배양된 화석 석재류의 탄산칼슘 외골격에서 예상치 못한 실리콘 위치 파악

Aug 03, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7417(2023) 이 기사 인용

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해양 석회화 식물성 플랑크톤인 Coccolithophores는 다양한 기간에 걸쳐 지구 탄소 순환에 영향을 미치는 중요한 1차 생산자입니다. 방해석을 함유한 방해석인 생물광물 구조는 유기체 중에서 가장 정교하고 단단한 부분 중 하나입니다. 석탄석의 형태 형성을 이해하는 것은 석탄석 생태 생리학의 맥락과 관련이 있을 뿐만 아니라 생물광물화 및 결정 설계 연구에 보다 일반적으로 정보를 제공할 것입니다. 최근 일부 석석단에서 결정 형성을 위한 실리콘(Si) 요구 사항이 발견되면서 생광물화 연구의 새로운 길이 열렸습니다. Si의 역할에 대한 기계론적 이해를 발전시키기 위해서는 석화석에 있는 이 화학 원소의 존재와 위치를 알아야 합니다. 여기에서는 X선 형광 및 적외선 분광 현미경을 사용하는 세 가지 싱크로트론 기반 기술을 통해 Helicosphaera carteri coccoliths의 고르지 않은 Si 분포를 처음으로 기록합니다. Coccolith의 특정 영역에서 Si가 풍부하다는 것은 Coccolith 형성에서 이 원소의 목표 역할을 가리킨다. 우리의 발견은 코콜리스 결정을 형성하는 데 Si가 수행하는 역할에 대한 상세한 기계적 이해의 문을 열어주기 때문에 생광물화 연구의 핵심 단계입니다.

Coccolithophores는 coccosphere라고 불리는 외골격을 형성하는 탄산칼슘(CaCO3) 혈소판(coccolith)으로 세포를 덮고 있는 해양 단세포 유기체입니다(그림 1a,b)1,2. 석석포는 유기 탄소 펌프와 탄산염 카운터 펌프를 통해 지구 탄소 순환에서 중추적인 역할을 하기 때문에 생리학을 이해하는 것은 해양에서의 미래 분포와 풍부함, 그리고 탄소 고정 및 수출에서의 역할을 예측하는 데 필수적입니다. . 최근까지, 회석석 석회화 생리학에 대한 연구는 주로 회석 방해석의 구조적 구성 요소, 즉 칼슘 이온(Ca2+) 및 용존 무기 탄소1,5,6 및 스트론튬(Sr)7과 같은 특정 소수 원소의 분류에 중점을 두었습니다. ,8,9. 실리콘은 방해석의 구성 요소가 아니기 때문에 일부 석석단 종의 Si 요구 사항은 예상되지 않았으며 Durak et al.10이 일부 종의 석회화를 위해 Si가 필요하다는 사실을 보여줄 때까지 실현되지 않았습니다. 이러한 Si 의존성 종은 Si10의 영양분 역할을 강조하는 규조류 유사 규산염 수송체(SITL)를 나타냅니다. 방해석 생성 과정(석석 형성)에서 Si 의존성의 반직관적 개념을 고려하면, 일부 석석단이 생존하기 위해 Si가 필요한 이유는 결코 자명하지 않습니다. 세포 분열을 위해 coccosphere가 필요한 Coccolithus braarudii의 예에서 단서를 얻을 수 있습니다11. 손상되지 않은 coccosphere는 정상적으로 형성된 coccolith12에 의존하며 정상적인 coccolith 형태 형성은 이 종11의 Si에 따라 달라집니다. 보다 구체적으로, 헤테로코콜리스(HET) 결정 형태형성은 핵생성과는 반대로 Si 의존적 과정, 특히 결정 성장 변형이라는 것이 밝혀졌습니다. 결정화 및 결정 형성을 이해하는 것은 생체 광물화 및 생체 모방(결정 설계) 연구의 핵심입니다. 이러한 구석 결정화 및 성형의 중심성에도 불구하고 이러한 과정은 잘 이해되지 않습니다. 일부 석석단 종에서 Si의 요구량은 바이오미네랄 형태형성의 메커니즘을 보는 새로운 방법을 열어줍니다. 연구는 초기 단계에 있으며, coccoliths에 Si의 존재 및 분포와 같은 기본 데이터가 아직 누락되어 있습니다.

