997 году. Затем схожие процессы были подтверждены учеными в образовании раковин моллюсков, зубной эмали и скелете рыбы-зебры. Образующиеся таким путем биоминералы гораздо более твердые и прочные по сравнению с минералами, из которых они образовались. Исходный аморфный минерал полностью перерабатывается в кристаллический, и ученые постарались выяснить, как кристалл растет внутри аморфного вещества.

Для ответа на этот вопрос Гилберт и ее коллеги провели наблюдение за развитием игл 2–3-дневной личинки морского ежа. Каждая игла образовывалась внутри скопления определенных клеток и росла снизу вверх, образуя ромбоэдрический кристалл кальцита в форме зернышка, из которого затем образовывалась игла. Из центра кристалла под углом 120° друг к другу развивались 3 луча, организовывая структуру, напоминающую логотип Мерседеса. Изначально эти лучи были построены из аморфного карбоната кальция, но затем они медленно трансформировались в кальцит.

«Мы старались найти доказательство цельного роста кристалла с хорошо определяемой границей кристалла, растущего из центрального кристаллического образования сквозь аморфный материал, хотя мы никогда не обнаруживали ничего схожего с таким процессом, – рассказывает Гилберт, – То, что мы увидели вместо этого – 40–100 нанометровые частицы аморфного карбоната кальция просто агрегировали с образованием кальцита с конечной морфологией. Одни частицы переходили в кристаллический кальцит, затем другие, расположенные рядом, немедленно делали то же, затем следующие, и так далее, создавая трехмерный эффект домино. При этом направление кристалличности было совсем не прямым и напоминало случайный рисунок, или фрактал, подобный неравномерной освещенности неба или перколяции в пористой среде».

Эти новые знания, по мнению ученых, продвинут научное понимание сложных процессов образования и видоизменения биоминералов на шаг вперед, а пошаговое объяснение этих процессов может служить платформой для создания новых интересных кристаллических структур, применимых в самых различных областях: от микроэлектроники и до медицинских приложений.

Мария Костюкова