Biomineraler blir brukt som strukturmateriale, i kroppsbevegelse, spising, forsvar og i sanseapparatet. Proteiner deltar i biomineraliseringen. Evnen til å lage biomineraler i form av et indre beinskjelett (endoskjelett) bestående av apatitt som reisverk for kroppen, tenner til tygging eller beskyttende ytre kalkskall (eksoskjelett). Biomineralisering har vært viktig i evolusjonen av dyreriket. Biomineralisering med kalsiumkarbonat er vanligst, som i skallet hos i foraminiferer, kalkflagellater, kalksvamper, brachiopoder, muslinger og pigghuder. Biomineraler kan dannes intracellulært eller ekstracellulært og mineralene kan være krystallinske, semikrystallinske eller amorfe.
Statolitter hos invertebrater og otolitter (gr. ous – øre; lithos – stein) hos virveldyr deltar i registrering av tyngdekraft og akselerasjon, og bygget opp av kalsiumkarbonat. Silisium inngår i skallet på kiselalger (diatoméer), kiselsvamper soldyr og radiolarier. Hos gras, halvgras og sneller e.g. skavgras gir fytolitter med silisium beskyttelse mot beiting.
Stromatolitter (gr. stroma- matte; stratum – lag; lithos – stein) fra Prekambrium viser at mikroorganismer (blågrønnbakterier, sulfatreduserende bakterier m.fl.) kan binde og felle ut kalsiumkarbonat som en del av metabolismen. Karbonatbiomineralisering finnes hos bakterier, alger og sopp. Biomineralisering kan gi et stillas og et ekstracellulært kalsiumkarbonatmatriks for vekst av samfunn med mikroorganismer i biofilm.
Trombolitt (gr. thrombos – propp; lithos – stein) er sammenliming og sedimentering av materiale fra biofilm med blågrønnbakterier med karbonater på grunt vann. Har ikke de laminerte lagene som i stromatolitter, men består av sementerte smådeler ispedd leirpartikler, sand og kalsiumkarbonat. Mikrobiell sedimentering har sin opprinnelse fra Prekambrium.
Mikrobialitt er marine sedimentære avsetninger fra karbonater blandet med leire, en form for litifisering av mikrobielle matter med bakterier og cyanobakterier. Har likhetstrekk med de mikrobielle karbonatene stromatolitter, trombolitt, og leiolitt
Biogene mineraler laget ved biomineralisering er pyritt (FeS2) og markasitt fra svovelreduserende bakterier. Magnetitt (FeO∙Fe2O3 (Fe3O4)) er ferrimagnetisk og bioprodusert magnetitt blir anvendt i biomagnetisme, for eksempel magnetosomer i magnetotaktiske bakterier i slekten Magnetospirillum. Kan bli brukt av fugler i navigering i Jordens magnetfelt. Magnetitt er også funnet i hjernen hos mennesker.
Evolusjon av biomineralisering
Evolusjon av biomineralisering viser at det var små skjell og skall i faunaen for 700 millioner år siden. Biomineralisering fantes i Kambrium og Ordovidium og har utviklet seg flere ganger uavhengig av hverandre gjennom evolusjonen. Det var kalsittkrystaller i kjegleformete skallet (et fragmokon, gr. phragmos – gjerde; konos – kjegle, atskilt med septa i kammere) fra belemnitter (Belemnitida), en type blekksprut (Cephalopoda) fra Trias til stein Kritt. Kammerne deltok i oppdrift i vannet, lignende skallet hos Nautilus.
Stromatopoider (Stromatoporoidea) var utdødde svamper (Porifera) med et skjelett av kalsitt som levde i Orodovicium til Devon. Et endoskjelett dannet fra et gelatinrikt mesohyl med kollagen avstivet med spikuler (l. spicula – liten brodd) laget av kalsiumkarbonat i kalksvamper (Calcarea) eller kvarts i kiselsvamper. Kiselsvamper og hornsvamper (Desmospongiae ) med monoaksoniske eller tetraksoniske spikuler, glassvamper (Hexacinellida ) med heksaksonsiske eller triaksoniske spikuler og Homoscleromorpha med tetraktiniske spikuler laget av sklerocytter. Noen Desmospongier kalt korallsvamper (sklerosvamper) (Sclerospongiae) har et skjelett med kalsiumkarbonat, men har en annen type karbonsyreanhydrase som antyder en uavhengig evolusjon.
Kvartsspikuler kalles sterrastere (gr. sterros – fast, solid) med kuleform i familien Geodiidae og halvmåneformete selenastere (gr. selene – måne) i familien Placospongiidae. Aspidastere dannet fra aktinier , greinene på stjerner (gr. aster – stjerne). Sklerocytter (gr. skleros – hard) er amøboide celler i mesohyl som starter kiselkrystalldanningen via enzymet silikatein hvor filamenter bestemmer aksen på krystallene
Kalsiumkarbonat spikuler har en akse (monoakson) eller flere akser., Formen (morfologien) og størrelsen (megasklerer, mirkosklerer) til spikulene er brukt i taksonomisk inndeling.
