Dans les années récentes, les scientifiques ont dévoilé de nombreux secrets de la biominéralisation, le processus par lequel les oursins font pousser des épines, les mollusques construisent leurs coquilles et les coraux font leurs squelettes, sans parler de la façon dont les mammifères et autres animaux fabriquent des os et des dents.

Les matériaux que les animaux fabriquent de toutes pièces pour construire des coques de protection, dents acérées comme des rasoirs, les os porteurs et les épines en forme d'aiguille sont parmi les substances les plus dures et les plus durables connues. La recette pour fabriquer ces matériaux était l'un des secrets bien gardés de la nature, mais de nouveaux outils analytiques puissants et de nouveaux microscopes ont levé une grande partie du mystère, montrer, à l'échelle nanométrique, exactement comment un large éventail d'animaux utilisent précisément les mêmes mécanismes et produits chimiques de démarrage pour fabriquer les structures biominérales dont ils dépendent.

Maintenant, dans un rapport publié aujourd'hui (19 août 2019) dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ), une équipe dirigée par Pupa Gilbert, professeur de physique à l'Université du Wisconsin-Madison, montre que la recette pour faire des coquillages, épines, et les squelettes de corail sont non seulement les mêmes dans de nombreuses lignées animales modernes, mais il est ancien - remontant à 550 millions d'années - et a évolué indépendamment plus d'une fois.

Les résultats sont importants car ils aident à assembler un récit évolutif de la biominéralisation. L'image plus complète d'un processus omniprésent dans la vie animale sur notre planète nous dit non seulement quelque chose d'important sur notre monde, mais les détails pourraient un jour être exploités par les humains pour produire plus dur, briquet, matériaux plus durables; des outils qui n'ont jamais besoin d'être affûtés ; implants biomédicaux plus fidèles; et la possibilité d'une intervention humaine dans des choses comme la reconstruction des récifs coralliens du monde.

"La découverte que la biominéralisation a évolué indépendamment plusieurs fois, utilisant le même mécanisme, nous dit qu'il y a une forte raison physique ou chimique pour le faire, " dit Gilbert, un expert mondial du processus de biominéralisation. "Si un organisme commence à fabriquer son biominéral de cette façon, il surpasse tous les autres qui ne fabriquent pas de biominéral ou les fabriquent différemment, ça ne se mange pas, et transmet cette bonne idée dans la lignée."

Le nouveau PNAS rapport s'appuie sur une série de découvertes fondamentales par Gilbert et ses collègues. Dans les études antérieures, le physicien du Wisconsin a montré que le processus de biominéralisation fonctionne de la même manière dans des classes d'animaux très différentes, allant des mollusques comme l'ormeau, aux échinodermes comme les oursins, et aux cnidaires, un grand groupe d'animaux qui comprend des coraux, méduse, et les anémones de mer. Ces phylums, ou de larges groupes d'animaux, n'ont pas d'ancêtre commun qui était déjà biominéralisant, ainsi, ils doivent avoir développé des mécanismes de biominéralisation indépendamment. Par conséquent, Gilbert dit, "Il est extrêmement surprenant que lorsqu'ils ont commencé à se biominéraliser au Cambrien (il y a plus de 500 millions d'années), ces trois phylums aient commencé à le faire exactement de la même manière :en utilisant la fixation de nanoparticules amorphes."

« La biominéralisation illustre à la fois l'unité et la diversité de la nature, " explique Andrew Knoll, professeur d'histoire naturelle et de sciences de la Terre et des planètes à l'Université Harvard, et un co-auteur correspondant du nouveau rapport. "Les squelettes biominéralisés peuvent avoir évolué jusqu'à vingt fois chez les animaux seuls. Cela signifie qu'aucun de ces groupes biominéralisants ne partage un ancêtre commun qui, lui-même, façonné un squelette biominéralisé."

Gilbert et ses collègues ont montré que différents biominéraux se forment à partir de nanoparticules de carbonate de calcium amorphe, qui sont produits dans les cellules et sont le produit chimique de départ critique pour tous les matériaux qui se forment dans le processus de biominéralisation, que ce soit la nacre, ou nacre, qui tapisse une coquille d'ormeau ou les dents qui grincent des roches d'un oursin. "Plus d'un biominéral se forme par ces nanoparticules précurseurs amorphes, " dit Gilbert. " Peu importe qu'il s'agisse d'un spicule d'oursin, une dent, une colonne vertébrale, nacre, ou corail. Tous ces systèmes ont les mêmes précurseurs amorphes.

"Nanoparticules de carbonate de calcium amorphe, " ajoute Gilbert, "sont stabilisés en confinement, et de manière réversible. Ainsi, les cristaux ne nucléent pas et ne se développent pas au mauvais endroit et au mauvais moment, mais ils peuvent et font au bon endroit et au bon moment, C'est, sur la surface de croissance d'une coquille, un squelette de corail, une épine d'oursin."

La capacité de nombreux animaux à rendre dur, structures de protection ou défensives, dit Knoll, était probablement une réponse générale à l'évolution des carnivores, reflété dans une « explosion de biominéralisation » observée dans les fossiles de la période cambrienne, il y a 541 millions d'années.

Les particules microscopiques de carbonate de calcium produites dans les cellules animales sont les mêmes que celles qui forment des dépôts de « calcaire » dans les tuyaux et les appareils de plomberie. Chez un animal, il est transformé sur le site de biominéralisation en se fixant sur le site et en formant des cristaux dans lesquels des atomes individuels sont soigneusement alignés pour former un réseau, une sorte d'échafaudage pour toute structure qu'un animal est en train de construire. Le processus a été dévoilé par l'équipe de Gilbert à l'aide d'un nouveau microscope qui utilise les rayons X mous produits par le rayonnement synchrotron pour observer à l'échelle nanométrique comment les structures s'assemblent au fur et à mesure qu'elles se forment.

L'équipe de Gilbert a remonté le temps en appliquant les mêmes techniques pour sonder les archives fossiles profondes dans trois phylums distincts, ou de larges groupes d'animaux apparentés, remonter jusqu'à 550 millions d'années pour échantillonner le plus ancien biominéral animal connu :le squelette de Cloudina avec sa série caractéristique d'entonnoirs nichés les uns dans les autres.

Gilbert note que tandis que les restes d'animaux subissent des changements importants dans le processus de fossilisation, la signature de biominéralisation des nanoparticules reste intacte et est observée en craquant des fossiles ouverts et en utilisant un microscope électronique à balayage pour sonder le site de la fracture à la recherche de signes révélateurs de nanoparticules pendant le processus de cristallisation d'origine. "Nous avons remonté le temps le plus loin possible, aux tout premiers fossiles, et la biominéralisation par fixation de particules ressemble à celle des animaux modernes."

L'histoire de la biominéralisation dévoilée par Gilbert et ses collègues pourrait éclairer le développement de nouveaux matériaux utiles pour l'industrie.

"Nous ne savons pas comment faire en sorte que le carbonate de calcium amorphe ou tout autre matériau forme un solide remplissant l'espace et cristallise ensuite, mais les cellules des organismes marins le font, " explique Gilbert. " Ce que nous apprenons d'eux, nous pouvons reproduire en laboratoire et en industrie, et faire des matériaux qui sont bien meilleurs que la somme de leurs parties, comme le sont tous les biominéraux."