第1章 生物矿化
生命起源于矿物。在漫长的无生命时期，由于风、水和热的作用，形成了矿物质含量丰富的地表环境。始太古代时期，一些简单的单细胞生物的出现进一步改变了地表环境，随之而来的是具有矿化结构的硬体动物，也就是有了生物矿化这一自然行为。在生物进化中，大自然已经造就了各式各样奇特的无机结构，每种无机结构都带有它们物种特色的基因信息。这些生物矿化过程是生物从基因到蛋白质再到分子水平控制的*精巧的行为。因此，了解和掌握其中可能的物理化学机理，为进行生物硬组织（骨骼、牙齿等）修复和病理性矿化的预防治疗提供思路和方法。本章主要介绍生物矿化及其产物—生物矿物，重点介绍了碳酸钙和磷酸钙以及二氧化硅，然后简单阐述生物矿化的形式和调控方式。
1.1 生物矿化和生物矿物
1.1.1 生物矿化简介
生物矿化是自然界*常见的现象，从空间尺度上可以说是全球范围的，从时间尺度上可以追溯到生命的起源。地球有着45亿年左右的历史；化石记录的5亿年前的寒武纪就有了生物体内的矿化结构。从这一时期开始，生物体内的无机离子已开始参与到新陈代谢和结构的形成中。生物矿化的前缀“生物”表明无机离子在特定的物理化学环境中，由生物体中的生物大分子干预或调控，通过新的结晶途径形成矿化物。因此，矿物离子是以离子或其他结构形式参与生物体的形成、发育、生长，*后以死亡的形式又回到自然环境中。有证据表明[1]，一种名为Ralstonia metalliduras的微生物能将矿山中可溶性氯化金废液矿化形成金晶体颗粒。通过生物矿化这一过程，来源于地球的矿物元素转为生物本身新陈代谢所需的离子并成为支持、保护和维持生命运动结构的成分。但这一过程，仍然存在很多未解之谜。生物矿化不仅涉及生物体内生物矿物形成的时间和空间调控性及协调性，还与生物体结构的特殊性和稳定性及功能相关。
简单地讲，生物矿化是生物体生成无机矿物的过程。从物理化学角度，即使是在非常简单的无机盐溶液中，晶体的形成也至少分为成核和长大两个过程。首先，离子要克服表面能聚集成晶胚，即要具备足够高的反应能以阻止离子间相互离散。根据晶体成核理论，晶胚的大小尤为重要，它决定晶体能否继续长大成为稳定的晶核。而晶胚的大小受晶体的体系自由能、晶体与溶液之间的表面能以及整个体系的其他因素（如外来物质、温度和压力）影响。其次，大多数晶体各晶面的结构有差异，因此受界面能的影响，每个晶面的生长速度不同，从而导致晶体具有特定的结晶习性和晶体学特征。生物体内的环境相对复杂，细胞、细胞基质以及其他生理因素对矿化物的形成和结构都影响巨大。晶核的生长过程与其所处的物理化学环境相关，环境因素确保其成为发育良好的晶体的生长轨迹，包括晶体形貌、定向、晶胞常数和尺寸等方面。比如，人体中的羟基磷灰石（hydroxyapatite，HAP）在骨中是纳米片状，而在牙釉质中则是纳米棒状的。因此，具体地说，生物矿化是指生物体通过生物大分子的调控作用生成无机矿物的过程，与一般晶体矿化*大的不同在于它是生物在特定的部位，在一定的物理化学条件下，在生物有机物质（如细胞、有机基质）的参与、控制或影响下，将生物体内的无机离子转变为固相矿物的过程。这一过程中，时间和空间的控制以及晶体成核生长过程的精确调控，是人工合成无机矿物无法达到的。无论在任何情况下，生物体都具备一整套调控机制，通过蛋白质、激素和基因之间的信号传递和转录，以控制生物矿物的生成微环境，确保矿物在特定的部位形成特定形态和结构。
