Αν και στη φύση υπάρχουν άφθονα παραδείγματα κρυστάλλων οι οποίοι σχηματίζονται σε πετρώματα ή στον πάγο, θα συναντήσουμε πιο δύσκολα κρυστάλλους οι οποίοι έχουν βιογενή προέλευση, κρυστάλλους δηλαδή οι οποίοι δημιουργούνται στο εσωτερικό των έμβιων οργανισμών. Υπάρχουν ωστόσο πολλές μορφές ζωής που έχουν τη δυνατότητα να παράγουν κρυσταλλικές δομές στο εσωτερικό των κυττάρων τους. Ανάμεσα σε αυτές συγκαταλέγονται τα κοκκολιθοφόρα, μονοκύτταροι οργανισμοί οι οποίοι ζουν κατά κύριο λόγο στα επιφανειακά στρώματα των ωκεανών. Επί δεκαετίες οι επιστήμονες επιχειρούν να εντοπίσουν τα χημικά μόρια τα οποία καθορίζουν τη μορφή των κρυστάλλων που σχηματίζονται στο εσωτερικό των μονοκύτταρων αυτών οργανισμών. Πρόσφατη έρευνα επιστημόνων από το Ινστιτούτο Weizmann στο Ισραήλ έδειξε ότι στην πραγματικότητα η τελική μορφή των κρυστάλλων καθορίζεται αποκλειστικά από το περιβάλλον μέσα στο οποίο αυτοί αναπτύσσονται. Τα ευρήματα της έρευνας, τα οποία δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στην επιστημονική επιθεώρηση «Science», ανατρέπουν το κυρίαρχο μοντέλο, σύμφωνα με το οποίο η μορφή τέτοιου είδους κρυσταλλικών δομών προκύπτει υπό την επίδραση των πολυσακχαριτών, μιας μεγάλης κατηγορίας βιολογικών μορίων.
Κρυσταλλικές δομές σε κύτταρα
Ο σχηματισμός των κρυσταλλικών δομών στα κοκκολιθοφόρα ξεκινά σε ειδικά κυστίδια, τα οποία υπάρχουν στο εσωτερικό των μονοκύτταρων οργανισμών. Εκεί, σχηματίζεται ένας δακτύλιος οργανικού υποστρώματος, πάνω στον οποίο εναποτίθενται στρώματα ανθρακικού ασβεστίου, ενός άλατος το οποίο αποτελεί συνηθισμένο συστατικό των πετρωμάτων. Τα στρώματα αυτά συγκροτούν μικροσκοπικές τρισδιάστατες πλάκες, τους λεγόμενους κοκκόλιθους, οι οποίες μετά τον σχηματισμό τους μεταφέρονται έξω από το κύτταρο και επικαλύπτουν την επιφάνειά του. Οι επιστήμονες έχουν παρατηρήσει ότι κάθε κοκκόλιθος φαίνεται να αποτελείται από δύο ξεχωριστές υπομονάδες. Η πρώτη μονάδα αναπτύσσεται κάθετα στο επίπεδο του αρχικού δακτυλίου, ενώ η δεύτερη μονάδα αναπτύσσεται κάθετα στην πρώτη μονάδα του κρυστάλλου. Στην αρχή της ανάπτυξης, καθεμία από τις υπομονάδες αυτές έχει τη μορφή του ρομβόεδρου, ενός τρισδιάστατου σχήματος με έξι έδρες, οι οποίες έχουν τη μορφή ρόμβου. «Το ρομβόεδρο είναι ο πιο σταθερός σχηματισμός από θερμοδυναμική άποψη. Είναι αποτέλεσμα της διάταξης των ατόμων στο ανθρακικό πλέγμα και απόρροια των κανόνων της Φυσικής» σημειώνει στο ΒΗΜΑ-Science ο δρ Ασάφ Γκαλ, πρώτος συγγραφέας της δημοσίευσης. Η κυρίαρχη υπόθεση των επιστημόνων ήταν ότι κάποια χημικά μόρια αναλαμβάνουν τον ρόλο του «γλύπτη», ενορχηστρώνοντας τον σχηματισμό των ρομβόεδρων και ελέγχοντας την ανάπτυξη των διαφορετικών πλευρών του κοκκόλιθου. Προηγούμενες έρευνες έχουν δείξει ότι μία κατηγορία βιολογικών μορίων που εμπλέκονται στη διαδικασία σχηματισμού των κοκκόλιθων είναι οι πολυσακχαρίτες, οι οποίοι αναλαμβάνουν τη μεταφορά ιόντων ασβεστίου στα κυστίδια όπου σχηματίζονται οι πλάκες ανθρακικού ασβεστίου. Ωστόσο, οι επιστήμονες δεν είχαν καταφέρει μέχρι πρότινος να περιγράψουν τον ακριβή μηχανισμό μέσω του οποίου τα μόρια αυτά καθορίζουν την τελική μορφή του κοκκόλιθου.
