Negli ultimi anni, gli scienziati hanno svelato molti dei segreti della biomineralizzazione, il processo attraverso il quale i ricci di mare crescono spine, i molluschi costruiscono le loro conchiglie e i coralli i loro scheletri, per non parlare di come i mammiferi e altri animali producono ossa e denti.

I materiali che gli animali fabbricano da zero per costruire involucri protettivi, denti affilati come rasoi, ossa portanti e spine aghiformi sono alcune delle sostanze più dure e durevoli conosciute. La ricetta per realizzare quei materiali era uno dei segreti gelosamente custoditi dalla natura, ma nuovi potenti strumenti analitici e microscopi hanno svelato gran parte del mistero, mostrando, su scala nanometrica, esattamente come una vasta gamma di animali usa esattamente gli stessi meccanismi e sostanze chimiche di partenza per creare le strutture biominerali da cui dipendono.

Ora, in un rapporto pubblicato oggi (19 agosto, 2019) in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ), una squadra guidata da Pupa Gilbert, un professore di fisica dell'Università del Wisconsin-Madison, mostra che la ricetta per fare le conchiglie, spine, e gli scheletri di corallo non sono solo gli stessi in molti lignaggi animali moderni, ma è antico, risalente a 550 milioni di anni, e si è evoluto indipendentemente più di una volta.

I risultati sono importanti perché aiutano a ricucire una narrativa evolutiva della biomineralizzazione. Il quadro più completo di un processo onnipresente per la vita animale sul nostro pianeta non solo ci dice qualcosa di importante sul nostro mondo, ma i dettagli potrebbero un giorno essere sfruttati dagli umani per produrre più duro, accendino, materiali più durevoli; strumenti che non necessitano mai di affilatura; impianti biomedici più fedeli; e la possibilità di intervento umano in cose come la ricostruzione delle barriere coralline del mondo.

"La scoperta che la biomineralizzazione si è evoluta indipendentemente più volte, utilizzando lo stesso meccanismo, ci dice che c'è una forte ragione fisica o chimica per farlo, "dice Gilberto, un esperto mondiale del processo di biomineralizzazione. "Se un organismo inizia a produrre il suo biominerale in quel modo, supera tutti gli altri che non producono biominerali o li producono in modo diverso, non si mangia, e riesce a trasmettere quella buona idea lungo il lignaggio."

Il nuovo PNAS rapporto si basa su una serie di scoperte seminali di Gilbert e dei suoi colleghi. Negli studi precedenti, il fisico del Wisconsin ha dimostrato che il processo di biomineralizzazione funziona allo stesso modo in classi di animali molto diverse, che vanno da molluschi come abalone, agli echinodermi come i ricci di mare, e agli cnidari, un folto gruppo di animali che comprende coralli, Medusa, e anemoni di mare. Questi phyla, o ampi gruppi di animali, non hanno un antenato comune che fosse già biomineralizzante, quindi devono aver sviluppato meccanismi di biomineralizzazione indipendentemente. Perciò, Gilberto dice, "è estremamente sorprendente che quando hanno iniziato a biomineralizzare nel Cambriano (più di 500 milioni di anni fa) questi tre phyla hanno iniziato a farlo esattamente allo stesso modo:usando l'attaccamento di nanoparticelle amorfe".

"La biomineralizzazione illustra sia l'unità che la diversità della natura, " spiega Andrew Knoll, professore di storia naturale e di scienze della Terra e planetarie all'Università di Harvard, e un corrispondente coautore del nuovo rapporto. "Gli scheletri biomineralizzati possono essersi evoluti fino a venti volte all'interno dei soli animali. Ciò significa che nessuno di questi gruppi biomineralizzanti condivide un antenato comune che, si, modellato uno scheletro biomineralizzato."

Gilbert e i suoi colleghi hanno dimostrato che diversi biominerali si formano a partire da nanoparticelle di carbonato di calcio amorfo, che sono prodotti nelle cellule e sono la sostanza chimica di partenza fondamentale per tutti i materiali che si formano nel processo di biomineralizzazione, sia la madreperla, o madreperla, che riveste una conchiglia di abalone o i denti macinanti di un riccio di mare. "Più di un biominerale si forma da queste nanoparticelle precursori amorfi, " dice Gilbert. "Non importa se è una spicola di riccio di mare, un dente, una spina dorsale, madreperla, o corallo. Tutti questi sistemi hanno gli stessi precursori amorfi.

"Nanoparticelle di carbonato di calcio amorfo, "aggiunge Gilberto, "sono stabilizzati in reclusione, e reversibilmente così. Così, i cristalli non si nucleano e non crescono nel posto e nel momento sbagliato, ma possono e lo fanno al posto e al momento giusto, questo è, sulla superficie crescente di una conchiglia, uno scheletro di corallo, una spina dorsale di riccio di mare."

La capacità di molti animali di rendere duro, strutture protettive o difensive, dice Knoll, era probabilmente un'ampia risposta all'evoluzione dei carnivori, riflessa in una "esplosione di biomineralizzazione" osservata nei fossili del periodo Cambriano, a partire da circa 541 milioni di anni fa.

Le microscopiche particelle di carbonato di calcio prodotte nelle cellule animali sono le stesse sostanze che formano depositi di "calce" nei tubi e negli impianti idraulici. In un animale, si trasforma nel sito di biomineralizzazione attaccandosi al sito e formando cristalli in cui i singoli atomi sono ordinatamente allineati per formare un reticolo, una sorta di impalcatura per qualunque struttura stia costruendo un animale. Il processo è stato scoperto dal team di Gilbert utilizzando un nuovo microscopio che utilizza i raggi X morbidi prodotti dalla radiazione di sincrotrone per osservare su scala nanometrica come le strutture si uniscono mentre si formano.

La squadra di Gilbert è tornata indietro nel tempo applicando le stesse tecniche per sondare i reperti fossili profondi in tre distinti phyla, o ampi gruppi di animali imparentati, risalendo a 550 milioni di anni fa per campionare il più antico biominerale animale conosciuto:lo scheletro di Cloudina con la sua caratteristica serie di imbuti incastonati l'uno nell'altro.

Gilbert osserva che mentre i resti animali subiscono cambiamenti significativi nel processo di fossilizzazione, la firma di biomineralizzazione delle nanoparticelle rimane intatta e viene osservata rompendo fossili aperti e utilizzando un microscopio elettronico a scansione per sondare il sito della frattura per i segni rivelatori di nanoparticelle durante il processo di cristallizzazione originale. "Siamo tornati indietro nel tempo il più possibile, ai primissimi fossili, e la biomineralizzazione per attaccamento delle particelle sembra la stessa degli animali moderni".

La storia della biomineralizzazione svelata da Gilbert e dai suoi colleghi potrebbe informare lo sviluppo di nuovi materiali utili per l'industria.

"Non sappiamo come fare in modo che il carbonato di calcio amorfo o qualsiasi altro materiale formi un solido che riempie lo spazio e poi si cristallizzi, ma le cellule degli organismi marini sì, " spiega Gilbert. "Ciò che impariamo da loro, possiamo riprodurre in laboratorio e nell'industria, e realizzare materiali di gran lunga migliori della somma delle loro parti, come tutti i biominerali."