En años recientes, Los científicos han descubierto muchos de los secretos de la biomineralización, el proceso por el cual los erizos de mar desarrollan espinas, los moluscos construyen sus conchas y los corales hacen sus esqueletos, sin mencionar cómo los mamíferos y otros animales forman huesos y dientes.

Los materiales que los animales fabrican desde cero para construir conchas protectoras, dientes afilados como navajas, Los huesos que soportan cargas y las espinas en forma de aguja son algunas de las sustancias más duras y duraderas que se conocen. La receta para fabricar esos materiales era uno de los secretos íntimos de la naturaleza, pero poderosas nuevas herramientas analíticas y microscopios han desvelado gran parte del misterio, demostración, a nanoescala, exactamente cómo una amplia gama de animales utilizan precisamente los mismos mecanismos y sustancias químicas iniciadoras para fabricar las estructuras biominerales de las que dependen.

Ahora, en un informe publicado hoy (19 de agosto de 2019) en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ), un equipo dirigido por Pupa Gilbert, un profesor de física de la Universidad de Wisconsin-Madison, muestra que la receta para hacer conchas, espinas y esqueletos de coral no solo es el mismo en muchos linajes de animales modernos, pero es antiguo, que se remonta a 550 millones de años, y evolucionó de forma independiente más de una vez.

Los hallazgos son importantes porque ayudan a unir una narrativa evolutiva de biomineralización. La imagen más completa de un proceso omnipresente para la vida animal en nuestro planeta no solo nos dice algo importante sobre nuestro mundo, pero es posible que algún día los humanos aprovechen los detalles para producir más encendedor, materiales más duraderos; herramientas que nunca necesitan afilarse; implantes biomédicos más fieles; y la posibilidad de intervención humana en cosas como la reconstrucción de los arrecifes de coral del mundo.

"El hallazgo de que la biomineralización evolucionó de forma independiente varias veces, utilizando el mismo mecanismo, nos dice que hay una fuerte razón física o química para hacerlo, "dice Gilbert, un experto mundial en el proceso de biomineralización. "Si un organismo comienza a generar su biomineral de esa manera, supera a todos los demás que no producen biominerales o los hacen de forma diferente, no se come, y consigue transmitir esa buena idea a lo largo del linaje ".

El nuevo PNAS El informe se basa en una serie de descubrimientos fundamentales de Gilbert y sus colegas. En estudios anteriores, el físico de Wisconsin ha demostrado que el proceso de biomineralización funciona de la misma manera en clases de animales muy diferentes, que van desde moluscos como el abulón, a los equinodermos como los erizos de mar, y a cnidaria, un gran grupo de animales que incluye corales, Medusa, y anémonas de mar. Estos phyla, o amplios grupos de animales, no tienen un ancestro común que ya se estaba biomineralizando, por lo tanto, deben haber desarrollado mecanismos de biomineralización de forma independiente. Por lo tanto, Gilbert dice:"Es extremadamente sorprendente que cuando comenzaron a biomineralizar en el Cámbrico (hace más de 500 millones de años) estos tres phyla comenzaron a hacerlo exactamente de la misma manera:utilizando la unión de nanopartículas amorfas".

"La biomineralización ilustra tanto la unidad como la diversidad de la naturaleza, "explica Andrew Knoll, profesor de historia natural y de ciencias terrestres y planetarias en la Universidad de Harvard, y un coautor correspondiente del nuevo informe. "Los esqueletos biomineralizados pueden haber evolucionado hasta veinte veces dentro de los animales solamente. Eso significa que no hay dos de estos grupos biomineralizantes que compartan un ancestro común que, sí mismo, creó un esqueleto biomineralizado ".

Gilbert y sus colegas han demostrado que se forman diferentes biominerales comenzando con nanopartículas amorfas de carbonato de calcio, que se producen en las células y son el químico iniciador crítico para todos los materiales que se forman en el proceso de biomineralización, sea ​​el nácar, o nácar, que recubre una concha de abulón o los dientes de un erizo de mar. "Más de una forma biomineral por estas nanopartículas precursoras amorfas, "dice Gilbert." No importa si es una espícula de erizo de mar, un diente, una columna vertebral, nácar, o coral. Todos estos sistemas tienen los mismos precursores amorfos.

"Nanopartículas de carbonato de calcio amorfo, "agrega Gilbert, "se estabilizan en confinamiento, y de forma reversible. Por lo tanto, los cristales no se nuclean y crecen en el lugar y el momento equivocados, pero pueden hacerlo y lo hacen en el momento y lugar adecuados, es decir, en la superficie de crecimiento de una concha, un esqueleto de coral, una espina de erizo de mar ".

La capacidad de muchos animales para hacer duras, estructuras protectoras o defensivas, dice Knoll, fue probablemente una respuesta amplia a la evolución de los carnívoros, reflejado en un "estallido de biomineralización" visto en fósiles del período Cámbrico, comenzando hace unos 541 millones de años.

Las partículas microscópicas de carbonato de calcio producidas en las células animales son la misma materia que forma depósitos de "cal" en tuberías y accesorios de plomería. En un animal se transforma en el sitio de biomineralización uniéndose al sitio y formando cristales en los que los átomos individuales están perfectamente alineados para formar una red, una especie de andamio para cualquier estructura que esté construyendo un animal. El proceso ha sido descubierto por el equipo de Gilbert utilizando un microscopio novedoso que emplea los rayos X suaves producidos por la radiación de sincrotrón para observar a nanoescala cómo se unen las estructuras a medida que se forman.

El equipo de Gilbert retrocedió en el tiempo aplicando las mismas técnicas para sondear el registro fósil profundo en tres filos distintos, o grupos amplios de animales relacionados, se remonta a 550 millones de años para probar el biomineral animal más antiguo conocido:el esqueleto de Cloudina con su característica serie de embudos encajados entre sí.

Gilbert señala que si bien los restos de animales experimentan cambios significativos en el proceso de fosilización, la firma de biomineralización de nanopartículas permanece intacta y se observa al abrir fósiles y usar un microscopio electrónico de barrido para explorar el sitio de la fractura en busca de signos reveladores de nanopartículas durante el proceso de cristalización original. "Retrocedimos en el tiempo en la medida de lo posible, a los primeros fósiles, y la biomineralización por adhesión de partículas tiene el mismo aspecto que en los animales modernos ".

La historia de la biomineralización desvelada por Gilbert y sus colegas puede informar el desarrollo de nuevos materiales útiles para la industria.

"No sabemos cómo hacer que el carbonato de calcio amorfo o cualquier otro material forme un sólido que llene el espacio y luego cristalice, pero las células de los organismos marinos lo hacen, "Gilbert explica." Lo que aprendemos de ellos, podemos reproducir en el laboratorio y en la industria, y fabricar materiales que sean mucho mejores que la suma de sus partes, como lo son todos los biominerales ".