El único fibrilar a platy nano - Fusible Co., Ltd de Hangzhou PV

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 2189 (2023) Citar este artículo

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La diversificación de arreglos de biocristales, la incorporación de biopolímeros en muchos niveles de escala y arquitecturas jerárquicas son claves para la optimización de biomateriales. El foraminífero rotálido planctónico Pulleniatina obliquiloculata muestra en su caparazón un nuevo tipo de arquitectura mesocristalina. La formación de la concha comienza con la cristalización de una red de rizopodios, la hoja orgánica primaria (POS). En un lado del POS, los cristales consisten en dominios en bloques de 1 μm. En el otro lado del POS los cristales tienen morfologías dendrítico-fractales, se interdigitan y alcanzan tamaños de decenas de micrómetros. Los cristales dendríticos-fractales están maclados. En el sitio de nucleación, los cristales maclados consisten en diminutas fibrillas. A medida que se alejan del sitio de nucleación, las fibrillas evolucionan a haces de nanofibrillas coorientadas cristalográficamente bien y a cristales gemelos en forma de hoja plana que unen las superficies de la capa exterior. El eje morfológico de nanofibrillas es el eje c cristalográfico, ambos son perpendiculares a la bóveda de concha. La calcita nanofibrilar se macla polisintéticamente según la ley de maclas de 60°/[100] (= m/{001}). Demostramos la formación de cristales maclados, fractal-dendríticos, a alta sobresaturación y crecimiento a través de la competencia de cristales. También mostramos que la alineación del eje c ya está inducida por biopolímeros del POS y no es simplemente una consecuencia de la competencia de crecimiento. Discutimos los determinantes que conducen a la formación de calcita rotalíida.

Los foraminíferos son organismos unicelulares que viven en una amplia gama de ambientes marinos1,2,3,4,5. La mayoría de los foraminíferos protegen su citoplasma con una cubierta con cámara mineralizada con carbonato de calcio (p. ej., 6,7,8,9,10). Las conchas de foraminíferos exhiben una gran variedad de morfologías de cámaras y conchas3,11,12,13,14. La diversidad en forma de concha, su presencia generalizada en casi todos los ambientes marinos, su registro fósil bien documentado convierte a este grupo de protozoos en uno de los taxones más adecuados para las evaluaciones de los balances globales de carbonato y estudios evolutivos, estratigráficos, paleoecológicos y reconstrucciones paleoclimaticas3 ,9,12,15,16,17.

Se investigó la organización de los cristales de calcita en el caparazón de las especies bentónicas de rotálidos Amphistegina Lessonii (d'Orbigny 1826), Amphistegina lobifera (Larsen 1976) y Ammonia tepida (Cushman 1926)18. Se demostró18 que los cristales son mesocristales y que A. Lessonii, A. lobifera y A. tepida forman su cubierta de cristales que tienen una de las dos morfologías: (1) cristalitos en bloque, de pocos micrómetros de tamaño, y (2) cristalitos más grandes , cristales dendríticos-fractales del tamaño de decenas de micrómetros con una estructura interna nanofibrilar/nanoplatia. Estos dos tipos diferentes de nano y microestructuras están delimitados entre sí a través de la hoja orgánica primaria (POS), la red de biopolímeros donde tiene lugar la nucleación y comienza la mineralización de la capa.

Aquí investigamos la estructura a escala nanométrica y la organización cristalográfica a escala submicrométrica de la calcita de caparazón de foraminíferos rotaliidos planctónicos. Elegimos para nuestro estudio la especie planctónica Pulleniatina obliquiloculata, familia Pulleniatinidae, orden Rotaliida (Parker y Jones, 1865). P. obliquiloculata vive en ambientes de hasta 100 m de profundidad de agua y es una de las especies planctónicas más abundantes de los océanos tropicales19,20. Las conchas de P. obliquiloculata se utilizan ampliamente para estudios que investigan los controles ambientales sobre la calcificación de las conchas y para evaluar la contribución de las conchas de foraminíferos planctónicos al ciclo global del carbono terrestre19,20. Discutimos la nucleación cristalina y el crecimiento de la calcita de P. obliquiloculata y mostramos que dentro de la red de biopolímeros que moldea la nucleación se desarrollan las dos morfologías cristalinas principales que componen la cubierta. Como la mayor parte de la cubierta está formada por cristales dendríticos-fractales, los detallamos en particular y demostramos que los últimos cristales se nuclean con una sobresaturación y un pH elevados y crecen hasta convertirse en cristales más grandes a través de un proceso de crecimiento competitivo. Este último proceso contribuye significativamente a la formación del patrón de textura (textura cilíndrica) del conjunto de cristal. Mostramos que los cristales dendríticos-fractales tienen una nano y microestructura específica y única y demostramos que estos cristales consisten en calcita maclada. Con base en nuestras observaciones microestructurales-cristalográficas, discutimos los principales determinantes que inician, controlan y guían la formación de calcita de la capa de P. obliquiloculata.

En cortes sagitales a través de la pared de la concha de Pulletiniatina obliquiloculata observamos dos capas formadas por cristales con distintas morfologías (Figs. 1, S1, S2). Estos están separados entre sí por una red de fibrillas de biopolímero (Figs. 1, 2). Consideramos que estos últimos son remanentes de la Hoja Orgánica Primaria (POS). Las capas más externas consisten en una matriz alineada de fibrillas a cristales laminares (Figs. 1, 3, S2), las capas más internas están formadas por cristales en bloque (Figs. 1, 3, S2).

Imágenes BSE de secciones transversales de conchas que representan la estructura interna de las conchas de Pulleniatina obliquiloculata. (a) modo de seccionamiento de la concha. ( b, c ) Imágenes de EEB de superficies de caparazón grabadas. (d, e, f) imágenes BSE de superficies altamente pulidas, no grabadas; estas superficies se usaron para mediciones EBSD. Bien visible es la subdivisión de la pared de la cáscara por la lámina orgánica primaria (POS) (flechas rojas en (b, e, f)) en dos capas (b, c). Estos tienen diferentes microestructuras (estrellas blancas y amarillas en (b) y (c)). Los puntos blancos en (b, c) indican los poros que están llenos de resina EPON. El curso del POS es muy uniformemente (por ejemplo (e)) curvo y predefine la curvatura de la cámara. En contraste, el curso de otras incorporaciones orgánicas (flechas amarillas en (d, e)) es ondulado. La flecha azul en (b) y (e) indica la corteza. El grosor de este último varía ligeramente entre 2 y 4 µm (e).

Imágenes BSE de secciones transversales de caparazones que representan el sitio de la hoja orgánica primaria (POS, a, b), así como las dos microestructuras que componen el caparazón de Pulleniatina obliquiloculata: cristales en bloque (estrella amarilla en (a, b)) dentro y por debajo del POS, y nanofibrillas (estrella blanca en (a, b, c)) por encima del POS. Véase también la figura S2. Las nanofibrillas se nuclean dentro del POS; grupos de nanofibrillas paralelas forman cristales alargados en forma de gavilla (estrella blanca en (c)). Los últimos cristales forman la mayor parte de la pared de la capa exterior. Los cristales en bloque forman toda la pared de la cubierta interna, la capa debajo del POS.

Imágenes BSE de secciones transversales a través de la capa de Pulleniatina obliquiloculata que visualizan la ampliación del tamaño del cristal hacia las superficies de la capa exterior. (a) desarrollo de cristales laminares de forma irregular a partir de las nanofibrillas en/dentro del POS. Las estrellas rojas en (a) y en el inserto en (a) indican capas de capa formadas por cristales fusionados alargados/en forma de gavilla. Conjuntos de cristales grandes en forma de placa/cuchilla comprenden la corteza (estrella blanca en (a)). (b): En las superficies más externas de la cubierta, existen fisuras y cavidades entre las placas/cuchillas grandes. En la preparación de la muestra, las fisuras entre las placas se infiltran con la resina EPON de baja viscosidad utilizada (flechas rojas en (b)). Los puntos blancos en (b) indican poros llenos de resina EPON. Las flechas blancas en (c) apuntan a la película de biopolímero que recubre la superficie interna de un poro. Véase también la figura S3.

P. obliquiloculata forma conchas porosas (Figs. 1, 3, 4). La superficie interna de los poros está revestida por una membrana orgánica (Figs. 3c, S3). Para las técnicas analíticas utilizadas en este estudio, las cubiertas debían estar incrustadas en resina EPON de baja viscosidad. Este último se infiltró en los poros (puntos en las Figs. 1b, c, 3b). En los cortes tangenciales a través de la cubierta, vemos que la sección de la cubierta exterior está formada por unidades de cristal con tamaños que aumentan hacia afuera desde el POS (Fig. 4a). Las vistas tangenciales de estas unidades revelan su estructura interna (Fig. 4) y su morfología dendrítica-fractal interdigitada (Fig. 8).

