L'esclusivo nano da fibrilare a platino

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2189 (2023) Citare questo articolo

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La diversificazione delle disposizioni dei biocristalli, l'incorporazione di biopolimeri a molti livelli di scala e le architetture gerarchiche sono le chiavi per l'ottimizzazione dei biomateriali. Il foraminifero planctonico rotaliide Pulleniatina obliquiloculata mostra nel suo guscio un nuovo tipo di architettura mesocristallina. La formazione del guscio inizia con la cristallizzazione di una rete rizopodiale, il foglio organico primario (POS). Su un lato del POS, i cristalli sono costituiti da domini a blocchi di 1 μm. D'altra parte i cristalli POS hanno morfologie dendritico-frattali, si interdigitano e raggiungono dimensioni di decine di micrometri. I cristalli dendritici-frattali sono gemellati. Nel sito di nucleazione, i cristalli gemellati sono costituiti da minute fibrille. Con la distanza dal sito di nucleazione, le fibrille evolvono in fasci di nanofibrille cristallograficamente ben co-orientate e in cristalli gemellati a forma di lama piatta che uniscono le superfici del guscio esterno. L'asse morfologico delle nanofibrille è l'asse cristallografico c, entrambi sono perpendicolari alla volta della conchiglia. La calcite nanofibrillare è geminata polisinteticamente secondo la legge del gemello 60°/[100] (= m/{001}). Dimostriamo la formazione di cristalli gemellati, frattali-dendritici, ad alta sovrasaturazione e la crescita attraverso la competizione tra cristalli. Mostriamo anche che l'allineamento dell'asse c è già indotto dai biopolimeri del POS e non è semplicemente una conseguenza della competizione per la crescita. Discutiamo i determinanti che portano alla formazione della calcite rotaliide.

I foraminiferi sono organismi unicellulari che vivono in un'ampia gamma di ambienti marini1,2,3,4,5. La maggior parte dei foraminiferi protegge il proprio citoplasma con un guscio a camere mineralizzato con carbonato di calcio (es.6,7,8,9,10). Le conchiglie dei foraminiferi mostrano un'ampia varietà di morfologie di camere e conchiglie3,11,12,13,14. La diversità nella forma delle conchiglie, la loro presenza diffusa in quasi tutti gli ambienti marini e la documentazione fossile ben documentata rendono questo gruppo di protozoi uno dei taxa più adatti per le valutazioni dei bilanci carbonatici globali e per studi evolutivi, stratigrafici, paleoecologici e ricostruzioni paleoclimatiche3. ,9,12,15,16,17.

L'organizzazione dei cristalli di calcite è stata studiata per il guscio delle specie rotaliidi bentoniche Amphistegina lezioneii (d'Orbigny 1826), Amphistegina lobifera (Larsen 1976) e Ammonia tepida (Cushman 1926)18. È stato dimostrato18 che i cristalli sono mesocristalli e che A. lezioneii, A. lobifera e A. tepida formano il loro guscio di cristalli aventi una delle due morfologie: (1) cristalliti a blocchi, di dimensioni di pochi micrometri e (2) più grandi , cristalli dendritici-frattali delle dimensioni di decine di micrometri con una struttura interna nanofibrillare/nanoplaty. Questi due diversi tipi di nano e microstrutture sono delimitati l'uno dall'altro attraverso il foglio organico primario (POS), la rete biopolimerica dove avviene la nucleazione e inizia la mineralizzazione del guscio.

Qui indaghiamo la struttura su scala nanometrica e l'organizzazione cristallografica su scala sub-micrometrica della calcite del guscio dei foraminiferi rotaliidi planctonici. Scegliamo per il nostro studio la specie planctonica Pulleniatina obliquiloculata, famiglia Pulleniatinidae, ordine Rotaliida (Parker e Jones, 1865). P. obliquiloculata vive in ambienti fino a 100 m di profondità ed è una delle specie planctoniche più abbondanti degli oceani tropicali19,20. I gusci di P. obliquiloculata sono ampiamente utilizzati per studi che indagano i controlli ambientali sulla calcificazione dei gusci e per le valutazioni del contributo dei gusci dei foraminiferi planctonici al ciclo globale del carbonio terrestre19,20. Discutiamo della nucleazione dei cristalli e della crescita della calcite di P. obliquiloculata e mostriamo che all'interno della rete biopolimerica che modella la nucleazione si sviluppano entrambe le principali morfologie cristalline che compongono il guscio. Poiché la maggior parte del guscio è formata da cristalli dendritici-frattali, li dettagliamo in particolare e dimostriamo che questi ultimi cristalli nucleano a sovrasaturazione e pH elevati e crescono fino a diventare cristalli più grandi attraverso un processo di crescita competitivo. Quest'ultimo processo contribuisce in modo significativo alla formazione del pattern di tessitura (tessitura cilindrica) dell'insieme cristallino. Mostriamo che i cristalli dendritici-frattali hanno una nano e microstruttura specifica e unica e dimostriamo che questi cristalli sono costituiti da calcite gemellata. Sulla base delle nostre osservazioni microstrutturali-cristallografiche discutiamo i principali determinanti che avviano, controllano e guidano la formazione della calcite del guscio di P. obliquiloculata.