S.Mann把生物矿化过程分为4个阶段[2]，分别是：①生物体中大分子的组装，构建一个有组织的环境，以确定无机物的成核位点。②界面分子的识别，以控制晶体的成核和生长。分子的识别可以通过晶格几何特征、静电作用、立体构型和对称性以及基质形貌等各种途径调控无机物的晶型、取向和形貌。③通过生长调制，晶体初步组装形成亚单元；同时其形态、大小、取向和结构受有机分子组装体的控制。④细胞加工，在细胞参与下实现亚单元矿物组装体，构成多级有序的生物矿物。也有人提出了一个基于生物学中胚胎与生物矿化过程平行的假设，如图1.1所示。初始阶段，阳离子和阴离子结合形成晶核，进一步长大成无机矿物晶体；如同人体内精子和卵子结合产生胚胎，细胞分化增殖发育演变为器官。
从生物矿化的定义可以看出，其矿化过程也有别于非生物矿化；后者是地球科学家们的关注点。在大自然中，生物体在特殊地质环境中形成矿物的过程，被称为生物成矿[5]。尽管都是形成生物来源的矿物，但生物矿化是有生物体参与的，是生命过程中的一部分；而生物成矿是在地质环境中生物体形成矿物的过程。本书所讲的生物矿化是指前者，即生物矿化过程受到基因、细胞及生理环境的物理化学因素调控。该过程的特点是：①生物矿化的调控有三个层次，分别是基因调控、基质调控和细胞调控。②生物矿化过程是一个动态的过程。参与此过程的所有因素都可动态调控生物矿化产物的形成或者分解。③生物矿化过程是一个有机的整体。在生物体中，通过信号通路的作用，实现从分子到组织，从组织到分子的双向调控。
1.1.2 生物矿物
生物矿物（biomineral），不仅指生物体形成的矿化物，还指矿化形成的包含有机质和无机质的复合材料。在一定的条件下，生物矿物的物理化学性能如晶体形貌、尺寸、结晶度等与其对应的无机物不同。如骨中的HAP，一般由碳酸根取代，结晶度较低，而且是纳米尺度的。因此，生物体中的HAP与无机晶体中的HAP，在组成、结晶形态、结晶度和存在形式上差距很大。
由于生物矿化过程的物理化学条件不同，所以尽管生物矿物的基本组成相近，但种类颇多。目前已知的生物体内矿物有60多种。*为广泛的是碳酸盐和磷酸盐，以钙盐为主。碳酸钙主要构成无脊椎动物的外骨骼；磷酸钙主要构成脊椎动物的骨骼和牙齿。此外，人体内的很多病理性矿化也是以磷酸钙盐为主，比如动脉粥样硬化中的无机物，也有其他形式的盐存在，比如草酸盐。硅氧化物主要存在于植物中；而一些动物的大脑中，还存在一定量的含铁矿物。本节介绍碳酸钙、磷酸钙和二氧化硅。
1. 碳酸钙
生物矿化得到的碳酸盐如表1.1所示[6]。无论从产量还是分布来看，碳酸钙矿物是目前认为*丰富和*广泛的生物矿物。在已知的碳酸钙八种晶型中，有七种是结晶的，一种是无定形（非晶态）的。三种纯碳酸钙晶体分别是方解石晶型（六方晶系）、文石晶型（正交晶系）和球霰石晶型（六方晶系）。热力学*稳定的是方解石和文石，而且镁和锶离子易掺杂在方解石晶体结构中，一些生物矿化的方解石中镁的含量可高达30%（摩尔百分数）[7]。碳酸钙有两种含水分子的晶型：单水方解石和白铅矿，每个碳酸钙含有一个水分子。无定形碳酸钙至少有五种形式[8]，一般含有结晶水。但无定形碳酸钙的瞬态形式中也有不含水的结构[8]。这也和生物矿化的特性相关，不同生物或者同一生物的不同部位能选择性地矿化形成特定的矿化物。生物矿化领域的主要挑战之一就是了解生物系统选择性晶型形成的机制。无论采用何种方式矿化，生物矿物的成核和生长均由一种或者多种生物大分子调控，生物大分子存在于生物矿物形成的全过程。从本质上讲，这是基因控制的，几乎100%地保留了生物体的特征。
