生物晶體是生長在生物體内部或受生物體影響的晶體。這些晶體種類繁多，其生長過程極其複雜。盡管它們無處不在，但隻有幾十種生物晶體被發現和研究。2022年4月14日《自然》（Science）期刊上，以色列雷霍沃特魏茨曼科學研究所Emanuel M. Avrahami（以下簡稱Avrahami）等人介紹了顆石的研究。它是由顆石藻形成的微米大小的方解石(CaCO3)單闆，而顆石藻是一種單細胞藻類。顆石藻在自身周圍形成一個被稱為顆石球的方解石殼，它由幾十個顆石闆組成。這篇文章深入探索了生物成因晶體（生物晶體）的多樣性世界。

[生物晶體的奇特之處]

生物晶體具有獨特的外觀，并且其多樣性令人難以置信，從簡單的規則的棱柱晶體，到球狀聚集體，再到帶有尖點的單個針簇。在200多種植物科中都發現了草酸鈣[CaC2O4·(H2O)x]晶體，它們的外觀及其在特定植物組織中的獨特位置，決定了它們的功能。例如，在葉子中發現的針狀晶體可能起到防禦食草動物的作用。有時這些針型晶體上有凹槽，可以幫助将毒素運輸到植物被咬的部位。生物晶體也可以用來幫助管理營養和生長。例如，在植物中發現的草酸鈣晶體，被認為是鈣的儲存庫，以維持适當的離子平衡。同樣的晶體也可以用來幫助控制潛在有毒物質如草酸的溶解度水平。

[生物晶體的獨特用途]

生物晶體還有其他可能更加奇特的用途。例如，趨磁細菌在其細胞内膜囊内産生納米大小的磁性晶體，幫助它們利用地球磁場定位自己，并朝着有利于它們生存的特定水環境導航。這些晶體的磁性特性已經被研究并被用于潛在的應用，例如，在癌症治療中實現精确的藥物輸送。另一個獨特的例子是在變色龍皮膚中發現的鳥嘌呤納米晶體，它在變色龍的變色能力中發揮着作用。此外，其皮膚深層的細胞含有略大的鳥嘌呤晶體，可以反射紅外線範圍内的陽光，這意味着鳥嘌呤晶體也為變色龍提供熱保護。就像前面提到的其他生物晶體一樣，這也引發了對可能性應用的探索，比如受變色龍啟發的觸摸式變色電子皮膚。生物晶體也存在于與人體健康有關的一些病理過程中。其中一個例子是鳥糞石晶體，它是在尿路感染脲酶陽性細菌時形成的。細菌積極參與這些晶體的生長過程，例如通過影響它們的孔隙度和特征表面結構。通過這些晶體，細菌可以增強它們對尿路上皮細胞的粘附，使它們更難被尿流排出。因此，對生物晶體的研究也是醫學界的興趣所在。

[研究内容]

Avrahami等人深入研究了由海藻類細孔鈣盤藻（Calcidiscus leptoporus）生長的顆石的微觀細節，為生物晶體的多樣性名冊增添了一份詞條信息。顆石是一種微米大小的方解石晶體闆，生長在被稱為基闆的有機基質周圍。研究人員已經建立了模型來解釋生物是如何形成如此複雜的晶體結構的。主流模型之一是是V / R模型，它設定了顆石有兩個不同的晶體單位，一個徑向(R)單位，其晶體c軸平行于顆石平面；以及一個垂直(V)單元，其c軸垂直于顆石平面。

圖1 顆石生長過程中的晶體形态的形成綜述。(A)帶有完整顆石外殼的細孔鈣盤藻細胞(上)和成熟顆石外殼的示意圖(下)。在這裡和其餘的圖中，形成遠端保護層的V單位是橙色的，而形成近端保護層的R單位是藍色的。虛線表示曲面，連續線表示平面，紅線表示假定的底闆位置。(B-L)四個成長階段的細胞内顆石。三個不同的視圖突出了每個階段的晶體結構。(E)和(I)中的插圖顯示的是虛線區域的放大。箭頭表示平面(紫色)和曲面(綠色)。圖底部的時間線示意圖中的黑色部分代表了下圖中分析的細胞内顆石形态譜。比例尺為500 nm (内插圖比例尺為200 nm)。

[研究結果]

在使用各種三維成像技術檢查了顆石形成的階段後，Avrahami等人提出，R和V單位的方向是通過将它們不同的邊緣附着在底闆上來确定的。在這個模型中，R和V單元是同一個菱形方解石晶體。銳邊上的菱形是R單元，鈍邊上的菱形是V單元。通過仔細表征在生長的各個階段的方解石晶體的形态和方向，作者得出結論，這些菱形鑽石結石晶體僅由一個小平面集 - {104}晶面構建，其中包含六個對稱相關面。

