Localizzazione inaspettata del silicio nell'esoscheletro di carbonato di calcio di coccolitofori fossili e in coltura

Aug 03, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7417 (2023) Citare questo articolo

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I coccolitofori, il fitoplancton calcificante marino, sono importanti produttori primari che influiscono sul ciclo globale del carbonio in diverse scale temporali. Le loro strutture biominerali, i coccoliti contenenti calcite, sono tra le parti dure più elaborate di qualsiasi organismo. Comprendere la morfogenesi dei coccoliti non è rilevante solo nel contesto dell'ecofisiologia dei coccolitofori, ma informerà anche la ricerca sulla biomineralizzazione e sulla progettazione dei cristalli più in generale. La recente scoperta di un requisito di silicio (Si) per la formazione dei cristalli in alcuni coccolitofori ha aperto una nuova strada alla ricerca sulla biomineralizzazione. Per sviluppare una comprensione meccanicistica del ruolo del Si, è necessario conoscere la presenza e la localizzazione di questo elemento chimico nei coccoliti. Qui documentiamo per la prima volta la distribuzione irregolare del Si nei coccoliti di Helicosphaera carteri attraverso tre tecniche basate sul sincrotrone che impiegano la fluorescenza a raggi X e la spettromicroscopia a infrarossi. L'arricchimento di Si in aree specifiche dei coccoliti indica un ruolo mirato di questo elemento nella formazione dei coccoliti. I nostri risultati segnano un passo fondamentale nella ricerca sulla biomineralizzazione perché aprono la porta a una comprensione meccanicistica dettagliata del ruolo che il Si gioca nella formazione dei cristalli di coccolite.

I coccolitofori sono organismi unicellulari marini che ricoprono la loro cellula con piastrine di carbonato di calcio (CaCO3) - i coccoliti - che formano un esoscheletro chiamato coccosfera (Fig. 1a,b)1,2. Poiché i coccolitofori svolgono un ruolo fondamentale nel ciclo globale del carbonio attraverso sia la pompa del carbonio organico che la contropompa del carbonato3,4, comprendere la loro fisiologia è fondamentale per prevedere la loro futura distribuzione e abbondanza negli oceani, e quindi il loro ruolo nella fissazione ed esportazione del carbonio. . Fino a poco tempo fa, lo studio della fisiologia della calcificazione del coccolitoforo si era concentrato principalmente sui componenti strutturali della calcite del coccolito, ovvero lo ione calcio (Ca2+) e il carbonio inorganico disciolto1,5,6, e sul frazionamento di alcuni elementi minori come lo stronzio (Sr)7 ,8,9. Poiché il silicio non è un componente della calcite, il fabbisogno di Si di alcune specie di coccolitofori non era stato previsto e non è stato realizzato fino a quando Durak et al.10 hanno dimostrato che alcune specie necessitano di Si per calcificarsi. Queste specie Si-dipendenti esprimono trasportatori di silicati simili alle diatomee (SITL) che enfatizzano il ruolo nutritivo svolto dal Si10. Considerando la nozione controintuitiva di una dipendenza dal Si nel processo di produzione della calcite (coccolitogenesi), non è affatto evidente il motivo per cui alcuni coccolitofori dovrebbero aver bisogno del Si per sopravvivere. Un indizio potrebbe essere ricavato dall'esempio del Coccolithus braarudii che necessita di una coccosfera per la divisione cellulare11. Una coccosfera intatta dipende da coccoliti normalmente formati12 e la normale morfogenesi dei coccoliti a sua volta dipende dal Si in questa specie11. Più specificamente, è stato dimostrato che la morfogenesi dei cristalli di eterococcolite (HET) è un processo dipendente dal Si, in particolare la modifica della crescita dei cristalli, in contrapposizione alla nucleazione13. Comprendere la cristallizzazione e la modellatura dei cristalli è al centro della ricerca sulla biomineralizzazione e sulla biomimetica (progettazione dei cristalli). Nonostante questa centralità della cristallizzazione e della modellatura dei coccoliti, questi processi sono scarsamente compresi14. La richiesta di Si in alcune specie di coccolitofori apre un nuovo modo di guardare al meccanismo della morfogenesi biominerale. La ricerca è agli inizi e mancano ancora dati fondamentali come la presenza e la distribuzione del Si nei coccoliti.

Micrografie della specie Helicosphaera carteri al microscopio elettronico a scansione (SEM). Micrografie raccolte dalla coltura monospecifica C1: (a) intera coccosfera (ingrandimento 10.000 ×), (b) singolo coccolite (25.000 ×) e (c) dettaglio sulla struttura dell'elemento calcite di un coccolite (60.000 ×). Immagini di resti fossili di H. carteri prelevati dal campione F1 (d–e) e F2 (f–g): singoli coccoliti (d 30.000×; f ingrandimento 20.000×); particolari della disposizione dei cristalli di calcite (e 55.000×; g 60.000×). Le barre della scala sono riportate per tutte le micrografie. Schema della struttura del coccolite di H. carteri e terminologia specifica ridisegnata e modificata da Young et al.22: (h) viste prossimale, (i) sezione e (j) viste distali. Le micrografie di Coccolith dietro gli schemi provengono dal campione F2: (h) H. carteri, (j) H. wallichii.