Corte orientado tangencialmente a través de la pared de la concha de Pulleniatina obliquiloculata (a) que permite una vista desde arriba, sobre la superficie de las unidades de cristal en forma de cono ((b)–(d)). Los cristales en forma de cono están estructurados internamente (b, c) y se entrelazan (d). ( a ) Medición de contraste de banda EBSD en gris; (b, c, d) Imágenes BSE de superficies grabadas. Las estrellas amarillas en (a) indican el curso del POS, este último es bien visible a través de la acumulación de pequeños cristalitos. Las flechas amarillas en (a) apuntan a la corteza. Las líneas discontinuas amarillas en (d) marcan los contornos de la superficie tangencial de tres cristales en forma de cono.

La red orgánica del POS separa las dos capas de caparazón (Fig. 2). La nucleación de las plantillas POS y el inicio del crecimiento de calcita21. Como se visualiza en la Fig. 1, el curso del POS es uniforme (Fig. 1e,f), en contraste con otras intercalaciones orgánicas en el caparazón que tienen un curso ondulado (Fig. 1e,d). Consideramos este último material orgánico como un remanente del Revestimiento Orgánico Exterior (OOL), secretado al final de los ciclos secuenciales de formación de cámaras21. Las conchas de P. obliquiloculata muestran una zonación en azufre y magnesio (Fig. S4), que están positivamente correlacionados (Fig. S4). El azufre es indicativo de sustancia orgánica, por lo tanto, las zonas con un mayor contenido de azufre apuntan a los revestimientos orgánicos que cubren las superficies exterior e interior de la cubierta. Como en cada evento de formación de una nueva cámara, las cámaras más antiguas se cubren con una capa adicional de calcita, en cada etapa de crecimiento del caparazón, el OOL que cubre la superficie exterior del caparazón se incorpora al caparazón (Fig. 1e). No observamos tales intercalaciones episódicas de sustancia orgánica en las capas internas de la capa, entre el POS y la superficie interna de la capa (Fig. 1e, f).

Los cristales que forman la cáscara tienen morfologías distintas:

En las capas de la cubierta interna (entre el POS y la superficie de la cubierta interna) encontramos cristales en bloque. La morfología de los cristales en bloque no cambia entre el POS y la superficie de la cubierta interna (Figs. 2a, S2).

La mayor parte de la cubierta (las capas entre el POS y la superficie exterior de la cubierta) está formada por cristales que inicialmente tienen una estructura nanofibrilar. Las nanofibrillas de calcita se desarrollan dentro del POS y tienen diámetros de aproximadamente 50 nm que alcanzan longitudes de 1 μm o más (Fig. 2c, 3a).

Más lejos del POS, hacia las superficies de la cubierta exterior, la dimensión de las nanofibrillas aumenta, su forma se vuelve más plana. Las fibrillas evolucionan hacia entidades laminares (Figs. 3a, S3). Estas nanoplacas tienen espesores en el rango de 50 a 100 nm (Fig. 4b-d) y extensiones laterales del orden de 1 μm (Figs. 3, 4, S3).

Cerca de la corteza, los cristales laminares ahora se fusionan y forman una capa compacta de calcita (Figs. 3a, S2).

De esta capa compacta evolucionan grandes cristales en forma de placa/cuchilla (Fig. 3a); arreglos de estas placas/cuchillas forman la corteza. Estos cristales en forma de placa/cuchilla se apilan en paralelo y tienen morfologías dendríticas irregulares. Al incrustarse en EPON, las fisuras entre los cristales laminares de la corteza se infiltran con resina (flechas rojas en la Fig. 3b).

En contraste con las capas de la capa interna, para la pared de la capa externa, que crece en grosor con cada nuevo ciclo de formación de cámara, observamos un cambio tremendo pero continuo en el tamaño del cristal, la morfología y la nanoestructura interna. Las nanofibrillas de calcita forman haces o haces en los que la orientación de la red cristalográfica de todas las fibrillas es la misma (resultados EBSD, Fig. 5e, f). Su orientación reticular continúa en las nanoplacas/placas, hasta la corteza (Fig. 5e,f). Por lo tanto, vemos unidades de mesocristal alargadas con una orientación reticular coherente (Figs. 5, 11), sin embargo, con una nanoestructura interna en evolución (Figs. 3a, 9). Las morfologías cristalinas descritas anteriormente no son solo características singulares o superficiales. Seccionamos las conchas de P. obliquiloculata a diferentes profundidades y siempre observamos las características de tamaño y morfología de los cristales descritas anteriormente (Fig. S5). La evolución de nanofibrillas a través de nanoplacas a placas y cuchillas da como resultado una mineralización más densa desde el interior hacia el exterior, en relación con el material de la cubierta formado por los cristales en bloque entre el POS y la superficie de la cubierta interna (Figs. 3, S2).

Los cristales y unidades de cristal en la concha de Pulleniatina obliquiloculata. (a) y (b) imágenes BSE de cristales alargados en forma de gavilla (estrellas blancas). Estos comienzan a formarse en el POS (puntos blancos en (a) y (b)) y comprenden la mayoría de las entidades de calcita en forma de cono (c), (d), (f). ( c ) y ( d ) imágenes de contraste de banda EBSD en gris que visualizan la extensión de las unidades en forma de cono; (c) resaltados en verde hay algunos cristales en forma de cono, elegidos arbitrariamente. (e), (f) orientación del cristal de calcita obtenida de EBSD, para (e) una sección completa de la pared de la cáscara y (f) las unidades seleccionadas en forma de cono que se muestran en (c). A partir de la uniformidad del color, es evidente que la calcita dentro de las unidades en forma de cono tiene una orientación reticular cristalográfica uniforme.

En secciones transversales sagitales a través de la pared de la cáscara, las unidades de cristal de calcita en forma de cono con longitudes de hasta 20 μm y anchos de hasta 10 μm se hacen evidentes en las mediciones de EBSD (Fig. 5). Estas unidades de cristal comienzan a crecer desde un punto, en general, desde o cerca del POS, y se ensanchan hacia la superficie de la cubierta exterior. Tenga en cuenta que estas unidades cónicas de cristal de calcita con un tamaño de decenas de micrómetros, que vemos con EBSD (Fig. 5c-f), tienen la nanoestructura interna que se muestra en las Figs. 2, 3, 4, S1, S2. Dentro de una unidad de cristal cónico de este tipo hay una transformación suave y constante de la estructura interna de las nanofibrillas, a través de haces de fibrillas a dominios en forma de placa/cuchilla de espesor a nanoescala pero extensión lateral a microescala.

Al investigar los datos EBSD de las unidades de cristal de calcita con más detalle, encontramos varios dominios de orientación dentro de ellos, que se muestran en colores azul y naranja en la Fig. 6a. Estos dominios están mutuamente relacionados por una relación de orientación gemela de 60° de rotación alrededor de los ejes c, es decir, alrededor de [001] (Fig. 6b). La frecuencia de estos gemelos se refleja en el pico prominente a 60° en el diagrama de distribución del ángulo de desorientación (Fig. 7a,b). La calcita dentro de cada dominio es monocristalina con una dispersión de mosaico de menos de 0,5° (Fig. 6c, d).

Cristales maclados e individuos/dominios maclados en conchas de Pulleniatina obliquiloculata. (a), (c) Medición de contraste de banda EBSD (dada en gris) obtenida en una sección transversal a través de la pared de la carcasa. En color en (a) y (c) están los individuos/dominios correspondientes de una unidad de cristal maclado en forma de cono. Los individuos/dominios gemelos se muestran con colores azul y naranja (a). Estos están mal orientados entre sí en 60 °, como lo demuestran los dos picos (flechas negra y roja en (b)) en el diagrama de ángulo de desorientación de frecuencia relativa en (b). Los dos picos en (b) son nítidos, por lo tanto, la desorientación de los cristalitos de calcita dentro de cada uno de los individuos/dominios gemelos es muy baja. (d): Se muestra para un individuo/dominio gemelo que la desorientación de los cristalitos de calcita está muy por debajo de 1°. Por lo tanto, la calcita dentro de cada individuo/dominio gemelo es monocristalina.