圖2 晶體邊緣對齊在顆石圓周位置，導緻顆石手性。(A)從近端觀察早期細胞内顆石的3D渲染圖。黃線勾勒出R單元沿基闆圓周位置的銳邊。R單元的c軸(紅色箭頭)及其子徑向傾斜(注意偏離表示徑向方向的線)，以及出現的超微結構手性(青色箭頭)。(B) 在圖2(A)中的顆石側視圖，顯示V單元的c軸亞垂直傾斜(垂線和紅色箭頭之間的角度)。插圖顯示帶有晶體注釋的{104}菱形示意圖，位于鈍邊(R單元)或銳邊(V單元)邊緣。(C) 與圖2(A)相似階段的細胞内顆石的STEM ADF圖像；彩色晶體用NBED分析，導出的c軸方向[在(E)中]表示為彩色箭頭。(D) 與圖2(C)中标記的晶體單位相關的NBED模式。衍射标尺為5 nm-1。(E) 圖2(C)中三個R單元的相對方位顯示為(104)和(001)極點對顆石平面的立體投影。

Avrahami等人表明，球石中發現的{104}方解石菱面體的面可以有不同的生長速度，打破了菱面體的對稱性。顆石的結構可以用{104}菱形面的各向異性的生長速率來解釋，這取決于它們在鈣離子和碳酸鹽離子濃度梯度下的取向。例如，在上述趨磁細菌的磁鐵礦晶體中，也觀察到類似的對稱破壞現象。這種生長速率的各向異性可能是由于環境或生長位點的各向異性，這可能是由于不均勻的離子通量通過晶體周圍的胞内膜的結果。

圖3 顆石晶體生長的形态學時間線顯示了守恒的{104}面的各向異性的演化。(A和B) 晶體從i到v五個生長階段的三維體繪制(顔色梯度表示生長順序)。這些單元被觀察到顆石環的切線處，以強調{104}外形，它們顯示出從各向同性到各向異性形态的轉變。灰色圓盤表示基闆的示意圖位置。比例尺為100 nm。(C) 來自同一數據集的四個連鎖晶體單元。晶體是在顆石外圍觀察到的，大小不是呈比例的。(D和E) 早期的R單元(D)和成熟的V單元(E)在四個不同的視圖: 向下的c軸(兩個面闆的左上方)，面向連接在c軸頂點的每一個切面。這些觀點突出了最初的各向同性外形，主要是受到晶體連鎖的幹擾，轉變為仍然由相同的面支配的各向異性外形。面(連續線)和邊(虛線)之間的二面角表示出來。紅色箭頭表示c軸方向。

如果對稱等效面生長速率的對稱性破壞和各向異性的想法是正确的，那麼可以預期其他有趣的現象，例如，快速增長的晶面，其尺寸的增加。生長晶體采用這樣的形态，即晶體的邊界面有一個低的表面能，這對應于緩慢生長的面，而快速生長的面往往消失，因為較高的表面能。通過觀察球石中{104}方解石菱面體，可以看出生長的各向異性如何改變晶體的整體外觀。雖然緩慢生長的晶面可以變大是不足為奇的，但是{104}菱面體的幾何結構使得快速生長的晶面也可以變大。快速生長的晶面尺寸增大而不是消失的現象是非常有趣的，但不是經常觀察到，這與晶體的幾何形狀有關。

圖4 由于等效面生長速度的差異，晶體各向異性的發展。(A, B) 兩組不同生長階段的晶體(與圖3一緻)。在(A)中，前者被圖式的方式疊加在後者之上。此外，在早期單位的輪廓(星号)上疊加的{104}菱面體示意圖(白色)顯示了生長差異較大的面。連續的箭頭表示快速生長的晶面；虛線箭頭表示生長緩慢的晶面。(C和D) 描述了導緻(A)和(B)中觀察到的生長狀态的細胞内部可能的條件。假定的離子濃度梯度用紫色和黑色箭頭表示。在(C)方案中，定向通量導緻一個晶面向它加速增長，不像同一晶體上的另一個晶面較離子源更遠。在場景(D)中，兩個不同的單位面對相似的梯度有不同的台階方向。在這種情況下，它們的不同生長速率将決定哪個面生長得更快。a為銳邊步驟；o為鈍邊步驟。(E)顯示顆石囊泡封閉環境中局部離子濃度梯度(紫色)的模型。這種各向異性的環境使相鄰晶體的不同原子步驟經曆不同的溶液條件。在所有面闆中，晶體頂點處的紅色箭頭和線表示c軸方向。

[前景展望]

在方解石以顆石的形式參與生物沉澱的過程中，顆石藻釋放二氧化碳，同時在光合作用的過程中捕獲二氧化碳。這一過程在海洋中規模巨大，是調節自然界中二氧化碳(CO2)和碳循環的基本因素之一。顆石藻捕獲和排出CO2之間的差異是模拟海洋碳循環的一個重要考慮因素，因此對氣候變化讨論具有相關性。因此，Avrahami等人的研究符合當前的研究趨勢，有助于評估顆石藻物種細孔鈣盤藻在全球碳循環中的作用。

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