Кіріспе
Тірі организмдердің минералдар өндіретін процесі Биоминерализация, сонымен қатар биоминерализация деп те жазылады, – тірі организмдердің минералдар өндіретін процесі. Бұл диаграммада көрсетілген филогенез Adl және тағы басқалардың (2012) жұмысына негізделген, маңызды эукариоттық супертоптар тіктөртбұрыштарда белгіленген. Таксон атауларының жанындағы әріптер биоминерализацияның болуын көрсетеді, ал шеңберленген әріптер сол биоминералдың кең таралған және маңызды қолданылуын көрсетеді. S – кремний; C – кальций карбонаты; P – кальций фосфаты; I – темір (магнетит/гоетит); X – кальций оксалаты; SO4 – сульфаттар (кальций/барий/стронций); ? – есептегі белгісіздікті білдіреді. </gallery>
Biomineralization, also written biomineralisation, is the process by which living organisms produce minerals, The phylogeny shown in this diagram is based on Adl et al. (2012), with major eukaryotic supergroups named in boxes. Letters next to taxon names denote the presence of biomineralization, with circled letters indicating the prominent and widespread use of that biomineral. S, silica; C, calcium carbonate; P, calcium phosphate; I, iron (magnetite/goethite); X, calcium oxalate; SO4, sulfates (calcium/barium/strontium), ? denotes uncertainty in the report. </gallery>
There are questions which have yet to be resolved, such as why some organisms biomineralize while others do not, and why is there such a diversity of biominerals besides silicon when silicon is so abundant, comprising 28% of the Earth's crust. However, the vast diversity of organisms that thrive in a complex array of biotic and abiotic interactions in oceanic ecosystems are a challenge to such minimal models and experimental designs, whose parameterization and possible combinations, respectively, limit the interpretations that can be built on them. and sponge grade organisms may have formed calcite skeletons But in most lineages, biomineralization first occurred in the Cambrian or Ordovician periods. Organisms used whichever form of calcium carbonate was more stable in the water column at the point in time when they became biomineralized, (but see for a more detailed analysis). The stability is dependent on the Ca/Mg ratio of seawater, which is thought to be controlled primarily by the rate of sea floor spreading, although atmospheric levels may also play a role. Biomineralization evolved multiple times, independently, and most animal lineages first expressed biomineralized components in the Cambrian period. Many of the same processes are used in unrelated lineages, which suggests that biomineralization machinery was assembled from pre existing "off the shelf" components already used for other purposes in the organism. Although the biomachinery facilitating biomineralization is complex – involving signalling transmitters, inhibitors, and transcription factors – many elements of this 'toolkit' are shared between phyla as diverse as corals, molluscs, and vertebrates. The shared components tend to perform quite fundamental tasks, such as designating that cells will be used to create the minerals, whereas genes controlling more finely tuned aspects that occur later in the biomineralization process, such as the precise alignment and structure of the crystals produced, tend to be uniquely evolved in different lineages. This suggests that Precambrian organisms were employing the same elements, albeit for a different purpose – perhaps to avoid the inadvertent precipitation of calcium carbonate from the supersaturated Proterozoic oceans. Further, certain proteins that would originally have been involved in maintaining calcium concentrations within cells are homologous in all animals, and appear to have been co opted into biomineralization after the divergence of the animal lineages. The galaxins are one probable example of a gene being co opted from a different ancestral purpose into controlling biomineralization, in this case, being 'switched' to this purpose in the Triassic scleractinian corals; the role performed appears to be functionally identical to that of the unrelated pearlin gene in molluscs. Carbonic anhydrase serves a role in mineralization broadly in the animal kingdom, including in sponges, implying an ancestral role. Far from being a rare trait that evolved a few times and remained stagnant, biomineralization pathways in fact evolved many times and are still evolving rapidly today; even within a single genus, it is possible to detect great variation within a single gene family. This indicates that biomineralisation is likely ancestral to all lophotrochozoans. The most ancient example of biomineralization, dating back 2 billion years, is the deposition of magnetite, which is observed in some bacteria, as well as the teeth of chitons and the brains of vertebrates; it is possible that this pathway, which performed a magnetosensory role in the common ancestor of all bilaterians, was duplicated and modified in the Cambrian to form the basis for calcium based biomineralization pathways. Iron is stored in close proximity to magnetite coated chiton teeth, so that the teeth can be renewed as they wear. Not only is there a marked similarity between the magnetite deposition process and enamel deposition in vertebrates, but some vertebrates even have comparable iron storage facilities near their teeth.