주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 Helicosphaera carteri 종의 현미경 사진. 단일특이적 배양물 C1에서 수집된 현미경 사진: (a) 전체 coccosphere(10,000× 배율), (b) 단일 coccolith(25,000×) 및 (c) coccolith의 방해석 요소 구조에 대한 세부 사항(60,000×). 샘플 F1(d-e) 및 F2(f-g)에서 채취한 H. carteri의 화석 유적 이미지: 단일 석상(d 30,000×; f 20,000× 배율); 방해석 결정 배열의 세부 사항(e 55,000×; g 60,000×). 모든 현미경 사진에 대해 눈금 막대가 보고됩니다. Young et al.22에서 H. carteri coccolith 구조와 특정 용어를 다시 작성하고 수정한 계획: (h) 근위부, (i) 단면, (j) 원위부 뷰. 계획 뒤의 Coccolith 현미경 사진은 샘플 F2에서 가져온 것입니다: (h) H. carteri, (j) H. wallichii.

20 µm) of XRF beamline, but yet XRF maps revealed the overlap of Si and Ca (Fig. S1). Once identified the presence of Si at the XRF beamline, the Si signal was more thoroughly investigated at a sub-micrometric length scale, thus at single coccolith level, using TwinMic beamline. LEXRF mapping on 13 single coccoliths of H. carteri indubitably confirmed not only Si presence in all samples, both cultured (C1) and fossil (F1 and F2), but also revealed its localization on single coccolith (Figs. 3, S2). All the maps are well comparable among the different types of samples, returning similar absorption (Abs) and differential phase contrast (PhC) images with lower transmitted signals in the internal portion of the coccolith, which is also the thicker part of this species morphology, where the proximal plate overlaps with the blanket (Figs. 3, S2). The overlay of LEXRF maps of Si (Si_K) with the corresponding absorption images (Abs + Si) allowed to highlight Si localization and to compare it with the coccolith morphology. Overall, in cultivated coccoliths Si seems to be located along the flange and the margin of the proximal plate, as well as along the long axis crossing the central opening(s) (Figs. 3a, S2a). Some Si concentrated accumulations on a specific area of the external margins are also noted, but they are not necessarily associated with a visible feature on the absorption or phase contrast images. Fossil coccoliths show a less uniform or characteristic Si distribution compared to the cultured ones. Silicon appears to be located more as hot spots, sometimes visible as darker areas in the absorption images, thus possibly related to the presence of small pieces belonging to other fossil coccoliths (Figs. 3b,c, S2b,c). In such areas, Si is reaching much higher levels than in the overall cultivated coccoliths, while the area of the proximal plate of the fossil H. carteri appears on average more depleted in Si than the corresponding area of C1 coccoliths./p>

20 µm (Table 1). For analyses at XRF beamline both the fossil and culture samples were deposited between two layers of Mylar film, sealed with a Delrin interlocking ring and fixed on a dedicated Al sample holder. The Mylar films are composed of polyethylene terephthalate, thus do not contain silicon. The measurements were conducted using the Medium Energy (ME) multilayer monochromator for the collection of maps at micrometric resolution with an incident beam energy of 5 keV (Table 1). A varying beam size at the exit slits was selected depending on the sample area ranging from 200 × 200 µm2 to 20 × 20 µm2, and with a standard 45°/45° geometry for fluorescence mode measurements, using an XFlash 5030 Silicon Drift Detector (SDD) detector (Bruker, Berlin, Germany). Higher order harmonics contamination was suppressed by a pair of parallel plane mirrors intercepting the beam in grazing incidence. All XRF spectra were processed with the PYMCA software package36 (https://pymca.sourceforge.net/)./p>

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