Revbyggende steinkoraller (Scleractinia), divisjon nesledyr (Cnidaria), klasse Hexacorallia) fra midten av Trias (240 millioner år siden) inneholdt aragonitt likt dagens steinkoraller. Eldre utdødde skleraktinekoraller Coelosimilia fra sein Kritt inneholdt kalsitt. Tetracorallia (Rugosa) fra Paleozoikum er en orden med utdødde (ekstinkte), både frittlevende og i kolonier, hadde skall med kalsitt, og er mulig forløper for scleractinekoraller e.g. Grewinkia canadensis.
Korallrev fra Mesozoikum bygget opp av rudistider i sør og av belemnitter i nord i Tethyshavet. I Jura og Kritt levde det diatomeer og coccolither
En teori går ut på at forholdet mellom magnesium (Mg) og kalsium (Ca) i vannmassene i havet har påvirket om det blir dannet kalsitt eller aragonitt. Aragonitt inneholder noe magnesium, og at det i sein kritt var lite magnesium i havvannet, ratio Mg/Ca <2, mot dagens ratio Mg/Ca ca. 5. Koraller sprer seg med planula-larver som fester seg på havbunnen, gjennomgår metamorfose til primær polypp som vokser ut til juvenil og deretter voksen korall. Steinkoraller kan former seg både vegetativt og seksuelt.
I Jura og Kritt fantes kiselalger (diatoméer) og kalkflagelleter.
Kalkflageller eller kokkolitoforider (Coccolittene) tilhører haptofyttene (Haptophyta) og fantes først i øvre Trias. Er omgitt av kalkplater (coccolither, gr. kokkos – bær; lithos - stein) med kalsiumkarbonat. Gamle plater blir ettersom de vokser blir kastet av. Coccolitter svært vanlig i Kritt. Laget kritt bl.a. White Cliffs of Dover. Det fantes også silikoflagellater i Chrysophyta med skall av kisel. Mer vanlig i fossillagene enn planktoniske radiolarier med symmetrisk kiselskall er foraminiferer som var bentiske inntil Trias hvor noen ble flytende eller planktoniske. Foraminiferer er viktige indeksfossiler.
Diatomitt er en type berggrunn som danner diatoméjord og består av sedimentære rester av diatoméer. Gir også kiselgur. Diatoméer hører med til Bacillariophyta og kiselskallet består av to halvdeler som en petriskål. Kiselalgene de nådde en topp i utbredelse og omfang i midten av Kenozoikum i Miocen hvor store fossile avsetninger ble dannet.
Biomineralisering av kalsitt og aragonitt
Karbonater i form av kalsiumkarbonat (CaCO3) finnes i forskjellige former: kalsitt, aragonitt, vateritt (polymorf µ-CaCO3), amorf kalsiumkarbonat og monohydrokalsitt (CaCO3∙H2O). Bløtdyr har et skall utskilt fra en fold i kappen. Ytterst har skallet et hornaktig proteinlag (conchiolin) innleiret med kalsitt i prismelaget og aragonitt i mellomlaget. Innerst tynne perlemorslag inn mot kappen. Enzymet karbonsyre anhydrase deltar i kalkmineraliseringen. Økende forsuring av havet grunnet økt CO2-kosentrasjon i atmosfæren kan påvirke alle organismer som har et skall laget av kalsiumkarbonat.
Statolitter, tyngdekraft og akselerasjon
Statocyster er et sekkformet sensorisk system hos invertebrater for å registrere retning på tyngdekraften. Inneholder en biomineralisert statolitt (gr. statos – stasjonær; lithos – stein) som dytter på sensoriske hår på innsiden av statocysten som virker som mekanoreseptorer. Statocyster med statolitter finnes hos muslinger (Bivalvia), nesledyr (Cnidaria), ribbemaneter (Ctenophora), pigghuder (Echinodermata), blekksprut (Cephalopoda) og krepsdyr (Crustacea). Statolittene kan være laget av kalsiumkarbonat eller kvarts.