Las diferentes desorientaciones entre calcita dentro y entre unidades adyacentes en forma de cono en conchas de Pulleniatina obliquiloculata. (a) y (b) medición de contraste de banda EBSD (en gris) de una sección transversal a través de la pared de la carcasa con, para una unidad en forma de cono seleccionada (estrellas amarillas y magenta en (a) y (b)), modo de orientación gemela individual/dominio (cristales esbozados), figuras polares correspondientes, distribución de ángulos de desorientación y diagramas de distancia de desorientación. Las figuras polares y los últimos diagramas demuestran que la calcita de las unidades en forma de cono está maclada. Las unidades vecinas en forma de cono solo están mal orientadas entre sí (a). Los ejes c de calcita son siempre perpendiculares a la pared de la cáscara (flechas blancas y orientación de los cristales esbozados) y giran con la curvatura de la cáscara; vea el ligero cambio en la orientación del eje c de calcita de los cristales esbozados.

Sin embargo, las figuras polares de tales unidades de cristal en forma de cono maclado (estrella amarilla o magenta en la Fig. 7a,b) indican una orientación similar de los ejes c y a*, con los polos {104} rotados 60° alrededor del [001 ] eje entre los dos dominios (Fig. 7). Los dominios/individuos gemelos no están separados por un solo plano de interfaz, están fuertemente interdigitados dentro de una unidad en forma de cono (Fig. 6a, la unidad que se muestra en la Fig. 6a se indica con una estrella magenta en la Fig. 7b). A lo largo de un perfil de A a B que cruza estas interfaces, observamos cambios recurrentes entre 0° y 60° en el diagrama de distancia de desorientación (Fig. 7b). Encontramos, para este ejemplo en particular, 1,5 paredes gemelas por micrómetro, lo que equivale a 1 pared gemela cada 0,7 µm. En resumen, las figuras polares {001}, {100} y {104}, el pico prominente en la desorientación de 60° en el diagrama de ángulo de desorientación y la desorientación recurrente de 60° en el diagrama de distancia de desorientación indican inequívocamente que la calcita de las unidades cónicas está maclada polisintéticamente.

El eje c de calcita siempre es perpendicular a la superficie de la pared de la cámara y gira con la curvatura de la pared de la cámara (orientación del eje c de los cristales esbozados en la Fig. 7). Las unidades con forma de cono adyacentes están relacionadas por una pequeña inclinación relativa del eje c siguiendo la curvatura de la cubierta y ángulos aleatorios de rotación relativa alrededor de <001> (Fig. 7).

Los cortes tangenciales a través del caparazón permiten ver unidades en forma de cono (Figs. 8, S6). Bien observable es la morfología fractal-dendrítica irregular de las unidades en forma de cono (Fig. 8b), su gran variación en tamaño y su fuerte interdigitación (Fig. 8a,c). Es obvio que la relación de gemelos está dentro y no entre unidades adyacentes en forma de cono (diagramas de distancia de desorientación en las Figs. 8d, S6).

Vista tangencial de las unidades de cristal en forma de cono de Pulleniatina obliquiloculata. ( a ) y ( c ) Escaneos EBSD con codificación de colores para la orientación del cristal. Bien visible es la morfología dendrítica-fractal de los cristales en forma de cono (a), (b), (c). Tenga en cuenta la fuerte interdigitación de las entidades en forma de cono (a), (c). El diagrama de desorientación versus distancia (d) para el perfil A a B (c) demuestra que las unidades en forma de cono están mal orientadas entre sí por ángulos aleatorios y no están relacionadas entre sí por una relación de gemelos.

Un fenómeno único que distingue a los foraminíferos de otros invertebrados con exoesqueletos es que los foraminíferos extienden, en cada nuevo evento de formación de cámara, su citoplasma más allá de su esqueleto. El citoplasma de los foraminíferos es muy móvil, especialmente el citoplasma que llena las cámaras penúltima y última, que forma la envoltura orgánica de la cámara final y se extiende sobre la superficie externa de la cubierta. El citoplasma de los foraminíferos está siempre en movimiento bidireccional y asegura el intercambio y la comunicación entre los ambientes externo e interno22.

El citoplasma de los foraminíferos se diferencia en (1) un endoplasma compacto presente en las cámaras más viejas, (2) un endoplasma reticulado presente principalmente en la cámara final y (3) un ectoplasma rizopodial que define la parte más externa de la cámara final y cubre toda la superficie de la cubierta13 ,15. El ectoplasma rizopodial forma extensiones alargadas, los seudópodos. Los pseudopodios son proyecciones de las membranas de las células eucarióticas y consisten en redes de filamentos de actina21,23. En función de su forma se distinguen diferentes tipos de pseudópodos: lamelipodia, filopodia, reticulopodia y globopodia23,24,25.

La mineralización de la cubierta carbonatada de los foraminíferos es un proceso de múltiples etapas que es llevado a cabo y guiado por diferentes organizaciones seudopodiales21,26, sin embargo, siempre en combinación con controles fisiológicos específicos que se desarrollan en la calcificación activa27,28,29,30. La formación de la cámara comienza con la aparición de la protuberancia del citoplasma, el globopodio. El globopodio tiene una parte interna granular y compacta y una externa menos densa y translúcida31. Una matriz de hebras rizopodiales irradia desde la superficie de la protuberancia globopodial y forma una esfera exterior protectora31,32,33. La calcificación comienza en la periferia de la sección translúcida del globopodio dentro de una red de filamentos globopodiales/rizopodiales, el POS21,31,32,33. La etapa globopodial de formación de la cámara finaliza con la mineralización completa de los filamentos rizopodiales enriquecidos con actina.

Nuestro estudio muestra que las hebras globopodiales/rizopodiales del POS determinan muchas características estructurales de los primeros cristales secretados: tamaño, forma (Figs. 2, 5), orientación cristalográfica (Fig. 11) y presencia/ausencia del 60°. /[001] orientación gemela (Figs. 10, 11). Dentro de la red POS de P. obliquiloculata encontramos cristales en forma de fibrillas y bloques. Por lo tanto, la sustancia de biopolímero del POS es capaz de moldear los dos tipos principales de cristales que forman la cubierta: las nanofibrillas que comprenden las unidades macladas en forma de cono (Figs. 5, 6, 7) y los cristales en bloque que generalmente son no maclados (Figs. 2, S2).

Con la mineralización en curso, la deposición de cristales también ocurre en contacto directo con el POS. Por lo tanto, la plantilla orgánica que guía la nucleación y determina las características estructurales y cristalográficas de los primeros cristales se incrusta dentro del carbonato de la pared de la cubierta y queda sellada para un mayor intercambio con el entorno externo. Su función activa termina cuando se completa la etapa globopodial de formación de la concha.

Concomitante a la mineralización de la red rizopodial del POS, las hebras globopodiales se transforman en lamellipodia21. Estos últimos consisten en material de citoplasma y son laminillas reticuladas que recubren las superficies interna y externa de la cubierta21,31,32,33,34,35,36. Después de la mineralización de la red POS (etapa globopodial de formación de caparazón), el crecimiento adicional de cristales está mediado por lamellipodia (etapa lamelipodial de formación de caparazón). Banner et al.35 fueron de los primeros en destacar la importancia de los revestimientos orgánicos internos y externos para la determinación de la morfogénesis esquelética de los foraminíferos. Tyska et al.34 brindan un excelente resumen de la función, composición y naturaleza estructural de los revestimientos orgánicos de foraminíferos. Combinando los dos últimos estudios y nuestro trabajo, concluimos que las principales características estructurales de la calcita de foraminíferos están predeterminadas cuando la red POS se mineraliza. El mantenimiento de estas características estructurales durante el crecimiento de la pared de la concha en ambos lados del POS se sustenta a través de la función de los lamelipodios y por un aumento en el pH intracelular28,29,30 y una mejora de la sobresaturación (este estudio).