Әлі шешілмеген сұрақтар бар, мысалы, неге кейбір организмдер биоминералданады, ал басқалары жоқ, және неге кремний Жер қыртысының 28% құраса да, кремнийден басқа биоминералдардың мұндай алуан түрлілігі бар. Дегенмен, мұхиттық экожүйелердегі биотикалық және абиотикалық өзара әрекеттесулердің күрделі жиынтығында өркен жайған организмдердің үлкен әртүрлілігі мұндай минималды модельдер мен тәжірибелік жобаларға қиындық тудырады, олардың параметрлері мен мүмкін комбинациялары тиісінше оларға негізделген түсіндірмелерді шектейді. Кембрий немесе ордовик кезеңдерінде биоминерализация алғаш рет пайда болған болуы мүмкін. Организмдер биоминералдану кезінде су бағанында тұрақтырақ болған кальций карбонатының түрін пайдаланды (бірақ толық талдау үшін қараңыз). Тұрақтылық теңіз суының Ca/Mg қатынасына байланысты, ол негізінен теңіз түбінің таралу жылдамдығымен анықталады, бірақ атмосфералық деңгейлер де рөл атқара алады. Биоминерализация бірнеше рет, тәуелсіз түрде дамыды, ал көптеген жануарлар тұқымдары алғаш рет кембрий кезеңінде биоминерализацияланған компоненттерді көрсетті. Биоминерализацияны жеңілдететін биомашиналар күрделі, сигнал беру берушілері, ингибиторлары және транскрипция факторларын қамтиды, осы «құрал жиынтығының» көптеген элементтері бауырлар, моллюскалар және омыртқалы жануарлар сияқты әртүрлі филалар арасында ортақ. Ортақ компоненттер минералдарды жасау үшін жасушаларды белгілеу сияқты өте негізгі міндеттерді орындайды, ал биоминерализация процесінде кейінірек болатын, кристалдардың нақты сәйкестендіруі мен құрылымы сияқты ұсақ реттелген аспектілерді басқаратын гендер әртүрлі ұрпақтарда ерекше дамыған. Бұл кембрийге дейінгі организмдер басқа мақсаттар үшін бірдей элементтерді қолданған болуы мүмкін, мысалы, протозойлық мұхиттардағы кальций карбонатының кенеттен шөгуіне жол бермеу үшін. Сонымен қатар, бастапқыда жасушалар ішіндегі кальций концентрациясын ұстауға қатысқан кейбір ақуыздар барлық жануарларда гомологты және жануарлар тұқымдасының әртүрлілігінен кейін биоминерализацияға қосылған сияқты көрінеді. Галаксиндер – бұл басқа ата-бабалық мақсаттан биоминерализацияны бақылауға арналған геннің ықтимал мысалы, бұл жағдайда триас склерактиндік кораллдарда осы мақсатқа «ауыстырылды»; атқарылған рөл молюскалардағы туысы жоқ перлин генінің рөліне ұқсас болып көрінеді. Карбонат ангидраза жануарлар патшалығында, соның ішінде губкаларда минералдануда кеңінен рөл атқарады, бұл ата-бабалар рөлін білдіреді. Биоминерализация жолдары сирек кездесетін және бірнеше рет пайда болып, тұрақтанған қасиет емес, көптеген рет дамыды және бүгінгі күнге дейін қарқынды дамуда; тіпті бір тұқым ішінде бір ген отбасында үлкен өзгерістерді байқауға болады. Бұл биоминерализация барлық лофотрохозойлардың ата-бабаларынан тараған дегенді білдіреді. Биоминерализацияның ең көне мысалы – 2 миллиард жыл бұрын пайда болған магнетит жинақталуы, ол кейбір бактерияларда, сондай-ақ хитонның тістерінде және омыртқалы жануарлардың миында байқалады; барлық билатериялықтардың ортақ ата-бабасында магнитосенсорлық рөл атқарған бұл жол кембрийде қайталанып, өзгертіліп, кальцийге негізделген биоминерализация жолдарының негізін құрауы мүмкін. Темір магнитпен қапталған хитон тістеріне жақын орналасады, сондықтан тістер тозған сайын жаңартылады. Магнит жиналу процесі мен омыртқалы жануарлардың эмаль жиналуы арасында айтарлықтай ұқсастық қана емес, кейбір омыртқалы жануарлардың тістерінің жанында темірді сақтаудың ұқсас құрылғылары бар.