Otolitter
Statolitter er homologe med ørestein (otolitter) hos virveldyr bestående av diskrete lag med kalsiumkarbonat på et matriks med protein. Kalsiumkaronat diffunderer gjennom membran til de fæskefylte kanalene med endolymfe i øret. Otolittene kan også inneholde mindre mengder av de andre jordartsmetallene (jordalkalimetellene) strontium, magnesium og barium som har like kjemiske egenskaper som kalsium. Otolitter kan bevege seg både vertikalt og horisontalt og gir derved informasjon om akselerasjon. Otolittene blir krystallisert rundt en kjerne og gir nye lag kalsiumkarbonat legges på med alder, og kan brukes til aldersbestemmelse. Statocyster er analoge med med balanseorganet hos pattedyr, men er ikke homologe, det vil si utviklet seg fra samme struktur. Klassen beinfisk (Osteichthyes) har tre par med otolitter: Bak øynene bilateralt plassert et par med store sagittae (l. sagitta – pil) bestående vanligvis av aragonitt, sjeldent vateritt.Størrelsen på otolittene er proporsjonal med størrelsen på fisken Dessuten otolittene lapilli (l. lapillus – småstein) med aragonitt og asterisci (gr. asteriskos dim. aster – stjerne) med vateritt plassert i de veskefylte semisirkulære kanaler (vestibularkanalene) i cochlea
Ossikler hos pigghuder
Ossikler (gr. os – bein) lager små kalkplater innleiret i huden (dermis) og danner et endoskjelett hos pigghuder (Echinodermata). Ossiklene er forskjellig utformet og plassert hos de forskjelige pigghudene: kråkeboller, sjøstjerner, slangestjerner, sjøpølser og sjøliljer. Ossiklene blir laget i celler kalt sklerocytter. En ossikel er satt sammen av små kalsittkrystaller innleiret i et stroma og utformet som et stereom (gr. stereoma – fast legeme). Ossikler er utformet som plater, nåler, staver, eller kors. Torner på kråkeboller er ossikler som går ut gjennom kroppsveggen. Tornene deltar i beskyttelse og fremdrift av kråkebollene. Sjøpinnsvin (kråkeboller) og sjøstjerner kan ha pedicellarier (l. pediculus – liten fot) laget av kalk i enden av bevegelige skaft.
Karapaks hos krepsdyr
Eksoskjelettet på krepsdyr, kutikula eller carapaks som inngår i skallskifte inneholder kitin med biomineralene kalsitt, aragonitt eller kalsiumfosfat, mengde og type avhengig av art. Biomineralene deltar i herding og avstiving av cellevevet.
Magesteiner (gastrolitter, gr. gaster – mage; lithos – stein) er kuleformete aggregater med amorf kalsiumkarbonat som virker som tyggesteiner.
Mosdyr
Mosdyr (bryozooer, Bryozoa) utdødde og nålevende, bentisk i kolonier på grunne marine habitater hvor kalkskallet har utviklet seg uavhengig hos klassen Stenolaemata fra Ordovicium og klasse Cheilostomata fra sein Jura til Trias.
Havbørsteormer
I divisjon leddormer (Annelida), klasse Polychaeta er det havbørsteormer (polychaeter) med biomineralisering og utskillelse av kalkrør. Kalkrørormer (serpulider, Serpulidae), påfuglormer (sabellider, Sabellariidae), noen arter cirratulider (Cirratulidae) som lager rør med kalsiumkarbonat (kalsitt eller aragonitt eller begge). Serpulider er fastsittende rørbyggende havbørsteormer fra midten av Trias til nåtid. Sabellider kan også lage rør av sandkorn og skjellrester.
Mosdyr
Mosdyr (bryozooer, Bryozoa) utdødde og nålevende, bentisk i kolonier på grunne marine habitater hvor kalkskallet har utviklet seg uavhengig hos klassen Stenolaemata fra Ordovicium og klasse Cheilostomata fra sein Jura til Trias.
Kransalger
Kranslager (Charophyta) i slekten Chara er ferksvannsgrønnalger som vokser i charasjøer, og har kalsifiserte cellevegger med kalsiumkarbonat. Kjent fra øvre Silur til Devon for ca. 400 millioner år siden
Biomineralisering av kvarts
Biogen kvarts, silikater, hydrert amorf silika (opal, SiO2∙nH2O) finnes i alle eukaryote supergrupper. Opal er en amorf form av SiO2. Silisiumsyre (H4SiO4) og polymere i form av SiO44-eller Si2O52-). Fytolitter med opal i sneller (Equisetum). Gener involvert i silisiummetabolismen har blitt overført mellom choanoflagellelater (Choanoflagellata) og kiselalger (diatoméer). Gener som deltar i opptak av silisiumsyre hos kiselflagellater har tilsvarende ortologer hos planter (Viridiplantae) og opistokonter (Opisthokonta). Supergruppen Rhizaria omfatter Cercozoa, Radiolaria og Foraminafera
Radiolarier og soldyr
Klassen aktinopoder (Actinopoda) omfatter radiolarier pelagiske i saltvann og soldyr (Heliozoa) i ferskvann og myrområder. Radiolarier (Radiolaria) er protozooer og encellet marint plankton med vegg med kuler av kvarts med mange hull, og skulpturert utformet i vakre mønstre. Gjennom hullene sendes det ut aksopodier, en type pseudopodier med aktin som deltar i matopptak. Både soldyr og radiolarier er i ytre utseende relativt like. Begge har yttervegger med kvarts. Radiolarier skiller ut et skjelett laget av opal i en arkitektonisk symmetrisk struktur med spikuler. Radiolarier var vanlig forekommende i havet i Devon og har gitt oppbygging av sedimenter med silisium på havbunnen.
