Jak otwornice budują skorupki?

Otwornice to jednokomórkowce, których skorupki przybierać mogą niezwykle wymyślne kształty. Naukowcy – m.in. paleontolog prof. Jarosław Tyszka z Instytutu Nauk Geologicznych PAN, Ośrodka Badawczego w Krakowie – podejrzeli mechanizmy komórkowe, które sprawiają, że otwornice mogą w swoich kapsułowych mieszkaniach dobudowywać nowe „pokoje”. Badania, o ktorych można przeczytać w czasopiśmie PNAS, inspirują m.in. do tworzenia materiałów przyszłości.

skorupki

Psammophile/Wikimedia Commons

Żeby zbudować niewielką, cienką strukturę trójwymiarową o dowolnym kształcie, ludzie potrzebują np. drukarki 3D. A ona nie tylko jest nieprecyzyjna, nie każdy kształt wygodnie na niej wydrukować, ale i wymaga podgrzania materiału do wysokiej temperatury. Tymczasem jednokomórkowe organizmy wodne – otwornice – od setek milionów lat sprytnie radzą sobie z takimi zadaniami. Produkują swoje skorupki o niezwykle wymyślnych kształtach z precyzją rzędu mikrometrów, a w dodatku bez przetapiania materiału – w temperaturze otoczenia.

– Gdybyśmy zrozumieli, jak organizmy te precyzyjnie konstruują mikrostruktury, moglibyśmy wykorzystać je do tworzenia materiałów lub też urządzeń przyszłości – mówi paleontolog prof. Jarosław Tyszka z ING PAN, Ośrodka Badawczego w Krakowie, który bada otwornice.

Otwornice skolonizowały 70 proc. powierzchni Ziemi. Zamieszkują m.in. dna oceanów i mórz. Komórka otwornicy buduje skorupkę – wapienną lub sklejoną z ziaren piasku. Charakterystycznym elementem takiego szkieletu jest otwór lub liczne otworki (stąd nazwa tej grupy organizmów: otwornice). Przez dziurkę tę komórka ma kontakt ze światem zewnętrznym, a także wypuszcza nibynóżki, aby się poruszać, monitorować swoje otoczenie i zdobywać pokarm. Kiedy otwornica rośnie, potrzebne jest jej coraz większe mieszkanie. Do mniejszych komór skorupki dobudowuje większe, a do nich – jeszcze większe. Skorupki otwornic mierzyć mogą od 20 mikrometrów do 12 cm.

Różne gatunki otwornic mogą sobie organizować budowę domu na różne sposoby, dlatego różnorodność kształtów takich szkieletów jest powalająca. – Otwornice wpadły na wszelkie rozwiązania, jakie tylko możemy sobie wymyślić i zamodelować – uważa prof. Jarosław Tyszka. I dodaje, że organizmy miały na to sporo ewolucyjnego czasu – istnieją na Ziemi od ponad 500 mln lat.

Badania jego zespołu (w którego skład weszli jeszcze Niemcy, Polak z AGH i Holendrzy) dotyczące komórkowych mechanizmów budowania skorupek przez otwornice ukazały się w prestiżowym czasopiśmie PNAS (https://doi.org/10.1073/pnas.1810394116).

– Dotąd nie było wiadomo, jakie struktury molekularne odpowiadają za tworzenie tych kształtów. My pokazaliśmy, że udział ma w tym m.in. siateczka aktynowa. Tworzy ona dynamiczne matryce sterowane przez organizm. To za ich sprawą powstają kształty skorupek charakterystyczne dla danego gatunku – podsumowuje badania prof. Tyszka. Dodaje, że tworzenie takiej skorupki formowanej przez rusztowanie z cytoszkieletu aktynowego, udało się zaobserwować po raz pierwszy na żywym organizmie – maleńkiego architekta przyłapano więc na budowie swojego mieszkania.

Niektórzy naukowcy uważali, że otwornice wytwarzają skorupkę od razu na zewnątrz komórki, bez otulenia jej cytoplazmą (fragmentem komórki). – A nasze badania pokazują, że biomineralizacja zachodzi w obrębie komórki i kontrolowana jest przez nią dzięki aktynowym lamellipodiom. To cieniutkie wytarzane przez komórkę dywaniki, które otaczają miejsca biomineralizacji. To pod nimi tworzą się struktury mineralnego szkieletu – opowiada badacz.

Dodaje, że gdybyśmy potrafili odtworzyć takie organiczne dywaniki napędzane siateczką aktynową, bylibyśmy w stanie kontrolować powstawanie mikrostruktur nam potrzebnych. Wymienia, że dzięki temu można byłoby np. wytwarzać miniaturowe urządzenia czy np. superprecyzyjne rusztowania do zastosowań medycznych – np. regeneracji kości.

Prof. Tyszkę jednak – jako mikropaleontologa – otwornice interesują z trochę innych powodów. Szkielety otwornic żyjących dawno temu wchodzą w skład struktur geologicznych. Skorupki tych organizmów (ale nie tylko) tworzą chociażby kredę.

Skamieniałości otwornic to geologiczne „mikrokapsuły czasu”. Dzięki nim paleontolodzy mogą oszacować wiek danej warstwy geologicznej, mogą określić temperaturę mórz i oceanów oraz odtworzyć warunki klimatyczne, jakie panowały w przeszłości.

Badacz wyjaśnia, że w skałach naukowcy znajdują wiele skorupek źle ukształtowanych. Nie do końca wiadomo, skąd się te defekty w nich biorą. Może wpływ mają na to jakieś charakterystyczne warunki: obecność pewnych pierwiastków, zanieczyszczeń czy nadmierne zasolenie. Dzięki badaniom opublikowanym w PNAS (finansowanym w ramach grantu Narodowego Centrum Nauki), naukowcy zyskują narzędzia, aby na poziomie molekularnym badać, jak zmienia się praca małego budowniczego pod wpływem stresujących zmian środowiska. Być może dzięki temu uda się dokładniej oceniać warunki panujące w przeszłości na Ziemi w poszczególnych okresach.

 

© PAP – Nauka w Polsce, Ludwika Tomala/ ekr/ 
Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl