p Nos últimos anos, cientistas descobriram muitos dos segredos da biomineralização, o processo pelo qual os ouriços-do-mar criam espinhos, moluscos constroem suas conchas e corais fazem seus esqueletos, para não mencionar como os mamíferos e outros animais fazem ossos e dentes. p Os materiais que os animais fazem do zero para construir conchas protetoras, dentes afiados como navalhas, ossos que suportam carga e espinhos em forma de agulha são algumas das substâncias conhecidas mais duras e duráveis. A receita para fazer esses materiais era um dos segredos da natureza, mas novas ferramentas analíticas e microscópios poderosos descobriram muito do mistério, mostrando, em nanoescala, exatamente como uma ampla gama de animais usa precisamente os mesmos mecanismos e substâncias químicas iniciais para fazer as estruturas biominerais das quais dependem.

p Agora, em um relatório publicado hoje (19 de agosto, 2019) no Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), uma equipe liderada por Pupa Gilbert, um professor de física da Universidade de Wisconsin-Madison, mostra que a receita para fazer conchas, espinhos, e os esqueletos de coral não são apenas os mesmos em muitas linhagens animais modernas, mas é antigo - remonta a 550 milhões de anos - e evoluiu independentemente mais de uma vez.

p As descobertas são importantes porque ajudam a costurar uma narrativa evolutiva da biomineralização. A imagem mais completa de um processo onipresente para a vida animal em nosso planeta não apenas nos diz algo importante sobre o nosso mundo, mas os detalhes podem um dia ser aproveitados pelos humanos para produzir mais duros, mais leve, materiais mais duráveis; ferramentas que nunca precisam ser afiadas; implantes biomédicos mais fiéis; e a possibilidade de intervenção humana em coisas como reconstruir os recifes de coral do mundo.

p "A descoberta de que a biomineralização evoluiu independentemente várias vezes, usando o mesmo mecanismo, nos diz que há uma forte razão física ou química para fazer isso, "diz Gilbert, um especialista mundial no processo de biomineralização. "Se um organismo começa a fazer seu biomineral dessa forma, ele supera todos os outros que não produzem biominerais ou os tornam diferentes, não é comido, e consegue transmitir essa boa ideia para a linhagem. "

p O novo PNAS O relatório baseia-se em uma série de descobertas seminais de Gilbert e seus colegas. Em estudos anteriores, o físico de Wisconsin mostrou que o processo de biomineralizações funciona da mesma forma em classes de animais muito diferentes, variando de moluscos como abalone, a equinodermos, como ouriços-do-mar, e para cnidaria, um grande grupo de animais que inclui corais, medusa, e anêmonas do mar. Esses filos, ou amplos grupos de animais, não tem ancestral comum que já era biomineralizante, portanto, eles devem ter desenvolvido mecanismos de biomineralização de forma independente. Portanto, Gilbert diz, "É extremamente surpreendente que quando eles começaram a biomineralizar no Cambriano (mais de 500 milhões de anos atrás) esses três filos começaram a fazer exatamente da mesma maneira:usando a fixação de nanopartículas amorfas."

p "A biomineralização ilustra tanto a unidade quanto a diversidade da natureza, "explica Andrew Knoll, um professor de história natural e de ciências da Terra e planetárias na Universidade de Harvard, e um correspondente co-autor do novo relatório. "Esqueletos biomineralizados podem ter evoluído até vinte vezes dentro dos animais. Isso significa que dois desses grupos biomineralizantes não compartilham um ancestral comum que, em si, formou um esqueleto biomineralizado. "

p Gilbert e seus colegas mostraram que diferentes biominerais se formam começando com nanopartículas de carbonato de cálcio amorfo, que são produzidos nas células e são o iniciador químico crítico para todos os materiais que se formam no processo de biomineralização, seja o nácar, ou madrepérola, que reveste uma concha de abalone ou os dentes de um ouriço do mar. "Mais de uma forma biomineral por essas nanopartículas precursoras amorfas, "diz Gilbert." Não importa se é uma espícula de ouriço do mar, um dente, uma espinha, nácar, ou coral. Todos esses sistemas têm os mesmos precursores amorfos.

p "Nanopartículas de carbonato de cálcio amorfo, "acrescenta Gilbert, "são estabilizados em confinamento, e reversivelmente. Assim, os cristais não se nucleam e crescem no lugar e na hora errados, mas eles podem e fazem no lugar e na hora certa, isso é, na superfície crescente de uma concha, um esqueleto de coral, uma espinha de ouriço do mar. "

p A habilidade de muitos animais de dificultar, estruturas de proteção ou defesa, diz Knoll, foi provavelmente uma resposta ampla à evolução dos carnívoros, refletido em uma "explosão de biomineralização" observada em fósseis do período Cambriano, começando há cerca de 541 milhões de anos.

p As partículas microscópicas de carbonato de cálcio produzidas em células animais são as mesmas que formam depósitos de "cal" em canos e encanamentos. Em um animal, ele é transformado no local da biomineralização, anexando-se ao local e formando cristais nos quais os átomos individuais estão perfeitamente alinhados para formar uma rede, uma espécie de andaime para qualquer estrutura que um animal esteja construindo. O processo foi testado pela equipe de Gilbert usando um novo microscópio que emprega os raios X suaves produzidos pela radiação síncrotron para observar em nanoescala como as estruturas se unem à medida que são formadas.

p A equipe de Gilbert voltou no tempo aplicando as mesmas técnicas para sondar o registro fóssil profundo em três filos distintos, ou amplos grupos de animais relacionados, indo até 550 milhões de anos para provar o mais antigo biomineral animal conhecido:o esqueleto Cloudina com sua série característica de funis aninhados uns nos outros.

p Gilbert observa que enquanto o animal permanece sofre mudanças significativas no processo de fossilização, a assinatura da biomineralização da nanopartícula permanece intacta e é observada rachando fósseis abertos e usando um microscópio eletrônico de varredura para sondar o local da fratura em busca de sinais reveladores de nanopartículas durante o processo de cristalização original. "Recuamos no tempo o máximo possível, até os primeiros fósseis, e a biomineralização por ligação de partículas parece a mesma que nos animais modernos. "

p A história da biomineralização desvendada por Gilbert e seus colegas pode informar o desenvolvimento de novos materiais úteis para a indústria.

p "Não sabemos como fazer carbonato de cálcio amorfo ou qualquer outro material formar um sólido que preencha o espaço e depois cristalizar, mas as células dos organismos marinhos sim, "Gilbert explica." 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. "