Actinosphaerium er et stort kuleformet soldyr i orden Actinophyrida delt i kuleformet indre med organeller fødevakuoler og et ytre med vakuoler utformet som et ektoplasma. Raphidiophrys i orden Acanthocystida og Clathrulina i orden Desmothoracida er soldyr med kiselvegg.
Celestin er strontiumsulfat (SrSO4). Planktoniske radiolarier i klassen Acantharea skiller seg fra de andre radiolarier ved å celesinkrystallskall. Celestitt kan funger som ballast raskt sedimentering i vannmassene.
Skallamøber
Skallamøber (tektate (l. tectum – tak; eller testate (l. testa – skjell, skall)) amøber (Amoebozoa) omfatter de fylogenetisk forskjellige skallbærende arcellinider (Arcellinidae) i Tubulinea og euglyphider (Euglyphida) i divisjon Cercozoa. Disse bruker kvartskrystaller i et artsspesifikt regulært mønster med skjell, plater eller nåler for å lage det beskyttende skallet. De lever i områder med mye organisk materiale i jord eller marsklandskap. I skallet er det porer med plass til pseudopodier.
Kalsiumfosfater (apatitter)
Hydroksyapatitt (Ca10(PO4)6(OH)2) inngår i bein, tenner (dentin, emalje), fiskefinner, samt fiskeskjell sammen med kollagenfibure. Bein består av krystaller med hydroksyapatitt (bioapatitt) ispedd et matriks med proteinet kollagen.
Biojernmineraler
Nanokrystaller med mineralisert jernoksid, hematitt (Fe2O3∙H2O) inngår i proteinet ferritin som er en lagringsform for jern, blant annet i frø hos planter. Alfa-hematitt (α-Fe2O3) nanokrystaller fra planter og bakterier.
Skallus (Chiton, Cryptochiton) er marine bløtdyr utstyrt med en hard raspetunge med transverse rekker med radulatenner (l. radere – skrape) forsterket med biomineralisert magnetitt brukt til beiting. Radulatennene inngår i et stillaskompleks med alfa-kitin.
Raspetennene til albusnegl (Patella vulgata), en art forgjellesnegl (Patellogastropoda) har fibre med goetitt (jernhydroksid α-FeOOH) innleiret i et matriks med kitin. Tennene på en odontofor virker som et transportbånd. Målt etter Vichers hardhetsskala er disse tennene det sterkeste biologiske materiale som er funnet.
Både chiton og albusnegl bruker tennene til å skrape alger fra stein. Etter hvert som tennene slites ned lages det nye.
Biomagnetitt er ferrimagnetisk og kan delta i biomagnetisme, eventuelt navigasjon. Magnetitt (FeO∙Fe2O3, Fe3O4), inneholder både Fe(II) og Fe(III) er ferrimagnetisk, en egenskap oppdaget av den franske fysikeren Louis Néel (1904-200) som i 1970 fikk nobelprisen i fysikk «for fundamentalt arbeid og oppdagelse av antiferromagnetisme og ferrimagnetisme som har ført til viktige anvendelser innen faststoffysikk». Delt med Hannes Alfvén «for magnetohydrodynamikk med fruktbare anvendelser i forskjellige deler av plasmafysikk».
Antiferrimagnetisme finnes i magnetitt som inneholder både Fe2+ og Fe3+. De magnetiske momentene peker i motsatt retning, men med ulik styrke, men i sum virker de bare i en retning, jfr. dipol-dipolinteraksjon og Paulis eksklusjonsprinsipp for plassering av elektroner i orbitaler.
Néel, Louis:Propriétées magnétiques des ferrites. Férrimagnétisme et antiferromagnétisme, Annales de Physique (Paris) (1948) 137–198.
Litteratur
Li X, Chopp DL, Russin WA, Brannon PT, Parsek MR, Packman AI: Spatial patterns of carbonate biomineralization in biofilms. Appl Environ Microbiol.;81(21) (2015):7403-7410; doi:10.1128/AEM.01585-15
Bókkon I & Salari V: Information storing by biomagnetites. J Biol Phys.;36(1)( 2010)109-120. doi:10.1007/s10867-009-9173-9
Lahr DJ, Bosak T, Lara E & Mitchell EA: The Phanerozoic diversification of silica-cycling testate amoebae and its possible links to changes in terrestrial ecosystems. PeerJ. 2015;3:e1234, doi:10.7717/peerj.1234