Ο σχηματισμός βήμα προς βήμα
Για τον σκοπό αυτόν, η επιστημονική ομάδα από το Ισραήλ μελέτησε τον σχηματισμό των κρυσταλλικών δομών βήμα προς βήμα. Οι ερευνητές καλλιέργησαν στο εργαστήριο μονοκύτταρους οργανισμούς Calcidiscus leptoporus, οι οποίοι ανήκουν στην ομάδα των κοκκολιθοφόρων. Σε διάφορα χρονικά στάδια, οι επιστήμονες σταματούσαν με τεχνητό τρόπο την ανάπτυξη των μονοκύτταρων οργανισμών, απομάκρυναν τις μικροσκοπικές πλάκες οι οποίες είχαν μεταφερθεί ήδη στο εξωτερικό του κυττάρου και, διαρρηγνύοντας το κύτταρο με χημικές μεθόδους, συνέλεγαν τους υπό σχηματισμό κρυστάλλους από το εσωτερικό των κυττάρων. Συγκέντρωσαν έτσι δεκάδες κοκκόλιθους οι οποίοι βρίσκονταν σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης. Επειτα, χρησιμοποίησαν ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης για να μελετήσουν το κάθε στάδιο σχηματισμού των κοκκόλιθων.
Ο ρόλος του μικροπεριβάλλοντος
Αναλύοντας τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των μικροσκοπικών πλακών στις διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης, οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι σχηματισμοί οι οποίοι αναγνωρίζονταν μέχρι πρότινος ως διαφορετικές υπομονάδες του ίδιου κοκκόλιθου είναι στην πραγματικότητα διαφορετικές πλευρές μιας ενιαίας δομής, οι οποίες αναπτύσσονται με διαφορετικό τρόπο. Η διαφορετική ανάπτυξη των επί μέρους πλευρών δεν εξαρτάται από ειδικά χημικά μόρια, αλλά από το μικροπεριβάλλον στο οποίο εκτίθεται η κάθε πλευρά του κρυστάλλου. «Σύμφωνα με τη θεώρηση η οποία επικρατούσε μέχρι πρότινος, η διαδικασία σχηματισμού των πολύπλοκων αυτών δομών προσομοιάζει με μία χημική αντίδραση, κατά την οποία πολλά διαφορετικά μόρια συμβάλλουν στη διαδικασία σχηματισμού του κρυστάλλου και στον καθορισμό της μορφής του» αναφέρει στο ΒΗΜΑ-Science ο δρ Ασάφ Γκαλ, συμπληρώνοντας: «Τα αποτελέσματα της έρευνάς μας καταδεικνύουν ότι η θεώρηση αυτή είναι λανθασμένη. Κανένα μόριο δεν συμβάλλει στη διαφορετική ανάπτυξη των πλευρών των δομών αυτών. Αντίθετα, προτείνουμε ότι η μορφολογία των κρυστάλλων προκύπτει από το περιβάλλον στο οποίο αυτοί αναπτύσσονται». Οπως σημειώνει ο ίδιος, τόσο το χημικό περιβάλλον όσο και ο περιορισμένος χώρος του κυστιδίου μέσα στο οποίο αναπτύσσεται η κάθε πλευρά του κρυστάλλου διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στην τελική μορφή κοκκόλιθου.