Los lamellipodia son dinámicos y activos23,31,34. Las Figuras 1, S3, S4 visualizan restos de sustancia orgánica que ocurren periódicamente dentro de la pared de la cubierta exterior. Para Rotaliida, en cada evento de formación de una nueva cámara se deposita una nueva capa de calcita sobre la superficie de todas las cámaras previamente formadas1,8. No vemos signos de nueva nucleación de cristales en esta etapa, sino más bien un crecimiento suave y continuo de los cristales preexistentes en toda la pared de la cubierta (Figs. 9, S8), desde el POS hasta las superficies exteriores de la cubierta. Al ser reticulada, la sustancia orgánica de los lamellipodia no es una barrera para la cristalización ni una plantilla adicional para la nucleación adicional; sirve como guía para una cristalización más suave. Si la cristalización se reanuda de nuevo, la fase mineral, la orientación del cristal y el tipo de nanoestructura se mantienen como estaban para los cristales que se secretaron durante los eventos de formación de cámaras anteriores. Esta es una característica de mineralización única y bastante distinta de lo que se observa, por ejemplo, en conchas de bivalvos o braquiópodos37,38,39. En este último, las membranas orgánicas son más bien divisiones entre biocristales adyacentes y capas de cubierta adyacentes con diferentes microestructuras37,38,39. Como en cada nueva formación de cámara se repiten las etapas de secreción globopodial y lamellipodial21,22,32,34, también se secretan nuevos lamelipodios externos e internos. Estos promueven el crecimiento continuo del tipo de cristales que se determinan para cada cámara una sola vez, y por las hebras rizopodiales del POS. Por lo tanto, la sustancia orgánica lamellipodial también dirige activamente la cristalización de carbonato de foraminíferos: guía la transferencia suave de características morfológicas y nanoestructurales durante el crecimiento del cristal hasta la superficie exterior de la cubierta. Todavía no se sabe si existe una diferencia en la composición química y/o las características estructurales entre los revestimientos lamelipodiales internos y externos34,36. La fuerte diferencia en la microestructura y las características cristalográficas de los cristales en los dos lados del POS apunta a alguna diferencia estructural/composicional de los lamelipodios internos y externos.

La transformación suave y constante de la morfología y el tamaño del cristal dentro de una unidad de cristal maclado en forma de cono; comenzando con las nanofibrillas dentro del POS (flechas rojas en (a)) y desarrollándose hasta los cristales grandes en forma de placa/cuchilla en las superficies de la cubierta exterior (b). (c) Las intercalaciones de sustancia orgánica relacionadas con ciclos de formación de cámaras sucesivas (líneas negras onduladas) no interrumpen la transformación constante de la forma y el tamaño del cristal, ni la característica de maclado de la calcita dentro de las unidades en forma de cono. (a), (b), (c) Imágenes BSE de una sección transversal sagital grabada a través de toda la pared de la concha de Pulleniatina obliquiloculata.

La orientación de los ejes cristalográficos es similar para los cristales depositados a lo largo de los dos lados del POS (Fig. 10b-e). Sin embargo, la fuerza de coorientación de los cristales es menor para la calcita en bloques que forma las capas de la capa interna que para la calcita de las capas de la capa externa (Fig. 10d,e). En este último, las unidades de calcita están fuertemente interdigitadas (Figs. 8a, c, 10b) y las unidades de cristal individuales tienen una estructura interna jerárquica (Fig. 4).

Características estructurales de cristales y ensamblajes de cristales en los dos lados del POS en conchas de Pulleniatina obliquiloculata. ( a ) Medición de contraste de banda EBSD, con la distribución de límites de grano de 60 ° superpuestos como líneas rojas. (b) y (e) mapas de orientación de cristal y (d) y (f) figuras polares correspondientes. Ilustración de las características estructurales de los cristales y las unidades de cristal en los dos lados del POS: (1) conjuntos de fibrillas a cristales laminares que están maclados (b) y (2) bloques, cristales que no están maclados (e). Los conjuntos de cristales de bloques y de fibrillas/placas fibrosas tienen una textura de orientación preferida similar (d, f); sin embargo, son diferentes en microestructura y fuerza de coorientación del cristal. Los cristales en bloques están coorientados un poco menos que los cristales fibrosos/laminares. Los ejes c de calcita son perpendiculares a la superficie de la cubierta tanto para los conjuntos de cristales en bloque como para los de fibrillas/placas (flechas blancas y negras en (b), (d), (e), (f)).

La morfología de la calcita de caparazón de foraminíferos rotalíidos (este estudio y Yin et al.18) es notablemente diferente de la de otros carbonatos biogénicos. En lugar de hojas de carbonato, listones, fibras, tabletas, prismas, columnas de moluscos o braquiópodos (Figs. S9, S10), los cristales de caparazón de foraminíferos rotalíidos muestran morfologías erráticas/irregulares con contornos dendríticos-fractales y una nano/microestructura interna específica. Es, además, notable cómo la nanoestructura mesocristalina interna se transforma suave y constantemente de una fibrilla a una placa/cuchilla durante el crecimiento del caparazón rotaliid (Fig. 9), una característica que está ampliamente ausente en la biomineralización de otros organismos marinos. Sin embargo, algo común con los braquiópodos y los moluscos es el hecho de que la orientación del eje c del carbonato es perpendicular a las superficies de los tejidos duros (Figs. 7, 10).

Las características estructurales mencionadas anteriormente indican que la calcita, especialmente los cristales que componen las capas externas de la capa, se forma a través del proceso de competencia por crecimiento.

Cuando la cristalización tiene lugar a través del crecimiento competitivo, muchos cristales nuclean cerca unos de otros en orientaciones aleatorias y, al crecer, compiten por el espacio40,41. Como la velocidad de crecimiento del cristal es anisotrópica, el desarrollo del crecimiento de los cristales es selectivo en cuanto a la orientación. La probabilidad de que un cristal diminuto/pequeño crezca hasta convertirse en entidades grandes disminuye con la salida del vector de crecimiento más rápido del cristal de una orientación normal a la plantilla de nucleación. El resultado del proceso de competencia de crecimiento es una fuerte disminución en el número de cristales a medida que uno se aleja del sustrato de nucleación, acompañado por un aumento en el tamaño del cristal y la generación de una fuerza de coorientación de cristal progresivamente más fuerte. En la competencia de crecimiento, solo aquellos cristales que tienen su eje de crecimiento más rápido perpendicular a la superficie de nucleación continúan creciendo desde el punto de nucleación hasta las superficies de la capa externa. Para la calcita, el eje de crecimiento más rápido es el eje c. Las Figuras 9 y S7 muestran ejemplos de formación de cristales obtenidos a través de la competencia de crecimiento y visualizan la diferencia en la microestructura de los cristales que tienen dendrita-fractal (P. obliquiloculata, Rotaliida, Fig. 9) y los cristales que tienen morfologías cristalinas regulares (Argonauta hians, Cephalopoda, Fig. S7).

La formación de caparazón a través de la competencia de crecimiento no solo se observa para Rotaliida. Se ha informado para la capa columnar de los caparazones de los braquiópodos37, para los caparazones de los cefalópodos42,43 y para las capas prismáticas de los bivalvos euheterodontes44. Las características estructurales para el crecimiento de la concha a través de la competencia de crecimiento son bien observables para la calcita de P. obliquiloculata, para la capa de la concha entre el POS y la superficie exterior de la concha. Vemos un aumento en el tamaño del cristal, la capa más externa de la capa de P. obliquiloculata está formada por cristales grandes. Estos se ensamblan en paralelo y tienen su orientación del eje c perpendicular a la superficie de la carcasa. No obstante, es muy importante tener en cuenta que para la calcita de P. obliquiloculata, la orientación preferida del eje c ya está presente después de la nucleación en el POS (Fig. 11). Esto apunta a la textura de orientación cristalográfica promovida también por la plantilla orgánica, en la primera cristalización.

Desarrollo de la fuerza de coorientación de los cristales desde las capas de la pared de la cubierta interna a la externa en una sección transversal a través de la pared de la cubierta de Pulleniatina obliquiloculata. (a)–(e) Las flechas blancas en las imágenes de medición de contraste de banda EBSD (en gris) indican la sección relevante de una unidad en forma de cono (en color) que se tomó como un subconjunto. Las figuras polares correspondientes, dadas en (a)–(e), muestran datos de orientación de cristal de estos subconjuntos únicamente. (a): parte de la pared de la carcasa en el POS y la sección de la carcasa que está formada por los cristales en bloque; (e): sección de la pared de la concha cerca y en la corteza. La fuerza de coorientación del cristal se da con el valor MUD. Encontramos: (1) un aumento en MUD, acompañado por una disminución en la cantidad de cristales desde el POS/cristales en bloque (a) hasta la corteza (e), (2) sin embargo, al mantener un patrón de textura similar/comparable para todos los subconjuntos. Esto indica que la orientación de los ejes cristalográficos de los cristales ya está determinada dentro del POS, por la red de polímeros del POS y que la textura de los cristales no solo está dada e iniciada por el proceso de crecimiento competitivo.