生物矿化碳酸钙可存在于不同类型动物的不同部位，其功能也具有多样性，如表1.2所示[2]。由表1.2可以看出，生物矿化碳酸钙普遍存在于水生动物，特别是海洋动物中。生物通过水中溶解的CO2及由此转化的 和 合成自身所需的生命物质。在生物体调节下，自然界丰富的钙离子和碳酸钙的热力学稳定性使得碳酸盐相互转化并沉积。同时也发现，即使是同种生物体，碳酸钙也有不同类型，如软体动物，其外壳有方解石和文石两种晶体。一般*外层是大的方解石晶体，内层是片状文石如“砖砌般”构成的有序珍珠层，如图1.2所示[10]。关于文石和珍珠层的形成，有多种推测，但一直没有定论。但在一种Astrangia danae珊瑚中，人们发现文石晶体由表皮细胞胞质中的囊泡包裹，囊内是0.7μm×0.1μm×0.3μm片状晶体和有机大分子[11]。囊泡通过胞吐分泌将胞内物质分泌至胞外空间并组装形成外骨骼。由此也可知，生物矿化晶体生长的部位可能不一定在其成核的原始位置上，而是有特定的晶体生长调控部位，这取决于晶核在传递过程中的生物调控。这些因素使得对生物矿化碳酸钙形成机理的探讨更显复杂。
大多数生物矿化碳酸钙都具有一些独*的结构。比如海洋藻类矿化的外壳具有一个长号角形的外形，海绵骨针则具有三个放射性的针，它们与其矿物组成方解石形态结构完全不同。软体动物外壳从外向内依次为未矿化的壳皮层（periostracum）、矿化的棱柱层和珍珠层，如图1.2（a）所示[9]。壳皮层是指覆盖于贝壳外表面的极薄的不溶性有机层，主要由外套膜中褶和外褶之间的壳皮沟分泌的蛋白质等有机质构成[12，13]。棱柱层通常是由大量平行排列的柱状方解石晶体构成，其横截面呈多边形，每个多边形的柱状晶体都被一层有机基质包围[10]。一般认为这些周围的有机基质是由于晶体逐渐长大被“挤压”形成的，其对晶体的生长具有重要的调控作用，如图1.3所示[14]。珍珠层的结构又有所不同，电镜下可以看到珍珠层由文石晶体板块（tablet）按层状紧密排列，单个的文石晶体板块厚0.4～0.5μm、宽5～10 μm，呈近六方体形[10]。板块结构间由有机基质填充，使得文石片层的排列非常紧密[15， 16]。日本科学家Oaki和Imai分析了日本珍珠牡蛎（Pinctada fucata）的珍珠层[14]，认为珍珠层具有至少三级的多级有序结构，两种定向排列方式。层状文石结构中的文石晶体宽1～5mm、厚200～700nm；进一步放大可以看到文石晶面上有些小物质存在。从图1.2（b）中还可以看到，纳米级文石晶体具有类六方的结构，高分辨率扫描电子显微镜（HRSEM）显示，其晶胞参数为0.423nm，与文石的（110）面一致。文石晶体在第一层次的层状结构（微米尺度组装）是文石晶体（纳米尺度组装）沿c轴垂直排列，第二层次是垂直排列的文石晶体有序堆砌，而且a轴和b轴也必须在第一层次定向排列。尽管有研究表明，a轴和b轴在这一层次中并不完全定向排列，但X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）则证实文石层是垂直于c轴的。第三层次的纳米单元（晶面组装）也是定向排列的。故珍珠层具有文石晶体两种定向排列方式的三级有序结构。文石晶体的这种“密缝式砌砖结构”与有机基质相配合，使得珍珠层抗断裂能力较单纯的文石晶体高出3个数量级，也使得珍珠层成为材料学研究的仿生构建的范例。
2. 磷酸钙
磷酸钙是生物体内*重要的无机盐，也是生物矿化*重要的产物。生物体内硬组织牙和骨的形成、再矿化和溶解过程不仅与复杂的各种生物组分有关，也与形成的磷酸钙的种类及结构有关。在生物医学领域，由于其良好的生物相容性，
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