Εφαρμογές στο εργαστήριο
Γνωρίζοντας τους παράγοντες οι οποίοι είναι καθοριστικοί για τον σχηματισμό των κρυστάλλων, οι επιστήμονες ευελπιστούν να βελτιώσουν τη διαδικασία σύνθεσης κρυσταλλικών δομών στο εργαστήριο. «Οι γνώσεις οι οποίες προκύπτουν από τη συγκεκριμένη έρευνα μπορούν να αξιοποιηθούν κυρίως στη βιοτεχνολογία και στη νανοτεχνολογία. Για να μιμηθεί κανείς τη διαδικασία κρυστάλλωσης των κοκκόλιθων, θα πρέπει να επικεντρωθεί στη διαμόρφωση του μικροπεριβάλλοντος στο οποίο συμβαίνουν οι χημικές αντιδράσεις οι οποίες οδηγούν στον σχηματισμό των κρυστάλλων και όχι στον ρόλο των χημικών μορίων» σημειώνει ο ερευνητής. Η σημασία λοιπόν των ευρημάτων είναι μεγάλη όχι απλώς επειδή αυτά ανατρέπουν την επικρατούσα υπόθεση σχετικά με τον σχηματισμό των κοκκόλιθων, αλλά και επειδή επιτρέπουν στους επιστήμονες να ελέγξουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τη διαδικασία σχηματισμού κρυσταλλικών δομών στο εργαστήριο.
Πολύτιμο αρχείο για τους επιστήμονες
Μετά τον θάνατο των μονοκύτταρων οργανισμών, οι κοκκόλιθοι καθιζάνουν στο βάθος των ωκεανών. Τα ιζήματα που προκύπτουν αποτελούν ένα πολύτιμο αρχείο για τους επιστήμονες, το οποίο τους επιτρέπει να μελετήσουν, μεταξύ άλλων, τον τρόπο με τον οποίο εξελίχθηκαν οι εν λόγω οργανισμοί.
Βιογενείς κρύσταλλοι στη φύση
Οι κοκκόλιθοι ανήκουν στους βιογενείς κρυστάλλους, δηλαδή σε μία ευρεία κατηγορία κρυσταλλικών δομών οι οποίες αναπτύσσονται σε βιολογικούς οργανισμούς. Στη φύση έχουν παρατηρηθεί πολλές δομές τέτοιου είδους, οι οποίες έχουν εξαιρετική ποικιλομορφία. Ο ρόλος των κρυσταλλικών δομών ποικίλλει από οργανισμό σε οργανισμό. Ετσι, παραδείγματος χάριν, τα φύλλα συγκεκριμένων φυτικών ειδών περιέχουν τέτοιου είδους κρυσταλλικές δομές ως προστασία απέναντι στα φυτοφάγα ζώα. Μικροί κρύσταλλοι υπάρχουν και στη μεμβράνη μιας ιδιαίτερης κατηγορίας βακτηρίων που ονομάζονται μαγνητοτακτικά βακτήρια. Σε αυτή την περίπτωση, οι κρύσταλλοι έχουν μαγνητικές ιδιότητες και συμβάλλουν στον προσανατολισμό του βακτηρίου με βάση το μαγνητικό πεδίο της Γης. Τέλος, οι χαμαιλέοντες χρησιμοποιούν μικροσκοπικές κρυσταλλικές δομές ώστε να αλλάζουν το χρώμα του δέρματός τους. Οι επιστήμονες επιχειρούν να αξιοποιήσουν τέτοιου είδους βιογενείς κρυστάλλους για διάφορες εφαρμογές στη βιοϊατρική.