Cuando los cristales crecen a partir de una solución, la sobresaturación es la fuerza impulsora de la nucleación y el crecimiento45,46,47. A una sobresaturación alta, la nucleación es un evento muy rápido y catastrófico, que da como resultado numerosos núcleos orientados aleatoriamenteii45. De hecho, tenemos indicaciones de que la calcita de P. obliquiloculata se forma con una sobresaturación alta: (1) la formación de la capa es muy rápida; una nueva cámara se completa en aproximadamente 6 horas22,48, (2) los resultados fisiológicos apuntan a un aumento en el pH en la secreción mineral28,29,30, (3) encontramos una extensa formación de gemelos de crecimiento en y cerca del POS (Fig. 10 a).

Sobre la base del grado de sobresaturación, es posible definir regímenes de crecimiento de cristales; estos inducen diferencias en las morfologías de los cristales49,50. Cristales que se forman a baja sobresaturación y alta movilidad de iones en la superficie de crecimiento, desarrollan morfologías bien definidas y superficies racionales lisas. Un aumento de la sobresaturación y disminución de la movilidad iónica induce la formación de morfologías dendríticas, mientras que niveles muy altos de sobresaturación inducen la formación de esferulitas por acumulación de tensiones y nucleación secundaria50. Las morfologías de cristales dendríticos a esferulíticos se desarrollan en procesos de crecimiento difusivos y continuos50,51,52; procesos de crecimiento de cristales que son dominantes a alta sobresaturación. En analogía con 49,51,53, podemos concluir que las morfologías de los cristales dendríticos indican que los cristales de P. obliquiloculata se forman en condiciones de sobresaturación aumentada/alta y con movilidad superficial reducida.

El aumento del pH aumenta la sobresaturación de CaCO3 en la solución54. Se sabe que las oscilaciones en el pH hacen que el sistema de cristalización pase de estados de sobresaturación a estados de subsaturación, de disolución a pH bajo a precipitación rápida a pH alto51,52. Se informa un aumento en el pH intracelular de 7, 7,5 a 9 en la calcificación de la cubierta de foraminíferos30,48. Las condiciones de alto pH/alta sobresaturación conducen a la formación de morfologías de cristales dendríticos de calcita de caparazón de rotálido, así como a altas tasas de precipitación. La matriz orgánica en la que tiene lugar el crecimiento limita la movilidad de los iones a los canales a través de estos revestimientos orgánicos y reduce la movilidad de los iones en la superficie de crecimiento. Esto se traduce en la formación de nanofibrillas/nanoplacas de calcita y la morfología del cristal de microescala fractal. El proceso de crecimiento competitivo que lo acompaña asegura que de los muchos cristales que nuclean al comienzo de la mineralización de la cáscara (debido al alto pH, alta sobresaturación), solo unos pocos cristales crecen hasta convertirse en grandes entidades y tienen una orientación preferida de los ejes cristalográficos. Una orientación preferida de los ejes c perpendiculares a la superficie de la carcasa es importante para fines mecánicos. Como los cristales de calcita se escinden fácilmente en sus planos {104}, y la dirección del eje <001> o c forma el ángulo más grande posible con todos los planos de escisión {104}, se evita que las posibles grietas de escisión sean perpendiculares a la capa. Se desvían aún más en cada límite de grano de cristal hacia los cristales vecinos, que tienen orientaciones aleatorias alrededor del eje c. Por lo tanto, la textura axial/cilíndrica proporciona una buena solución para evitar la fractura de la cáscara por escisión de calcita.

Sobre la base de nuestra microestructura, los resultados de textura podemos deducir que la formación de calcita de P. obliquiloculata es el resultado de una combinación de (1) controles estrictamente biológicos y (2) fisicoquímicos generales, este último también encontrado en el mundo inorgánico. De Nooijer et al., Geerken et al.10,48 y Toyofuku et al.29 informan que el inicio de la formación de calcita es el resultado de un aumento del pH en el sitio de calcificación, provocado por el intercambio de Ca2+ por protones. La nucleación comienza dentro de la red rizopodial del POS. Las características cristalográficas y morfológicas de los primeros cristales formados están determinadas por las hebras de biopolímero del POS. Por lo tanto, la formación de primeros cristales está controlada principalmente por determinantes biológicos: (1) procesos fisiológicos que influyen en la nucleación y (2) el efecto de plantilla de la red de biopolímeros del POS. Continuación del crecimiento de los cristales de calcita, transmisión de características estructurales, como el tamaño del cristal, la forma, la orientación/desorientación, el patrón de maclas está, en gran medida, regulado por efectos físicos, termodinámicos y cinéticos: la condición de sobresaturación y el proceso de crecimiento competitivo. Por lo tanto, posterior a la mineralización del POS, la formación adicional de la pared de la cubierta está determinada principalmente por procesos físicos, sin embargo, también guiados por biopolímeros, los revestimientos lamelipodiales.

Además de las morfologías de cristales nanofibrilares y dendríticos-fractales, la alta acumulación de maclas de calcita 60°/[001] es la otra característica estructural sobresaliente que observamos para las conchas de P. obliquiloculata (Figs. 6, 7, 10a). Los cristales maclados tienen una microestructura nanofibrilar/nanoplatia; los ensamblajes de cristales en bloques rara vez se maclan.

Cuando se basa en la génesis, los gemelos se dividen en gemelos de crecimiento, transformación y deformación55,56,57. Las maclas se definen como un intercrecimiento regular de dos o más cristales/dominios de la misma fase, que están relacionados entre sí a través de una relación de orientación racional cristalográfica bien definida56. En un cristal maclado, la orientación de la red de un dominio (individuo gemelo) tiene una relación racional definida con la orientación cristalográfica del otro dominio (individuo gemelo).

Los gemelos en las conchas de P. obliquiloculata son gemelos de crecimiento; no son causados por deformación mecánica o transformación de fase. Los gemelos de crecimiento se forman por salidas de un estado estacionario durante el crecimiento, su formación ocurre bajo una sobresaturación aumentada55,56. Dado que el mayor grado de sobresaturación se produce antes o durante la nucleación, pueden formarse maclas de crecimiento en las primeras etapas del proceso de cristalización. Observamos que la mayor acumulación de límites de grano de 60°, lo que demuestra la formación de maclas de calcita de 60°/[001], se encuentran dentro o/y en el POS (Fig. 10a). La calcita de estas porciones de caparazón consiste en haces de nanofibrillas (Fig. 2). Por lo tanto, en su mayoría maclados en las conchas de P. obliquiloculata están los arreglos de nanofibrillas/nanoplacas. Por razones mecánicas, no es favorable formar toda la cubierta de fibrillas. Es bastante importante que los ejes c de la calcita se orienten perpendicularmente a la pared de la concha. El proceso de crecimiento competitivo regula esta última característica, inicia la formación de grandes unidades cristalinas altamente interconectadas con sus ejes c normales a la superficie de la cubierta.

En resumen, nuestro estudio estructural-cristalográfico de la calcita de P. obliquiloculata confirma el estado de pH elevado28,29,30 en la biomineralización de la calcita de los foraminíferos. La fuerte formación de maclas y las morfologías cristalinas altamente irregulares que prevalecen fuertemente indican condiciones de alta sobresaturación en la nucleación y la formación del primer cristal, especialmente, en la formación de los cristales de fibrillas. La diferencia distintiva en la forma del cristal en los dos lados del POS podría indicar diferencias en las condiciones de sobresaturación.

A pesar de décadas de investigación, todavía no existe un consenso general sobre el proceso o los procesos que conducen a la biomineralización de la concha de foraminíferos10,58,59,60,61. Se sugieren múltiples mecanismos: endocitosis del agua de mar, utilización de transportadores de iones transmembrana, formación de plantillas orgánicas específicas de iones, generación de espacio privilegiado junto con la actividad mitocondrial10. Como la sobresaturación y el pH se correlacionan positivamente con la cristalización de la solución53, al menos un proceso que conduce a la formación de calcita de foraminíferos, a saber, el aumento del pH en el sitio de la calcificación29,30,48, se sustenta ahora a partir de la cristalografía estructural (este estudio) como así como de observaciones, mediciones y conclusiones fisiológico-químicas28,48.

Si bien la orientación cristalográfica preferida de la calcita de foraminíferos rotalidos sigue patrones que se observan con frecuencia en otros biomateriales de carbonato y análogos biomiméticos62,63,64,65, las características nanoestructurales y microestructurales son únicas. Para P. obliquiloculata, Rotaliida, deducimos las siguientes conclusiones:

La concha de P. obliquiloculata está formada por dos tipos principales de mesocristales. Éstos difieren en tamaño, morfología y características cristalográficas: cristales en bloque, que alcanzan un tamaño de 10 μm, en la capa interna de la cubierta debajo del POS, y mesocristales fractales/dendríticos, que alcanzan decenas de micrómetros, con una estructura interna que evoluciona suavemente de nanofibrilar a laminar, en capas de capa exterior.

