Desmoceras的化石。这是一种头足类动物，生活在1.46亿~1亿年前的白垩纪早期。
克劳德管的骨架，其特点是一系列的堆叠漏斗，这是已知最古老的生物矿物化石，大约有5.5亿岁。
生物矿化是海胆长出棘状突起、软体动物形成外壳、珊瑚形成骨骼的过程，也是哺乳动物和其他动物形成骨骼和牙齿的过程。动物们制造的保护壳、锋利的牙齿、承重的骨头和针状的刺，是已知的最坚硬和最耐用的物质。制作这些材料的配方是大自然的秘密之一，但是强大的新型分析工具和显微镜已经帮助科学家们揭开了生物矿化的许多谜团，在纳米尺度上精确地展示了一大批动物是如何使用完全相同的机制和起始化学物质来制造出它们赖以生存的生物材料结构的。
根据8月19日发表在《美国国家科学院学报》的一篇报告，美国威斯康星大学麦迪逊分校的物理学教授Pupa Gilbert领导的一个团队发现，贝壳、棘状突起和珊瑚骨骼的制作方法不仅在许多现代动物谱系中是相同的，而且在古老的生物中也是一样的，可以追溯到5.5亿年前。此外，生物矿化还经历了不止一次的独立进化。
生物矿化过程的世界专家Gilbert说：“利用同样的机制，生物矿化独立进化了多次，这一发现告诉我们，这样做有很强的物理或化学原因。如果一种生物开始以这种方式制造它的生物材料，它就会超过其他所有不制造生物材料或利用不同方式制造生物材料的物种，就不会被吃掉，并将这种好想法传递给下一代。”
在过去的研究中，Gilbert已经证明，生物矿化的过程在不同种类的动物身上是一样的，而且它们没有已经进行生物矿化的共同祖先，因此，它们必须独立地进化生物矿化机制。Gilbert说:“当生物在寒武纪（5亿多年前）开始生物矿化时，不同的物种就开始以完全相同的方式进行生物矿化了：利用非晶态纳米颗粒的附着。这些非晶态前体纳米颗粒可以形成多种生物材料。不管是牙齿、珍珠层还是珊瑚。所有这些系统都具有相同的非晶态前体。而且，无定形碳酸钙纳米颗粒，在一定条件下是稳定且可逆的。因此，晶体不会在错误的时间和地点成核和生长。”
在动物细胞中产生的碳酸钙微粒与在管道和管道固定装置中形成“石灰”沉积物的物质相同。在动物体内，它通过附着在生物矿化部位并形成晶体而发生转化。晶体中的单个原子会整齐地排列在一起形成晶格，而晶格正是动物构建的结构的支架。Gilbert的研究小组利用一种新型显微镜对这一过程进行了梳理，该显微镜利用同步加速器辐射产生的软x射线，能够在纳米尺度上观察结构在形成过程中是如何结合在一起的。随后Gilbert的团队应用相同的技术探测了三个不同门的动物的深度化石记录，并追溯到5.5亿年前，对已知最古老的动物——克劳德管的生物成分进行了取样。
Gilbert指出，尽管动物残骸形成化石的过程中发生了很大的变化，但纳米生物矿化的特征仍然保持不变，我们可以通过打开化石，使用扫描电子显微镜探测断裂的位置，寻找最初结晶过程中纳米颗粒的迹象。“我们尽可能回到最早的化石时代，通过粒子附着实现看起来和现代动物一样的生物矿化。”
Gilbert和她的同事们揭示的生物矿化的故事可能会为工业发展提供有用的新材料。Gilbert解释说：“我们不知道如何使无定形碳酸钙或任何其他物质形成充满空间的固体，然后结晶，但海洋生物的细胞却可以。我们可以利用从它们身上学到的东西，在实验室和工业中进行复制，像生物矿化一样，制作出比零件的简单加成好得多的材料。”
原创编译：花花 审稿：西莫 责编：张梦
期刊来源：《美国国家科学院学报》
期刊编号：0027-8424
原文链接：https://phys.org/news/2019-08-biominerals-nature-recipe-evolved.html
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