Nanoscale identification of organic pigments in biogenic calcite by atom probe tomography

في أعماق أصداف الكائنات البحرية وأشواك قنافذ البحر، يكمن عالم من الهندسة المعقدة التي لا تستطيع العين البشرية رؤيتها. هذه الهياكل الطبيعية، المعروفة باسم المعادن الحيوية (biominerals)، ليست مجرد صخور بسيطة؛ بل هي مركبات معقدة تنمو فيها بلورات غير عضوية صلبة جنباً إلى جنب مع جزيئات عضوية ناعمة مثل البروتينات والصبغات. لعقود من الزمن، أدرك العلماء أن هذه المكونات العضوية تعمل كنوع من البنية الداخلية، حيث توجه كيفية تشكل البلورات وتمنحها قوتها ولونها الفريدين. ومع ذلك، ظلت هناك فجوة كبيرة في معرفتنا: فبينما يمكننا رؤية الهيكل واسع النطاق لهذه المواد، فقد كافحنا لرسم خريطة دقيقة لمكان استقرار الجزيئات العضوية الصغيرة داخل الشبكة البلورية على مقياس النانومتر. وبدون هذه الخريطة ثلاثية الأبعاد، تظل العلاقة الدقيقة بين الكائن الحي والمعدن الذي يبنيه لغزاً غامضاً.

لقد اتخذ فريق من الباحثين الآن خطوة كبيرة نحو سد هذه الفجوة باستخدام أداة تصوير قوية تسمى "التصوير المقطعي بالمسبار الذري" (atom probe tomography) للنظر داخل الأشواك الأرجوانية لقنفذ بحر. هذا النوع، المعروف باسم Sphaerechinus granularis، يتميز بأشواك تكون بيضاء عند الأطراف ولكنها تتحول إلى اللون الأرجواني الداكن عند القاعدة. يأتي هذا اللون من جزيئات عضوية محددة تسمى "السبينوكرومات" (spinochromes)، والتي تُحبس داخل البلورة أثناء نموها. أراد العلماء معرفة كيفية ترتيب جزيئات الصبغة هذه بالضبط داخل المعدن وكيف تتفاعل مع الذرات المحيطة بها. وللقيام بذلك، كان عليهم التغلب على عقبة رئيسية: فعندما تتعرض هذه الجزيئات العضوية للمجالات الكهربائية الشديدة المطلوبة لتحليلها، فإنها تميل إلى التفكك إلى شظايا صغيرة، مما يجعل من الصعب تحديد ماهية الجزيء الأصلي.

ولحل هذا اللغز، أنشأ الباحثون أولاً بيئة اختبار محكومة؛ حيث قاموا بتنمية بلورات اصطناعية من كربونات الكالسيوم، وهي نفس المادة التي تتكون منها أشواك قنفذ البحر، وأضافوا إليها عمداً جزيئات الصبغة الأرجوانية. ومن خلال تحليل هذه العينات الاصطناعية جنباً إلى جنب مع أشواك قنفذ البحر الحقيقية، تمكنوا من مقارنة النتائج وتحديد أي الإشارات تأتي من الصبغة وأيها تأتي من المعدن نفسه. واكتشفوا أن اللون الأرجواني في قنفذ البحر ناتج بالفعل عن جزيء محدد يسمى "سبينوكروم A". وعندما حللوا الأشواك الحقيقية، وجدوا أن هذا الجزيء يتوزع بشكل متساوٍ عبر المناطق الأرجوانية، بدلاً من التكتل في بقع معزولة.

ومع ذلك، فإن الاكتشاف الأكثر أهمية يتعلق بكيفية تثبيت جزيئات الصبغة هذه في مكانها. فقد وجد الباحثون أن جزيئات "سبينوكروم A" لا تطفو عشوائياً داخل البلورة؛ بل ترتبط بقوة بذرات المغنيسيوم، وهو عنصر آخر موجود طبيعياً في شوكة قنفذ البحر. وباستخدام طريقة جديدة لتحليل البيانات تتبع الأيونات المكتشفة في نفس الوقت وفي قرب شديد من بعضها البعض، أظهر الفريق أن شظايا جزيء الصبغة وذرات المغنيسيوم تظهر معاً في كثير من الأحيان أكثر مما قد يحدث بمحض الصدفة. وهذا يشير إلى أن الصبغة ترتبط مباشرة بالمغنيسيوم داخل البنية البلورية. في المقابل، فإن العناصر الأخرى الموجودة في الشوكة، مثل الليثيوم، لا تظهر هذا الارتباط نفسه وتوجد في مناطق مختلفة، غالبيتها في الأطراف البيضاء غير الملونة للأشواك.

يُظهر هذا العمل أنه من الممكن تحديد جزيئات عضوية محددة داخل معدن صلب ورسم موقعها في ثلاثة أبعاد، حتى عندما تتفكك تلك الجزيئات أثناء التحليل. ومن خلال تطوير طرق جديدة لتصفية البيانات والبحث عن أنماط في كيفية ظهور الشظايا معاً، تمكن الباحثون من إعادة بناء وجود الصبغة وعلاقتها باللبنات الأساسية للمعدن. يقدم هذا النهج طريقة جديدة لفهم كيفية بناء الكائنات الحية لأجزائها الصلبة، مما يكشف عن المحادثات الكيميائية الخفية بين الجزيئات العضوية والبلورات غير العضوية التي تشكل العالم الطبيعي.