Dentro de la red de biopolímeros del POS que moldea la nucleación y el crecimiento del primer cristal encontramos ambos tipos de cristales.

La calcita nanofibrilar/nanoplatia/lamina de las capas de la cubierta exterior está fuertemente maclada, según la relación de macla 60°/[001].

La morfología dendrítica-fractal de los cristales y el hermanamiento fuertemente desarrollado indican condiciones de sobresaturación alta y pH alto en la nucleación del cristal y el crecimiento de la capa. Nuestros resultados estructurales apoyan las conclusiones de 28,30,48.

Los cristales, especialmente aquellos que forman secciones de la capa externa, se forman y crecen a través de la competencia de crecimiento.

Los ejes c de calcita son perpendiculares a las superficies de las paredes exteriores e interiores del caparazón y giran con la curvatura de la bóveda del caparazón. Esto último puede ser consecuencia del mecanismo de crecimiento competitivo. Sin embargo, la textura también puede promoverse ya en la etapa de nucleación por la plantilla orgánica del POS.

Dos determinantes conducen a la fabricación de calcita de caparazón de foraminíferos, un determinante principalmente biológico y otro principalmente físico.

Se obtuvieron especies de Pulleniatina obliquiloculata de trampas sedimentarias del Pacífico Oriental.

Para visualizar estructuras internas a pequeña escala y la presencia de material orgánico dentro de las conchas, se grabaron las secciones transversales de las conchas. Primero, se obtuvieron superficies planas cortando y puliendo las conchas con cuchillos de vidrio y diamante. Luego, las superficies planas se grabaron con un tampón HEPES 0,1 M (pH = 6,5) y soluciones de glutaraldehído al 2,5% durante 90 y 120 s, respectivamente. El grabado se terminó enjuagando las muestras tres veces en isopropanol al 100 % durante 10 s cada una. Posteriormente, las muestras se secaron en punto crítico y se recubrieron con 4–6 nm de Pt/Pd. Se tomaron imágenes SE y/o BSE a 4 kV, con un Hitachi SU5000 FE-SEM. Las imágenes presentadas en este estudio muestran contraste BSE. Las micrografías SEM se tomaron con un detector de retrodispersión Hitachi SU5000 y muestran contraste BSE (electrones retrodispersados). Véase también62,63.

Las conchas de foraminíferos se incrustaron en resina EPON de baja viscosidad y se cortaron y pulieron con cuchillas de vidrio, recorte y diamante en un ultramicrótomo. Los especímenes se orientaron con las aberturas primarias posicionadas hacia la cuchilla. Para las mediciones de EBSD, las muestras se recubrieron con 4–6 nm de carbono. Las mediciones se llevaron a cabo con un SEM de emisión de campo Hitachi SU5000, equipado con detectores Oxford EBSD y EDS.

Las mediciones de EBSD se realizaron con incrementos de paso entre 100 y 200 nm. La microestructura de calcita se muestra con mapas EBSD coloreados, donde los colores similares visualizan orientaciones similares del cristal, mientras que los diferentes colores indican diferencias en la orientación del cristal. El término textura se relaciona con las variedades de orientaciones de cristal dentro de un material y se da con figuras polares. Las mediciones de EBSD se realizaron en un Hitachi SU5000 FE-SEM equipado con un detector Nordlys II EBSD. Durante las mediciones, el SEM funcionó a 15 y 20 kV, dependiendo del tamaño de los cristalitos. Los datos fueron recolectados y evaluados usando los softwares Oxford Instruments AZTEC y CHANNEL 5 HKL. Las mediciones de EDS se llevaron a cabo con un detector de EDS OXFORD X-Max80 conectado a un Hitachi SU5000 FE-SEM.

Las microestructuras se presentan con mapas de medición de contraste de banda EBSD codificados por colores y en escala de grises y mapas de orientación EBSD codificados por colores. El código de colores se indica en la figura o se indica en el título de la figura correspondiente. En los mapas de orientación de los cristales, colores similares o distintos indican orientaciones de cristalitos similares o diferentes, respectivamente. Las imágenes de medición de contraste de banda representan la intensidad de la señal en cada punto de medición. La intensidad de la señal alta corresponde a los colores gris claro e indica una fuerte difracción en la red cristalina. Los colores grises u oscuros débiles son indicativos de sustancias que no difractan, por ejemplo, polímeros, o de una superposición de diminutos cristalitos que no se pueden resolver (indexar) automáticamente con el software EBSD.

La textura (orientación cristalográfica preferida) se presenta con figuras polares que dan datos de orientación o las distribuciones de densidad de estas.

Para las distribuciones de densidad, usamos la configuración más baja posible para la mitad del ancho y el tamaño del grupo en el software CHANNEL 5: un medio ancho de cinco y un tamaño de grupo de tres grados. El ancho medio controla la extensión de la dispersión de los polos sobre la superficie de la esfera de proyección, un grupo comprende datos con la misma orientación.

La fuerza de coorientación de los cristalitos de calcita (dada con valores MUD) dentro y entre los biocristales y las unidades de biocristales se deriva de las distribuciones de densidad de los datos EBSD medidos. El valor MUD (múltiplo de distribución uniforme (aleatoria)) se calcula con el software EBSD CHANNEL 5 de Oxford Instruments. Un MUD alto indica una alta fuerza de coorientación del cristal, mientras que los valores bajos de MUD reflejan una baja fuerza de la coorientación de la unidad de cristalita y/o mineral. Un MUD de 1 indica una distribución aleatoria y sin orientación preferida, un MUD superior a 700 documenta una coorientación casi perfecta; monocristalinidad62,63,64.

Se da una textura axial cuando los ejes c muestran coorientación (agrupados en la figura del polo alrededor de una sola dirección), mientras que los ejes a* correspondientes varían en orientación en un gran círculo perpendicular a la dirección del eje de la textura.

Describimos el fenómeno de la macla en la calcita biológica. El maclado es un intercrecimiento de dos cristales de la misma fase. Un cristal maclado consta de individuos maclados/dominios maclados. Los individuos/dominios de un cristal maclado tienen diferentes orientaciones; su relación de orientación se define cristalográficamente a través de una operación de espejo en un plano de red cristalográfica o rotación alrededor de un eje cristalográfico. Probamos una ley de gemelos específica con: (1) la presencia y el patrón de distribución de, para una ley de gemelos, límite de desorientación específico, (2) para un pico característico de ley de gemelos en el diagrama de distribución de ángulo de desorientación, y (3) figuras polares para la ley de los gemelos de la calcita que describimos. La calcita tiene cuatro leyes de gemelos y está hermanada en los planos de gemelos {001}, {012}, {018} y {104}, respectivamente. Como la relación de orientación de los cristales maclados tiene que relacionarse a través de una operación de espejo en un plano o rotación alrededor de un eje, por ejemplo, cuando se maclan de acuerdo con la ley de maclas {001}, lo común para los individuos gemelos/dominios gemelos son el c- y un *-orientaciones de los ejes. Por lo tanto, para los individuos gemelos/dominios gemelos, las orientaciones de los ejes c y a* tienen que ser similares, por lo tanto, los datos de orientación tienen que caer en el mismo lugar en las figuras polares de los ejes c y a*. Todas las características descritas anteriormente se pueden obtener de las mediciones de EBSD y deben cumplirse para la prueba definitiva de una relación de maclas entre cristales adyacentes.

Describimos en esta contribución (1) fibrillas de calcita, (2) ensamblajes de fibrillas a cristales en forma de gavilla, (3) fusión de cristales en forma de gavilla y, en una sección sagital a través de la pared de la cáscara, la formación de (4) cono -unidades/entidades de calcita en forma (Fig. S1). Mostramos, además, el desarrollo de fibrillas a cristales laminares de forma irregular (5) que unen las superficies de la capa exterior. Para la definición de los cristalitos, cristales y unidades de calcita mencionados anteriormente y la visualización de sus morfologías, consulte la Fig. S1. Una muestra de concha de P. obliquiloculata fue seccionada y pulida con un micrótomo en dos profundidades diferentes. Posteriormente, las superficies se grabaron, se secaron en el punto crítico y se tomaron imágenes con un SEM. Obtenemos en ambas secciones estructuras internas muy similares (Fig. S5). Por lo tanto, la naturaleza fibrilar a laminar de la calcita de P. obliquiloculata es una característica estructural única de este biomaterial.

