生物晶体(Biogenic crystals)是生长在生物体内部或受生物体影响下的晶体。这些晶体种类繁多，其生长过程极其复杂。尽管它们无处不在，但目前只有几十种生物成因晶体被发现和研究。
近日，以色列魏茨曼科学研究所Assaf Gal等人介绍了颗石藻(coccolith)的研究。颗石藻是一种单细胞藻类，它们是由颗石藻形成的微米大小的方解石(CaCO3)单层，颗石藻在自身周围形成一个被称为颗石球的方解石壳，它由几十个颗石板组成。其相关工作以“Complex morphologies of biogenic crystals emerge from anisotropic growth of symmetry-related facets”为题发表在《Science》上。
基于此，波兰罗兹理工大学Jolanta Prywer在《Science》上发表题为“The fascinating world of biogenic crystals”的评述。
生物形成晶体的习性——定义为晶体特有的外观——具有令人惊叹的多样性。它们的范围从简单的规则棱柱晶体，到球状聚集体，再到带有尖点的单针。以在200多个植物科中发现的草酸钙[CaC2O4·(H2O)x]晶体为例，它们的习性和在特定植物组织中的存在决定了它们的功能。例如，在叶子中发现的针状晶体可能起到防御食草动物的作用，有时这些针叶上有凹槽，可以帮助将毒素运输到植物被咬的部位。
生物晶体也可以用来帮助管理营养和生长。例如，在植物中发现的草酸钙晶体，被认为是钙的储存库，以维持适当的离子平衡。同样的晶体也可以用来帮助控制潜在有毒物质(如草酸)的溶解度水平。
图1. 生物结晶，如由单细胞藻类形成的颗石藻(如图所示)，在许多生物过程中发挥着重要作用。图片来源：NANO CREATIVE/SCIENCE SOURCE
生物晶体还有其他可能更奇特的用途。例如，趋磁细菌在其细胞内膜囊泡中产生纳米大小的磁性晶体，以帮助它们利用地球磁场定位自己，并导航到有利于它们生存的特定水生环境。这些晶体的磁性已经被用来研究其潜在的应用，例如在癌症治疗中精确的给药。
图2. 黑豹变色龙的颜色变化和虹膜类型。图片来源：DOI: 10.1038/ncomms7368
另一个独特的例子是在变色龙皮肤中发现的鸟嘌呤纳米晶体，它在变色龙的变色能力中发挥着作用。此外，皮肤深处的细胞含有较大的鸟嘌呤晶体，可以反射红外线范围内的阳光，这意味着鸟嘌呤晶体也为变色龙提供热保护。与其他生物晶体一样，这也引发了对可能应用的探索，比如受变色龙启发的触摸式变色电子皮肤。生物晶体也存在于与人体健康有关的一些病理过程中。一个例子是鸟粪石晶体，它是在尿路感染脲酶阳性细菌时形成的。细菌积极参与这些晶体的生长过程，例如通过影响它们的孔隙度和特征表面结构。通过这些晶体，细菌可以增强它们对尿路上皮细胞的粘附，使它们更难被尿流排出。因此，对生物晶体的研究也是医学界的兴趣所在。
在Assaf Gal等人的工作中，他们深入研究了由海藻类Calcidiscus leptoporus生长的颗石藻的微观细节，为生物晶体的多样性名册增添了一份。颗石藻是一种微米大小的方解石晶体板，生长在被称为基板的有机基质周围。研究人员建立了模型来解释生物是如何使如此复杂的结构结晶的。其中一个模型是V/R模型，它规定颗石有两个不同的晶体单位：径向(R)单位，晶体c轴平行于颗石平面；垂直(V)单位，c轴垂直于颗石平面。
图3. 颗石藻发育过程中的晶体形态。图片来源：DOI: 10.1126/science.abm1748
在使用各种三维成像技术检查了颗石形成的阶段后，通过对方解石晶体在不同生长阶段的形态和取向的仔细表征，作者得出结论，这些菱形方解石晶体是由一个面集{104}构成的，该面集包含六个与对称有关的面。
研究者在球石中发现的{104}方解石菱面体的面可以有不同的生长速度，打破了菱面体的对称性。颗石藻的结构可以用{104}菱形面面各向异性的生长速率来解释，这取决于它们在钙离子和碳酸盐离子浓度梯度下的取向。例如，在上述趋磁细菌的磁铁矿晶体中，也观察到类似的对称破坏现象。
方解石以颗石藻的形式生物沉淀的过程中，颗石藻释放二氧化碳，同时在光合作用的过程中捕获二氧化碳。这一过程在海洋中规模巨大，是调节自然界中二氧化碳(CO2)和碳循环的基本因素之一。颗石藻捕获和排泄二氧化碳之间的差异是模拟海洋碳循环的一个重要考虑因素，对气候变化的研究具有重要意义。因此，Assaf Gal等人的研究符合当前的研究趋势，有助于评估颗石藻物种C. leptoporus在全球碳循环中的作用。
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相关资料链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo2781
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm1748
https://www.nature.com/articles/ncomms7368
来源：高分子科学前沿
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