Уникальное фибриллярное соединение пластинчатого нано

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2189 (2023) Цитировать эту статью

622 доступа

2 цитаты

28 Альтметрика

Подробности о метриках

Диверсификация структуры биокристаллов, включение биополимеров на многих масштабных уровнях и иерархической архитектуры являются ключом к оптимизации биоматериала. Планктонная роталиидная фораминифера Pulleniatina obliquiloculata демонстрирует в своей раковине новый тип мезокристаллической архитектуры. Формирование раковины начинается с кристаллизации корневищной сети, первичного органического листа (POS). С одной стороны ПОС кристаллы состоят из блочных доменов размером 1 мкм. С другой стороны кристаллы ПОС имеют дендритно-фрактальную морфологию, встречно-штыревые и достигают размеров десятков микрометров. Дендритно-фрактальные кристаллы являются двойниковыми. В месте зарождения двойниковые кристаллы состоят из мельчайших фибрилл. По мере удаления от места зародышеобразования фибриллы превращаются в пучки кристаллографически хорошо соориентированных нанофибрилл и в двойниковые пластинчато-лопастные кристаллы, которые соединяют поверхности внешней оболочки. Морфологической осью нанофибрилл является кристаллографическая ось c, обе перпендикулярны своду раковины. Нанофибриллярный кальцит представляет собой полисинтетическое двойникование в соответствии с законом двойников 60°/[100] (= m/{001}). Мы демонстрируем образование двойниковых фрактально-дендритных кристаллов при высоком пересыщении и рост за счет конкуренции кристаллов. Мы также показываем, что выравнивание оси c уже индуцируется биополимерами POS, а не является просто следствием конкуренции роста. Мы обсуждаем детерминанты, которые приводят к образованию роталиидного кальцита.

Фораминиферы — это одноклеточные организмы, обитающие в самых разных морских средах1,2,3,4,5. Большинство фораминифер защищают свою цитоплазму камерной оболочкой, минерализованной карбонатом кальция (например, 6,7,8,9,10). Раковины фораминифер демонстрируют большое разнообразие морфологии камер и раковин3,11,12,13,14. Разнообразие форм раковин, их широкое присутствие практически во всех морских средах, а также хорошо документированная летопись окаменелостей делают эту группу простейших одним из наиболее подходящих таксонов для оценки глобального баланса карбонатов, а также эволюционных, стратиграфических, палеоэкологических исследований и реконструкций палеоклимата3. ,9,12,15,16,17.

Кристаллическая организация кальцита была исследована для раковины бентосных видов роталиид Amphistegia Lessii (d'Orbigny 1826), Amphistegia lobifera (Larsen 1976) и Ammonia tepida (Cushman 1926)18. Было показано18, что кристаллы представляют собой мезокристаллы и что A. Lessii, A. lobifera и A. tepida образуют оболочку из кристаллов, имеющих одну из двух морфологий: (1) глыбовые, малочисленные микрометровые кристаллиты и (2) более крупные кристаллиты. , дендритно-фрактальные кристаллы размером в десятки микрометров с внутренней нанофибриллярной/нанопластинчатой ​​структурой. Эти два разных типа нано- и микроструктур отделены друг от друга первичным органическим слоем (POS), биополимерной сеткой, где происходит зародышеобразование и начинается минерализация оболочки.

Здесь мы исследуем структуру нанометрового масштаба и кристаллографическую организацию субмикронного масштаба кальцита раковин планктонных роталиид фораминифер. Для исследования мы выбрали планктонный вид Pulleniatina obliquiloculata семейства Pulleniatinidae отряда Rotaliida (Parker, Jones, 1865). P. obliquiloculata обитает на глубине до 100 м и является одним из наиболее распространенных планктонных видов тропических океанов19,20. Раковины P. obliquiloculata широко используются для исследований по изучению экологического контроля кальцификации раковин и для оценки вклада раковин планктонных фораминифер в глобальный земной углеродный цикл19,20. Мы обсуждаем зарождение кристаллов и рост кальцита P. obliquiloculata и показываем, что внутри биополимерной сети, которая является матрицей зародышеобразования, развиваются обе основные кристаллические морфологии, составляющие оболочку. Поскольку большая часть оболочки состоит из дендритно-фрактальных кристаллов, мы подробно описываем их и показываем, что последние кристаллы зарождаются при высоких пересыщении и pH и вырастают до более крупных кристаллов в результате конкурентного процесса роста. Последний процесс вносит существенный вклад в формирование текстурного рисунка (цилиндрической текстуры) кристаллического ансамбля. Мы показываем, что дендритно-фрактальные кристаллы имеют специфическую и уникальную нано- и микроструктуру, и демонстрируем, что эти кристаллы состоят из двойникового кальцита. На основе наших микроструктурно-кристаллографических наблюдений мы обсуждаем основные детерминанты, которые инициируют, контролируют и направляют образование кальцита в панцирях P. obliquiloculata.