La nucleación y el crecimiento de cristales de calcita y aragonito de foraminíferos de Rotaliida se producen en la red de biopolímeros de hebras de pseudópodos. Estos forman la denominada Hoja Orgánica Primaria, el POS.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el presente estudio están disponibles en el repositorio de ZENODO. Enlace web: https://zenodo.org/record/6655936#.YqxO5HZBxaQ; https://doi.org/10.5281/zelando.6655936 así como, previa solicitud, del autor correspondiente.

Gupta, BKS Foraminíferos modernos 361 (Kluwer Academic Publishers, 2002).

Google Académico

Debenay, J.-P., Guillou, J.-J., Redois, F. y Geslin, E. en Micropaleontología ambiental: la aplicación de microfósiles a la geología ambiental (ed. Martin, RE) Cap. 2, 39–67 (Springer, 2000).

Kucera, M. en Desarrollos en geología marina vol. 1 (eds. Hillaire-Marcel, C. & De Vernal, A.) Cap. 6, 213–262 (Elsevier, 2007).

Debenay, J.-P. & Guillou, J.-J. Transiciones ecológicas indicadas por ensamblajes de foraminíferos en ambientes paralicos. Estuarios 25, 1107-1120 (2002).

Artículo Google Académico

Caulle, C., Koho, KA, Mojtahid, M., Reichart, GJ y Jorissen, FJ Faunas de foraminíferos vivos (teñidos con rosa de Bengala) del norte del mar Arábigo: sucesión de fauna dentro y debajo de la OMZ. Biogeociencias 11, 1155–1175 (2014).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Lipps, JH Estructura de prueba en foraminíferos. año Rev. Microbiol. 27, 471–486 (1973).

Artículo CAS Google Académico

Hemleben, C., Bé, AWH, Anderson, OR & Tuntivate, S. Pruebe la morfología, las capas orgánicas y la formación de cámaras del foraminífero planctónico Globorotalia menardii (d'Orbigny). J. foraminíferos. Res. 7, 1–25 (1977).

Artículo Google Académico

Goldstein, ST Foraminifera: Una descripción biológica. En Foraminíferos modernos, cap. 3 (ed. Gupta, BKS) 37–55 (Springer, 1999).

Capítulo Google Académico

Erez, J. La fuente de iones para la biomineralización en foraminíferos y sus implicaciones para los proxies paleoceanográficos. Rev. Mineral. geoquímica 54, 115–149 (2003).

Artículo CAS Google Académico

de Nooijer, LJ, Spero, HJ, Erez, J., Bijma, J. & Reichart, GJ Biomineralización en foraminíferos perforados. Ciencias de la Tierra Rdo. 135, 48–58 (2014).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Hottinger, L. La ornamentación dependiente de la profundidad de algunos foraminíferos perforados laminares. Simbiosis 42, 141–151 (2006).

Google Académico

Gooday, AJ, Nomaki, H. & Kitazato, H. Foraminíferos bénticos de aguas profundas modernos: una breve revisión de su biodiversidad basada en la morfología y la diversidad trófica. Geol. soci. largo Especificaciones. publ. 303, 97–119 (2008).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Boltovskoy, D. & Correa, N. Biogeografía de Radiolaria Polycystina (Protista) en el océano mundial. prog. Oceanogr. 149, 82–105 (2016).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Takagi, H. et al. Caracterización de la fotosimbiosis en foraminíferos planctónicos modernos. Biogeociencias 16, 3377–3396 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Boltovskoy, E. & Wright, R. en Recent Foraminifera Ch. VII, 159–195 (Springer, 1976).

Boudagher-Fadel, MK Importancia bioestratigráfica y geológica de los foraminíferos planctónicos. 2, edición revisada (UCL Press, 2015).

Schiebel, R. Planktic foraminiferal sedimentation and the marine calcite balance. Biogeoquímica Global. Ciclos 16, 3-1–3-21 (2002).

Artículo Google Académico

Yin, X. et al. Patrones de orientación de cristales de calcita en las bicapas de caparazones laminados de foraminíferos rotálidos bénticos. J. Estructura. Biol. 213, 107707 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Baohua, L., Zhimin, J. & Pinxian, W. Pulleniatina obliquiloculata como indicador paleoceanográfico en la depresión del sur de Okinawa durante los últimos 20 000 años. Mar. Micropaleontol. 32, 59–69 (1997).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Qin, B., Li, T., Xiong, Z., Algeo, TJ y Jia, Q. Calcificación de foraminíferos planctónicos Pulleniatina obliquiloculata controlada por la temperatura del agua de mar en lugar de la acidificación del océano. Planeta Global. Cambio 193, 103256 (2020).

Artículo Google Académico

Tyszka, J. et al. Forma y función de la actina F durante la biomineralización reveladas a partir de experimentos en vivo en foraminíferos. proc. nacional Academia ciencia 116, 4111–4116 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Schiebel, R. & Hemleben, C. en Foraminíferos planctónicos en el océano moderno Cap. 3, 111–127 (Springer, 2017).

Small, JV, Stradal, T., Vignal, E. & Rottner, K. El lamelipodio: Donde comienza la motilidad. Tendencias Cell Biol. 12, 112–120 (2002).

Artículo CAS Google Académico

Golen, J., Tyszka, J., Bickmeyer, U. y Bijma, J. Gránulos marcados con actina SiR en foraminíferos: patrones, dinámica e hipótesis. Biogeociencias 17, 995–1011 (2020).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Bogitsh, BJ, Carter, CE & Oeltmann, TN Parasitología humana 4ª ed. (Prensa Académica, 2013).

Google Académico

Schiebel, R. & Hemleben, C. Foraminíferos planctónicos modernos. paleontol. L. 79, 135-148 (2005).

Artículo Google Académico

Nehrke, G. et al. Un nuevo modelo para la biomineralización y las firmas de elementos traza de las pruebas de foraminíferos. Biogeociencias 10, 6759–6767 (2013).

Artículo ADS CAS Google Académico

de Nooijer, LJ, Langer, G., Nehrke, G. & Bijma, J. Controles fisiológicos sobre la absorción de agua de mar y la calcificación en los foraminíferos bénticos Ammonia tepida. Biogeociencias 6, 2669–2675 (2009).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Toyofuku, T. et al. El bombeo de protones acompaña a la calcificación en los foraminíferos. Nat. común 8, 14145 (2017).

Artículo ADS CAS Google Académico

de Nooijer, LJ, Toyofuku, T. & Kitazato, H. Los foraminíferos promueven la calcificación elevando su pH intracelular. proc. nacional Academia ciencia 106, 15374–15378 (2009).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Nagai, Y., Uematsu, K., Wani, R. & Toyofuku, T. Lectura de la letra pequeña: ultramicroestructuras de calcificación de foraminíferos reveladas mediante microscopía de haz de iones enfocado. Frente. Ciencia de marzo. 5, 67 (2018).

Artículo Google Académico

Angell, RW El proceso de formación de cámaras en el foraminífero Rosalina floridana (Cushman). J. Protozool. 14, 566–574 (1967).

Artículo Google Académico

Angell, RW La estructura de prueba y la composición del foraminífero Rosalina floridana. J. Protozool. 14, 299–307 (1967).

Artículo Google Académico

Tyszka, J., Godos, K., Goleń, J. & Radmacher, W. Revestimientos orgánicos foraminíferos: desafíos funcionales y filogenéticos. Ciencias de la Tierra Rev. 220, 103726 (2021).

Artículo Google Académico

Banner, FT, Sheehan, R. & Williams, E. Los esqueletos orgánicos de los foraminíferos de rotaliina: una revisión. J. foraminíferos. Res. 3, 30–42 (1973).

Artículo Google Académico

Travis, JL, Kenealy, JF & Allen, RD Estudios sobre la motilidad de los foraminíferos. II. El citoesqueleto microtubular dinámico de la red reticulopodial de Allogromia laticollaris. J. Cell Biol. 97, 1668–1676 (1983).

Artículo CAS Google Académico

Simonet Roda, M. et al. La arquitectura de las conchas de braquiópodos recientes: diversidad de ensamblajes de biocristales y biopolímeros en conchas de rhynchonellide, terebratulide, thecideide y craniide. Mar Biol. 169, 52 (2022).

