揭示海洋生物的秘密

珊瑚是如何製造其骨骼的？海膽是如何長出棘刺的？鮑魚是如何在其貝殼中形成珍珠母的？美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 先進光源的一項新研究表明，海洋生物用於將碳鎖在其體內的生物礦化過程，比以前認為的更複雜和多樣化。

研究人員研究了珊瑚、海膽和軟體動物樣品的邊緣，在這些邊緣，稱為「礦物前體」的臨時構建塊開始形成新的貝殼或骨骼。在那裡，他們發現了一個驚喜：珊瑚和軟體動物產生了一種以前從未在活的有機體中觀察到過的礦物前體，這種礦物前體直到最近才被人工合成出來。

他們還發現了構建塊類型上的差異。科學家們期望看到「非晶態」前體，即缺乏重複原子結構的礦物。他們確實看到了——但他們也發現了「晶態」前體，即結構更規整有序的礦物。這項研究發表在《自然通訊》雜誌上。

「一個引人入勝的觀察結果是，珊瑚骨骼和軟體動物的珍珠母是由完全相同的礦物前體形成的，然而它們卻完全獨立地進化。」伯克利實驗室訪問教員科學家、威斯康星大學麥迪遜分校教授 Pupa Gilbert 說。她指出，這兩種物種開始製造生物礦物是在它們在生命之樹上彼此分化很久之後。

「這很酷，因為這意味著以這種方式製造生物礦物，使用這麼多前體，是一種進化優勢——無論是在能量上、熱力學上還是其他方面。」Gilbert 說。「作為一名物理學家，我發現生命以及生物學的許多方面都在利用物理學的美妙之處來獲得進化優勢，這一點令人著迷。」

科學家們還發現，不同物種中存在的構建塊比例不同。在珊瑚和軟體動物中都發現了令人驚訝的礦物前體，即碳酸鈣半水合物 (CCHH) 和另一種構建塊（單水方解石，或 MHC）。但 CCHH 和 MHC 在海膽棘刺中僅以痕量出現——這表明不同的動物採用不同的生物礦化方法。

研究人員利用先進光源 (ALS) 進行了這一發現，ALS 是一個環形粒子加速器，可產生強烈的光束。ALS 可以像一台強大的顯微鏡一樣，提供樣品原子和化學結構的信息。科學家們使用了兩種不同的技術來研究材料的表面及其化學成分，揭示了意想不到的礦物以及各種構建塊。

「運行這些實驗非常複雜，因為我們必須立即分析樣本，在樣本新鮮的時候分析，以便在生物礦物形成時觀察到前體。」Gilbert 說。「如果我們只等一天，我們就會錯過這些僅僅瞬時存在的階段。在伯克利實驗室，我們擁有這種獨特的技術，我們可以在現場準備樣本，然後可以使用世界上最好的光束和顯微鏡，這些光束和顯微鏡可以提供我們所需的納米級分辨率和深度靈敏度。」

為了研究如此微小層次的礦物顆粒，研究人員還開發了一種稱為「Myriad Mapping」的新方法。該技術使得能夠在一幅圖像中可視化所有不同類型和相對濃度的礦物；以前的方法將研究人員限制為僅三種類型的礦物。這種方法也可能應用於從原子尺度到宇宙尺度的其他領域。

Gilbert 和她的合作者正在進行一項研究，研究海洋水酸化程度不斷上升如何影響海洋生物製造生物礦物的方式。了解這一過程是預測海洋生物將如何響應環境變化（例如氣候變化引起的海洋酸化）的關鍵。

先進光源是 DOE 科學辦公室用戶設施。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。