Biomineralization, also written biomineralisation, is the process by which living organisms produce minerals, The phylogeny shown in this diagram is based on Adl et al. (2012), with major eukaryotic supergroups named in boxes. Letters next to taxon names denote the presence of biomineralization, with circled letters indicating the prominent and widespread use of that biomineral. S, silica; C, calcium carbonate; P, calcium phosphate; I, iron (magnetite/goethite); X, calcium oxalate; SO4, sulfates (calcium/barium/strontium), ? denotes uncertainty in the report. </gallery>
There are questions which have yet to be resolved, such as why some organisms biomineralize while others do not, and why is there such a diversity of biominerals besides silicon when silicon is so abundant, comprising 28% of the Earth's crust. However, the vast diversity of organisms that thrive in a complex array of biotic and abiotic interactions in oceanic ecosystems are a challenge to such minimal models and experimental designs, whose parameterization and possible combinations, respectively, limit the interpretations that can be built on them. and sponge grade organisms may have formed calcite skeletons But in most lineages, biomineralization first occurred in the Cambrian or Ordovician periods. Organisms used whichever form of calcium carbonate was more stable in the water column at the point in time when they became biomineralized, (but see for a more detailed analysis). The stability is dependent on the Ca/Mg ratio of seawater, which is thought to be controlled primarily by the rate of sea floor spreading, although atmospheric levels may also play a role. Biomineralization evolved multiple times, independently, and most animal lineages first expressed biomineralized components in the Cambrian period. Many of the same processes are used in unrelated lineages, which suggests that biomineralization machinery was assembled from pre existing "off the shelf" components already used for other purposes in the organism. Although the biomachinery facilitating biomineralization is complex – involving signalling transmitters, inhibitors, and transcription factors – many elements of this 'toolkit' are shared between phyla as diverse as corals, molluscs, and vertebrates. The shared components tend to perform quite fundamental tasks, such as designating that cells will be used to create the minerals, whereas genes controlling more finely tuned aspects that occur later in the biomineralization process, such as the precise alignment and structure of the crystals produced, tend to be uniquely evolved in different lineages. This suggests that Precambrian organisms were employing the same elements, albeit for a different purpose – perhaps to avoid the inadvertent precipitation of calcium carbonate from the supersaturated Proterozoic oceans. Further, certain proteins that would originally have been involved in maintaining calcium concentrations within cells are homologous in all animals, and appear to have been co opted into biomineralization after the divergence of the animal lineages. The galaxins are one probable example of a gene being co opted from a different ancestral purpose into controlling biomineralization, in this case, being 'switched' to this purpose in the Triassic scleractinian corals; the role performed appears to be functionally identical to that of the unrelated pearlin gene in molluscs. Carbonic anhydrase serves a role in mineralization broadly in the animal kingdom, including in sponges, implying an ancestral role. Far from being a rare trait that evolved a few times and remained stagnant, biomineralization pathways in fact evolved many times and are still evolving rapidly today; even within a single genus, it is possible to detect great variation within a single gene family. This indicates that biomineralisation is likely ancestral to all lophotrochozoans. The most ancient example of biomineralization, dating back 2 billion years, is the deposition of magnetite, which is observed in some bacteria, as well as the teeth of chitons and the brains of vertebrates; it is possible that this pathway, which performed a magnetosensory role in the common ancestor of all bilaterians, was duplicated and modified in the Cambrian to form the basis for calcium based biomineralization pathways. Iron is stored in close proximity to magnetite coated chiton teeth, so that the teeth can be renewed as they wear. Not only is there a marked similarity between the magnetite deposition process and enamel deposition in vertebrates, but some vertebrates even have comparable iron storage facilities near their teeth.
