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Fazendo biominerais: a receita da natureza é antiga, evoluiu mais de uma vez
Caros Leitores;
Um fóssil de Desmoceras. Um cefalópode que prosperou no início do Cretáceo, 146 a 100 milhões de anos atrás. Observe a ninhada biomineral fossilizada ou madrepérola. Crédito: Pupa GilbertNos últimos anos, os cientistas revelaram muitos dos segredos da biomineralização, o processo pelo qual os ouriços-do-mar crescem espinhos, os moluscos constroem suas conchas e os corais fazem seus esqueletos, sem mencionar como os mamíferos e outros animais produzem ossos e dentes.
Os materiais que os animais fazem a partir do zero para construir conchas de proteção, dentes afiados, ossos de suporte e espinhos semelhantes a agulhas são algumas das substâncias mais duras e mais duráveis conhecidas. A receita para fazer esses materiais era um dos segredos mais próximos da natureza, mas novas e poderosas ferramentas e microscópios analíticos retiveram grande parte do mistério, mostrando, em nanoescala, exatamente como uma grande variedade de animais usa exatamente os mesmos mecanismos e produtos químicos de partida. para fazer as estruturas biomineral de que eles dependem.
Agora, em um relatório publicado hoje (19 de agosto de 2019) no Proceedings da Academia Nacional de Ciências ( PNAS ), uma equipe liderada por Pupa Gilbert, professora de física da Universidade de Wisconsin-Madison, mostra que a receita para fazer conchas, espinhas e esqueletos de corais não são apenas os mesmos em muitas linhagens modernas de animais, mas são antigos - datando de 550 milhões de anos - e evoluíram independentemente mais de uma vez.
As descobertas são importantes porque ajudam a juntar uma narrativa evolutiva da biomineralização. O quadro mais completo de um processo onipresente para a vida animalem nosso planeta não apenas nos diz algo importante sobre o nosso mundo, mas os detalhes podem um dia ser aproveitados pelos seres humanos para produzir materiais mais duros, leves e duráveis; ferramentas que nunca precisam de nitidez; implantes biomédicos mais fiéis; e a possibilidade de intervenção humana em coisas como a reconstrução dos recifes de corais do mundo.
"A descoberta de que a biomineralização evoluiu de forma independente várias vezes, usando o mesmo mecanismo, nos diz que há uma forte razão física ou química para isso", diz Gilbert, um especialista mundial no processo de biomineralização. "Se um organismo começa a fazer seu biomineral dessa maneira, ele supera todos os outros que não fazem biomineral ou os fazem de forma diferente, não são comidos, e transmitem essa boa idéia para a linhagem."
O novo relatório da PNAS se baseia em uma série de descobertas seminais de Gilbert e seus colegas. Em estudos anteriores, o físico de Wisconsin mostrou que o processo de biomineralização funciona da mesma forma em classes muito diferentes de animais, variando de moluscos como o abalone até equinodermos como os ouriços-do-mar.e para cnidaria, um grande grupo de animais que inclui corais, águas-vivas e anêmonas do mar. Esses filos, ou grupos amplos de animais, não possuem um ancestral comum que já fosse biomineralizante, portanto, devem ter desenvolvido mecanismos de biomineralização independentemente. Portanto, diz Gilbert, "é extremamente surpreendente que quando eles começaram a biomineralização no Cambriano (mais de 500 milhões de anos atrás) esses três filos começaram a fazê-lo exatamente da mesma maneira: usando a fixação de nanopartículas amorfas".
"A biomineralização ilustra tanto a unidade quanto a diversidade da natureza", explica Andrew Knoll, professor de história natural e de ciências da terra e planetárias da Universidade de Harvard, e correspondente co-autor do novo relatório. "Esqueletos biomineralizados podem ter evoluído até vinte vezes apenas em animais. Isso significa que dois desses grupos biomineralizantes não compartilham um ancestral comum que, em si, formou um esqueleto biomineralizado."
Um esqueleto de Cloudina, com sua série característica de funis empilhados, é o mais antigo biomineral fóssil conhecido, com 550 milhões de anos de idade. Crédito: Pupa Gilbert
Gilbert e seus colegas mostraram que diferentes biominerais se formam a partir de nanopartículas de carbonato de cálcio amorfo, que são produzidas nas células e são o químico de partida crítico para todos os materiais que se formam no processo de biomineralização, seja o nácar ou a mãe-de- pérola, que alinha uma concha de abalone ou os dentes de um ouriço-do-mar. "Mais do que um biomineral forma por essas nanopartículas precursoras amorfas", diz Gilbert. "Não importa se é uma espiga de ouriço-do-mar, um dente, uma espinha, um nácar ou um coral. Todos esses sistemas têm os mesmos precursores amorfos.
"As nanopartículas de carbonato de cálcio amorfo", acrescenta Gilbert, "são estabilizadas em confinamento, e reversivelmente. Assim, os cristais não se formam e crescem no lugar e no tempo errados, mas podem e fazem no lugar e no tempo certos, isto é na superfície de crescimento de uma concha, um esqueleto de coral, uma espinha de ouriço-do-mar. "
A capacidade de muitos animais de fazer estruturas duras, protetoras ou defensivas, diz Knoll, foi provavelmente uma ampla resposta à evolução dos carnívoros, refletida em uma "explosão de biomineralização" observada em fósseis do período cambriano, iniciada há 541 milhões de anos .
As partículas microscópicas de carbonato de cálcio produzidas em células animais são o mesmo material que forma depósitos de "cal" em canos e canalizações. Em um animal, ele é transformado no local da biomineralização, fixando-se ao local e formando cristais nos quais os átomos individuais estão perfeitamente alinhados para fazer uma rede, uma espécie de andaime para qualquer estrutura que um animal esteja construindo. O processo foi provocado pela equipe de Gilbert usando um novo microscópio que emprega os raios-X suaves produzidos pela radiação síncrotron para observar na nanoescala como as estruturas se juntam quando são formadas.
A equipe de Gilbert voltou no tempo aplicando as mesmas técnicas para sondar o registro fóssil profundo em três filos distintos, ou grupos amplos de animais relacionados, indo até 550 milhões de anos para provar o mais antigo biomineral animal conhecido: o esqueleto Cloudina com sua característica série de funis aninhados um no outro.
Gilbert observa que, embora os restos de animais sofram mudanças significativas no processo de fossilização, a assinatura da biomineralização das nanopartículas permanece intacta e é observada rachando fósseis abertos e usando um microscópio eletrônico de varredura para sondar o local da fratura para detectar sinais de nanopartículas durante o original. processo de cristalização. "Nós voltamos no tempo tanto quanto possível, aos primeiros fósseis, e a biomineralização por fixação de partículas parece a mesma dos animais modernos."
A história da biomineralização revelada por Gilbert e seus colegas pode informar o desenvolvimento de novos materiais úteis para a indústria.
"Nós não sabemos como fazer o carbonato de cálcio amorfo ou qualquer outro material formar um sólido que preenche o espaço e, em seguida, cristalizar, mas as células em organismos marinhos", explica Gilbert. "O que aprendemos com eles, podemos reproduzir no laboratório e na indústria, e fazer materiais que são muito melhores do que a soma de suas partes, como todos os biominerais são."
Hélio R.M. Cabral
(Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da
Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).
Membro da Society for
Science and the Public (SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA
(National Aeronautics and Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa
do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) e U.S Department of State.
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