Процесс синтеза биоминералов диатомовыми водорослями хорошо известен ученым: эти микроорганизмы являются самой распространенной группой водорослей, составляя до 25% всей органики на планете. Свои клеточные стенки они формируют из диоксида кремния, а некоторые пресноводные виды диатомовых также синтезируют слизистые стебельки, обладающие особой прочностью и гибкостью. С их помощью они прикрепляются к камням на дне водоемов и стараются приблизиться к свету у поверхности воды.
В своей работе группа ученых из Германии, России, Польши, США и Франции под руководством эксперта по биоминералогии профессора Германа Эрлиха (Hermann Ehrlich) из Горной академии во Фрайберге рассмотрела наноструктурные свойства этих стебельков и механизм их синтеза на примере одного из видов диатомовых — водоросли Didymosphenia geminata. Исследователям удалось выяснить, что одиночная клетка этой водоросли, прикрепившись к поверхности камня, вырабатывает специальный фермент, при помощи которого она растворяет содержащийся в камне кальций. Используя углекислый газ, клетка начинает синтезировать полисахаридный стебелeк, имеющий форму микрокапилляра, и одновременно формирует внутри него нанокристаллический каркас из карбоната кальция. Такого рода биоминерализация стебля направляет саму клетку вертикально вверх, ближе к свету. Диатомовые водоросли относятся к строго биосиликатным микроорганизмам, и феномен синтеза ими кристаллического карбоната кальция ученые описали впервые.
«Материалы, которые создаются в результате такой комбинации биологической и неорганической составляющих, могут быть широко использованы в различных технологиях. Например, при изготовлении сверхпрочных тонких и упругих одномерных соединительных элементов или двумерных сеточных конструкций-паутин. Исследования биокомпозитных образований могут помочь в создании таких структур, — комментирует автор статьи, соруководитель Транснационального научно-образовательного UniFEL центра перспективных методов исследования материалов Университета ИТМО Сергей Молодцов. — Чтобы всеобъемлюще описать свойства объекта, требуется обладать информацией о его атомной и электронной структурах: где и на каком расстоянии друг от друга расположены атомы, каким образом электроны перемещаются вокруг них. Поэтому в своей работе мы обратились к методам фотоэлектронной спектроскопии и спектроскопии рентгеновского поглощения, которые используются в рамках исследований лаборатории UniFEL».
Ученые также выдвинули смелую гипотезу, согласно которой водоросль активно использует углекислый газ для формирования стебельков потому, что его количество в атмосфере начало увеличиваться из-за деятельности человека. Таким образом, водоросль спасает планету от излишков CO2, считают они.
Добавим, что Didymosphenia geminata представляет угрозу речным экосистемам, приводит к серьезным нарушениям экологического баланса и мешает использованию водоемов для гидроэнергетики, орошения и рекреационных целей. После обнаружения этой водоросли в Новой Зеландии в 2004 году местные власти развернули публичную компанию для остановки ее распространения, которое может быть своеобразным «иммунным ответом» на избыток углекислоты в атмосфере. В России Didymosphenia geminata обитает в реках из региона озера Байкал.
Статья: «Multiphase Biomineralization: Enigmatic Invasive Siliceous Diatoms Produce Crystalline Calcite», Advanced Functional Materials. DOI: 10.1002/adfm.201 504 891
Институт экспериментальной физики, Т У Фрайбергская горная академия
