钙质海绵Heteropia glomerosa骨针中碳酸钙沉积的生物矿化机制研究

本研究聚焦钙质海绵Heteropia glomerosa骨针的碳酸钙（CaCO3 ）生物矿化过程，通过电子背散射衍射（EBSD）和电子显微技术揭示了骨针生长通过纳米级颗粒逐层沉积的机制，发现晶格取向偏差（<2°）与有机质调控的结晶过程相关，为生物单晶形成理论提供了新见解。

　　

在海洋无脊椎动物中，海绵作为最古老的多细胞生物之一，其骨骼形成机制一直是生物矿化研究的焦点。钙质海绵（Calcarea）通过分泌含镁方解石（Mg-calcite）骨针构建骨架，这些生物单晶展现出与无机晶体截然不同的生长特性——表面光滑但内部存在纳米级层状结构。然而，关于骨针如何从细胞活动中实现原子级有序排列，以及有机基质如何调控这一过程，科学界仍存在认知空白。传统研究受限于技术手段，无法在纳米尺度解析矿化动态过程，导致对海绵骨针"自下而上"组装机制的理解长期停滞。

来自巴西的研究团队在《Journal of Structural Biology》发表的研究中，选取巴西海岸常见的Heteropia glomerosa海绵为模型，结合前沿电子显微技术，首次揭示了骨针生长的动态过程。研究采用双束扫描电镜（SEM）层切成像技术避免传统超薄切片对样品的破坏，通过电子背散射衍射（EBSD）分析晶体取向，并联合能谱（EDS）和透射电镜（TEM）进行多尺度表征。

样本制备
研究采集自巴西海域的H. glomerosa标本，其骨针经抛光处理后暴露出400 nm间距的同心层状结构，为后续分析提供理想界面。

结果

1. 元素与晶体结构分析：EDS证实骨针由均质Mg-calcite构成（Ca/Mg原子比=7），EBSD显示全长晶体取向一致但存在梯度偏差（300 μm跨度达4.5°），相邻2 μm区域偏差1.8°。
2. 矿化细胞机制：电镜观察到硬化细胞（sclerocyte）膜附近富集钙离子囊泡，其分泌的纳米级CaCO₃
   颗粒（可能为无定形碳酸钙ACC）通过层状沉积增大骨针直径。
3. 中间态结构：生长期骨针存在1-3 μm晶域，由有机质分隔的部分连接晶面组成，域间取向差约2°，与EBSD数据吻合，证实颗粒融合主导取向的生长模式。

讨论与结论
该研究突破性地揭示了海绵骨针"颗粒沉积-取向融合"的双阶段生长机制：硬化细胞首先分泌ACC前体颗粒，这些颗粒在有机基质调控下沿优势晶向（[104]方向）结晶，但保留微小取向偏差，形成类单晶的介观结构。这种有机-无机协同策略既保证了力学强度，又赋予生物矿物环境响应特性。研究不仅为理解早期动物矿化进化提供了新视角，其揭示的"缺陷可控"生物晶体生长机制更为仿生材料设计开辟了新路径——通过模拟海绵细胞的空间限域和离子递送系统，或可开发具有定向性能的智能矿物复合材料。

值得注意的是，作者团队（Camila Wendt等）特别指出，骨针层状结构的400 nm周期可能与细胞分泌节律相关，这一发现将生物矿化研究与细胞生物学紧密关联。该成果的技术创新点在于首次将双束SEM层切成像技术应用于海绵矿化研究，避免了传统制样导致的结构伪影，为后续研究树立了新方法学标准。文末作者强调，未来需结合分子生物学手段解析硬化细胞囊泡运输的具体调控通路，以完整揭示从基因表达到晶体成核的全链条机制。