Биогендік минералдар туралы дау
Минералдың геологиялық анықтамасы көбінесе тірі организмдерде ғана кездесетін қосылыстарды қамтиды. Дегенмен, кейбір минералдар жиі биогенді (мысалы, кальцит) болады немесе химиялық мағынада органикалық қосылыстар болып табылады (мысалы, мелит). Сонымен қатар, тірі организмдер тау жыныстарында да кездесетін бейорганикалық минералдарды (мысалы, гидроксилапатит) синтездейді. Халықаралық минералогиялық ассоциация (IMA) минералдық түрлердің анықтамасы мен номенклатурасы бойынша жалпы мойындалған стандартты орган болып табылады. 2020 жылғы мәліметтер бойынша, IMA 5862 ұсынылған немесе дәстүрлі түрдің ішінде 5650 ресми минералдық түрді мойындайды. Геологтар мен минералогтар арасындағы пікір қақтығысы тудырған мәселе – IMA-ның биогендік кристалды заттарды тізімнен шығару шешімі. Мысалы, Ловенстам (1981) «организмдер әртүрлі минералдарды құрауға қабілетті, олардың кейбіреулерін биосферада бейорганикалық жолмен жасау мүмкін емес» деді. Скиннер (2005) барлық қатты денелерді потенциалды минералдар деп қарастырады және организмдердің метаболикалық әрекеттері арқылы пайда болатын биоминералдарды минералдық патшалыққа жатқызады. Скиннер бұрынғы минерал анықтамасын кеңейтіп, «элемент немесе қосылыс, аморфты немесе кристалды, биогеохимиялық процестер арқылы қалыптасқан» минерал ретінде жіктеді. Мысалы, IMA «Қоршаған ортаның минералогиясы және геохимиясы жөніндегі жұмыс тобы» гидросферадағы, атмосферадағы және биосферадағы минералдармен айналысады. Топтың құрамына минерал түзетін микроорганизмдер де кіреді, олар жер бетіндегі барлық тау жыныстарының, топырақтың және бөлшектердің бетінде, теңіз түбінен кем дегенде 1600 метр тереңдікте және стратосфераға 70 километрге дейін (мүмкін, мезосфераға дейін) таралған. Биогеохимиялық циклдер миллиардтаған жылдар бойы минералдардың қалыптасуына үлес қосты. Микроорганизмдер ерітіндіден металдарды тұндырып, кен орындарының пайда болуына көмектеседі. Олар минералдардың еріуін де катализдей алады. Халықаралық минералогиялық ассоциацияның тізіміне енуге дейін 60-тан астам биоминералдар ашылып, аталды және жарияланды. Бұл минералдар (Lowenstam (1981) кестеленген жиынтық) бірақ, осы биоминералдық өкілдердің көп бөлігі Дана классификация схемасындағы 78 минералдық классқа бөлінген. Олар минералдың неден тұратынын анықтауға көмектеседі. Никельдің (1995) ресми анықтамасы затты минерал ретінде анықтау үшін кристалдық құрылымның маңызды екенін нақты айтады.
Астробиология
Биоминералдар ғарыздан тыс тіршіліктің маңызды белгілері болуы мүмкін, сондықтан Марста бұрынғы немесе қазіргі өмірді іздеуде маңызды рөл атқара алады. Сонымен қатар, биоминералдармен көбінесе байланысты органикалық құралымдар (биосигнатуралар) тірі организмге дейінгі және тірі организмдегі реакцияларда шешуші рөл атқарады деп саналады. 2014 жылдың 24 қаңтарында NASA Марс планетасындағы Curiosity және Opportunity марсоходтарының ағымдағы зерттеулері ежелгі өмірдің іздерін, оның ішінде автотрофты, хемотрофты және/немесе хемолитоавтотрофты микроорганизмдерге негізделген биосфераны, сондай-ақ ежелгі суды, оның ішінде өзендер мен көлдерге байланысты жазықтарды (флювио-лакустриналық ортаны) іздейтінін хабарлады, бұл ортада тіршілік болуы мүмкін. Марста тіршілікке жарамдылық, тафономия (қалдықтарды зерттеу ғылымы) және органикалық көміртекті іздеу – қазіргі таңда NASA-ның басты міндеті.