Artículo Google Académico

Peter, Nueva Jersey y col. Patrones de ensamblaje de biocristales, distribución de biopolímeros y relaciones de propiedades materiales en Mytilus galloprovincialis, Bivalvia y Haliotis glabra, Gastropoda, conchas. Materialia, aceptado (2023).

Crippa, G. et al. Patrones de orientación de microestructuras aragoníticas de láminas cruzadas, prismáticas fibrosas y miostracales de conchas de Glycymeris modernas. J. Estructura. Biol. 212, 107653 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Broughton, PL Implicaciones ambientales de los tejidos de crecimiento competitivo en carbonato estalactítico. En t. J. Speleol. 13, 31–41 (1983).

Artículo Google Académico

Dickson, JAD Diagramas de crecimiento de cristales como ayuda para interpretar las estructuras de los agregados de calcita. J. Sedimento. Res. 63, 1–17 (1993).

Google Académico

Checa, AG et al. El argonauta construye su caparazón a través de la autoorganización física y la actividad sensorial celular coordinada. iScience 24, 103288 (2021).

Artículo ADS CAS Google Académico

Stevens, K. et al. Biomineralización, desarrollo y geoquímica de Belemnite: la tribuna compleja de Neohibolites minimus. Paleogeogr. paleoclimatol. Paleoecólico. 468, 388–402 (2017).

Artículo Google Académico

Harper, EM & Checa, A. Control fisiológico versus control biológico en prismas de calcita bivalvos: Comparación de euheterodontes y pteriomorfos. Biol. Toro. 232, 19–29 (2017).

Artículo Google Académico

Henisch, HK Crystal Growth in Gels 111 (Dover Publications Inc, 1996).

Google Académico

Rodríguez-Hornedo, N. & Murphy, D. Importancia del control de la cinética y los mecanismos de cristalización en los sistemas farmacéuticos. J. Pharm. ciencia 88, 651–660 (1999).

Artículo Google Académico

Barrett, M., McNamara, M., Hao, H., Barrett, P. & Glennon, B. Seguimiento de supersaturación para el desarrollo, optimización y control de procesos de cristalización. química Ing. Res. Des. 88, 1108–1119 (2010).

Artículo CAS Google Académico

Geerken, E. et al. Las altas tasas de precipitación caracterizan la biomineralización en el foraminífero bentónico Ammonia beccarii. Geochim. Cosmoquim. Acta 318, 70–82 (2022).

Artículo ADS CAS Google Académico

Sunagawa, I. Características del crecimiento de cristales en la naturaleza visto desde la morfología de los cristales minerales. Toro. Mineral. 104, 81–87 (1981).

CAS Google Académico

Asenath-Smith, E., Li, HY, Keene, EC, Seh, ZW y Estroff, LA Crecimiento de cristales de carbonato de calcio en hidrogeles como modelo de biomineralización. Adv. Función Mate. 22, 2891–2914 (2012).

Artículo CAS Google Académico

Chernov, A. Cristalografía moderna III: crecimiento de cristales 247 (Springer, 2012).

Google Académico

Sunagawa, I. Cristales, morfología de crecimiento y perfección 350 (Cambridge University Press, 2007).

Google Académico

Tai, CY, Chang, M.-C., Wu, CK-K. & Lin, Y.-C. Interpretación de los datos de crecimiento de calcita utilizando el modelo de crecimiento de cristales de dos pasos. química Ing. ciencia 61, 5346–5354 (2006).

Artículo CAS Google Académico

Ruiz-Agudo, E., Putnis, CV, Rodríguez-Navarro, C. & Putnis, A. Efecto del pH sobre el crecimiento de calcita a relación constante aCa2+/aCO32− y sobresaturación. Geochim. Cosmoquim. Acta 75, 284–296 (2011).

Artículo ADS CAS Google Académico

Buerger, MJ La génesis de los cristales gemelos. Soy. Mineral. 30, 469–482 (1945).

CAS Google Académico

Hahn, T. & Klapper, H. Hermanamiento de cristales. En t. Tablas Crystallogr. D, 393–448 (2006).

Artículo Google Académico

Richards, RP Las cuatro leyes gemelas de la calcita y cómo reconocerlas. Minero de rocas. 74, 308–317 (1999).

Artículo Google Académico

Spero, HJ Examen ultraestructural de la morfogénesis y biomineralización de la cámara en los foraminíferos planctónicos Orbulina universa. Mar Biol. 99, 9–20 (1988).

Artículo Google Académico

Hemleben, C., Spindler, M. y Anderson, O Foraminíferos planctónicos modernos (Springer, 1989).

Bentov, S., Brownlee, C. & Erez, J. El papel de la endocitosis del agua de mar en el proceso de biomineralización en foraminíferos calcáreos. proc. nacional Academia ciencia 106, 21500–21504 (2009).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Nagai, Y. et al. Tejido del marco de biomineralización en foraminíferos Rotaliid: Implicaciones para proxies paleoceanográficos. Biogeociencias 15, 6773–6789 (2018).

Artículo ADS CAS Google Académico

Greiner, M. et al. La influencia combinada de las concentraciones de reactivos y la fuerza del hidrogel de agar en la formación de compuestos biomiméticos de hidrogel-calcita. cristal. Crecimiento Des. 18, 1401-1414 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Yin, X. et al. Influencia de los compuestos de gelatina-agarosa y Mg en la formación y arquitectura de agregados de hidrogel-carbonato. cristal. Crecimiento Des. 19, 5696–5715 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Griesshaber, E. et al. en Highlights in Applied Mineralogy (eds Heuss-Aßbichler, S., Amthauer, G. & John, M.) Cap. 12, 245–272 (De Gruyter, 2017).

Granasy, L. et al. Modelado de campo de fase de biomineralización en moluscos y corales: microestructura versus mecanismo de formación. JACS 1, 1014–1033 (2021).

CAS Google Académico

Descargar referencias

Agradecemos al Prof. H. Spero, Instituto de Ciencias Marinas y Costeras, Universidad de California en Davis, EE. UU., y al Dr. AD Russell, Departamento de Ciencias Planetarias y de la Tierra, Universidad de California en Davis, EE. UU., por los especímenes de Pulleniatina obliquiloculata. Muchas gracias a Heidemarie Gensler, Systematische Zoologie, Fakultät für Biologie, LMU Munich, Munich, Alemania por las posibilidades de preparación de muestras y ayuda en el laboratorio del Departamento de Biología II, LMU Munich. Agradecemos al Prof. E. Harper, Departamento de Ciencias de la Tierra, Universidad de Cambridge, Cambridge, Reino Unido, por la muestra de Hyotissa mcgintyi y al Dr. N. Lagos, Centro de Investigación e Innovación para el Cambio Climático, Santiago, Chile, por la muestra de Tegula atra.

Financiamiento de acceso abierto habilitado y organizado por Projekt DEAL. La financiación fue proporcionada por el Consejo Alemán de Investigación (Concesión No. GR9/1234 SCHM/930/11-2).

Centro de Investigación Jülich, Instituto de Investigación sobre Energía y Clima, IEK-2, 52425, Jülich, Alemania

J. Lastam

Departamento de Ciencias Ambientales y de la Tierra, Ludwig-Maximilians-University Munich, 80333, Munich, Alemania

E. Griesshaber, X. Yin y WW Schmahl

Instalación central de microscopía electrónica, Universidad de Ulm, 89081, Ulm, Alemania

U. Rupp y P. Walther

Centro de Instrumentación Científica, Universidad de Granada, 18071, Granada, Spain

I. Sánchez-Almazo

Biozentrum LMU Múnich, 82152, Planegg-Martinsried, Alemania

M.Hess

Departamento de Estratigrafía y Paleontología, Universidad de Granada, 18071, Granada, Spain

A. Checa

Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra, CSIC-Universidad de Granada, 18100, Armilla, Spain

A. Checa

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JL, EG, XY realizaron trabajos analíticos y de preparación de muestras. EG, JL y XY escribieron el manuscrito. UR, MH, PW contribuido a la preparación de muestras y trabajo analítico. ES UN. proporcionó las muestras, WWS y AC contribuyeron a la versión final del manuscrito. Todos los autores revisaron la versión final del manuscrito.

Correspondencia a E. Griesshaber.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Lastam, J., Griesshaber, E., Yin, X. et al. La única nano y microestructura fibrilar a laminar de calcita de caparazón de foraminíferos rotalíidos maclados. Informe científico 13, 2189 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25082-9

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Recibido: 24 mayo 2022

Aceptado: 24 de noviembre de 2022

Publicado: 07 febrero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25082-9

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