Biomineralisasi

Biomineralisasi ialah proses yang organisma hidup menghasilkan mineral, seringnya untuk mengeraskan tisu-tisu yang ada. Ia merupakan suatu fenomena yang sangat umum; kesemua lima alam taksonomi mengandungi anggota-anggota yang berupaya membentuk mineral, dengan 60 mineral berbeza yang telah dikenal pasti di dalam organisma. Contoh-contohnya termasuk silikat di dalam alga dan diatom, karbonat di dalam invertebrat, serta kalsium fosfat dan karbonat di dalam vertebrat. Mineral-mineral ini seringnya membentuk ciri berstruktur seperti cangkerang dan tulang mamalia dan burung. Organisma-organisma telah menghasilkan rangka bermineral pada sepanjang 550 juta tahun yang lalu. Contoh-contoh lain termasuk lapisan tembaga, besi, dan emas yang melibatkan bakteria. Mineral-mineral jadian biologi seringnya mempunyai kegunaan khusus seperti penderia magnet di dalam bakteria magnetotaktik (Fe₃O₄), peranti penderiaan graviti (CaCO₃, CaSO₄, BaSO₄), serta storan dan pemobilan besi (Fe₂O₃•H₂O di dalam protein ferritin).
Dari segi pengagihan taksonomi, biomineral yang paling umum ialah garam-garam fosfat dan karbonat kalsium yang digunakan bersama-sama polimer organik seperti kolagen dan kitin untuk memberikan sokong struktur kepada tulang dan cangkerang. Struktur bahan-bahan biokomposit ini dikawal rapat daripada nanometer hingga aras makroskopik, dan menghasilkan seni-seni bina kompleks yang membekalkan sifat berbilang fungsi. Oleh sebab julat kawalan pertumbuhan mineral ini diperlukan untuk kegunaan kejuruteraan bahan, terdapat minat yang ketara dalam pemahanan dan penjelasan mekanisme biomineralisasi terkawal biologi.

Kegunaan berpotensi

Kebanyakan pendekatan tradisional yang berkaitan dengan sintesis bahan nanoskala tidak cekap penggunaan tenaganya dan memerlukan keadaan-keadaan yang ketat (misalnya, suhu, tekanan atau pH yang tinggi), selain daripada menghasilkan keluaran sampingan toksik. Tambahan lagi, kuantiti yang dihasilkan adalah sedikit sahaja, dengan penghasilan semula keluaran yang tepat sama tidak dapat diulangi kerana kesukaran mengawal pengaglomeratan. Sebaliknya, bahan yang dihasilkan oleh organisma mempunyai sifat yang biasanya mengatasi bahan-bahan tiruan analogus yang mempunyai komposisi fasa yang serupa. Makromolekul organik mengumpulkan dan menghantar bahan-bahan mentah di dalam persekitaran akueus di bawah keadaan sederhana untuk dijadikan komposit bertertib julat panjang dan julat pendek yang tekal lagi seragam. Tujuan biometri adalah untuk menyerupai cara semula jadi penghasilan mineral, misalnya apatit. Banyak hablur tiruan memerlukan suhu yang tinggi serta pelarut kimia yang kuat, manakala organisma-organisma sudah lama menyediakan struktur mineral yang kompleks pada suhu sekeliling. Seringnya, fasa-fasa mineral tidak tulen tetapi terdiri daripada komposit-komposit yang mempunyai sebahagian organik, seringnya protein, yang menyertai dan mengawal proses biomineralisasi. Komposit-komposit ini seringnya tidak sahaja sekeras dengan mineral tulen tetapi juga lebih kuat.

Astrobiologi

Biomineral dicadangkan dapat menjadi penunjuk terhadap makhluk ruang angkasa and oleh itu, memainkan peranan yang penting dalam pemburuan hidupan yang lalu dan hidupan terkini di Marikh. Tambahan lagi, komponen organik (biotandatangan) yang seringnya berkait dengan biomineral dipercayai memainkan peranan yang utama dalam kedua-dua tindak balas prabiota dan biota.

Evolusi

Dalam kebanyakan keturunan, biomineralisasi berlaku buat pertama kali pada zaman Cambria atau zaman Ordovisium. Organisma-organisma menggunakan apa sahaja bentuk kalsium karbonat yang paling stabil di dalam air pada waktu itu ketika menjadi bermineral lalu mengekalkan bentuk itu pada sepanjang sejarah biologinya.

Pembentukan cangkerang moluska

Cangkerang moluska ialah bahan komposit biogeni yang telah menarik banyak minat dalam bidang sains bahan kerana sifatnya yang luar biasa serta cirinya yang unggul untuk mengkaji biomineralisasi. Beratnya terdiri daripada 95-99% kalsium karbonat, dengan 1-5% yang tinggal merupakan komponen organik. Komposit yang dihasilkan ini mempunyai keliatan patah yang ~3000 kali lebih kuat daripada keliatan patah hablur pada dirinya. Dalam biomineralisasi cangkerang moluska, protein-protein khusus bertanggungjawab mengarahkan penukleusan hablur, fasa, morfologi, serta dinamik pertumbuhan dan akhirnya memberikan cangkerang itu kekuatan mekanik yang luar biasa. Penggunaan prinsip biometri yang didapati daripada pembentukan dan struktur cangkerang moluska boleh membantu mencipta bahan-bahan komposit yang baharu dengan sifat optik, elektronik, atau struktur yang tertingkat.