第1章生物中的矿物

生物中存在各种各样的生物矿化材料，从细菌中的磁性体到牡蛎、珊瑚、象牙、骨和牙齿，即从纳米尺寸到宏观世界，生物体中包括了一种新型化学机理，它将硬物质与软物质，无机与有机材料组合在一起。最近Ehrlic对于生物矿化产物的数量和品种进行了综述［1］，目前已经发现大约128 000种软体动物； 大约800种珊瑚； 5000多种海绵，其中包括525种玻璃海绵； 700 多种含钙的绿藻、红藻、褐藻； 300多种深海多孔虫类； 还有200 000多种硅藻［2］。这种在生命过程中构建以无机物为基础的结构过程称为生物矿化。简言之，生物矿化就是研究生物系统中沉积的无机固体的形成、结构和性能的科学。
生物矿化材料是指这种由生命系统参与合成的天然的生物陶瓷和生物高分子复合材料，如骨骼、牙齿、珍珠、贝壳和鹿角等。虽然组成生物矿化材料的主要无机成分均广泛存在于自然界中，甚至有的矿物质(如方解石、羟基磷灰石)从组成和结晶方式来看与岩石圈中相应的矿物都是相同的，但是一旦受控于这种特殊的生命过程，便具有常规的陶瓷不可比拟的优点，如高强度、高断裂韧性、优异的减震性能、很好的表面光洁度以及许多其他特殊的功能。这些不同寻常的性能来源于在特定生物条件下，材料的巧妙组装过程及其所具有的精细的微观结构。这便是生物矿化的魅力所在［3］。
生物矿物提供的不仅是结构支撑和力学强度，而且是一种器官。生物作为天然建筑师，所构建的生物矿物包含了许多重要的生物学功能，例如： 保护、运动、咬切和磨碎、给予浮力、光学、磁性、重力传感、储存等。大量事实证明，这种高级功能来源于特殊组织的进化，而且这种结构必须在体内作为整个肌体的一部分才能充分地发挥作用。
生物矿物生物矿物的研究始于20世纪20—30年代，这一时期德国、丹麦、瑞典的学者用偏光显微镜对生物矿物进行了系统的观察。第二次世界大战以后的50—60年代，欧洲和美国的学者借助于透射电镜和扫描电镜对生物矿物做了深入的研究，并且建立了有机基质的概念。70年代以来，随着各种微区分析技术的发展，人们可以利用各种不同的专门仪器，如红外-拉曼光谱仪、穆斯堡尔谱仪、核磁共振等，不仅探明了绝大部分门类的主要矿物结构和成分，而且将生物矿物的研究逐步提高到生物无机化学、细胞生物学、分子生物学乃至基因的水平。自1988年以来，我国化学家王夔院士和材料学家李恒德院士将生物矿化的概念介绍到国内后，国内的生物矿化研究开始逐渐形成规模，并且以很快的速度发展［4］。
1.1天然生物矿物的种类
生物矿化包括从周围环境中选择性吸取元素、并在严格的生物控制下将其组装成功能化的结构的过程，这一过程在生命科学中占有重要位置。根据化石记录的生物硬组织材料——如骨和贝壳——的形成过程显示，骨骼类硬组织在大约5亿7000万年以前通过生物矿化形成，从而导致生命和环境发生了根本性的变化。有证据表明，无机矿化过程中包含生物过程的现象，可以追溯到35亿年以前，而地球具有大约42亿年的历史。然而，这些结构只是偶然的化学结合的结果，而不是为某一特定功能而控制合成的无机固体材料［5］。
大约5亿年前，由碳酸钙、磷酸钙和硅石构成的贝类和骨骼的数量和种类在整个地球范围内突然增加，因此生物矿化在地球科学的很多领域占有重要的地位。如Ca、Fe、C、P、Si等元素通过复杂的途径，以某些包含了生物矿化在内的方式，已经循环了几百万年［6］。在地质学领域，生物矿化产物确实是一个大产业，许多生物矿物的结构作为化石保存了下来，如英国南海岸的白色岩石。这些沉积岩大约存在于2亿年以前比较温暖的浅海中，是单细胞有机物钙化的产物。
化石不仅记录了生物体的信息，而且保存了当地气候和当时海洋的化学状况。地质化学家能够以不同的方法获取这些信息。例如，通过测量化石贝壳中18O/16O同位素的比例，可以估计古代地球的温度。微量金属元素如Sr进入软体动物壳碳酸钙的量可以提供古代海水中盐成分的信息。
在生物器官的20~25种基本元素中，H、C、O、Mg、Si、P、S、Ca、Mn和Fe是70多种不同生物矿物的主要组成元素［6］。其中Ca具有特殊重要的意义，这不仅是由于它的广泛存在，而且也由于它是我们熟知的骨骼和贝壳的主要成分。非常有趣的是，羟基磷灰石是骨和牙的主要无机成分，非脊椎动物即软体动物的外壳由方解石和文石构成。为什么草蛇使用碳酸钙来支撑它的软组织但脊椎动物的骨却由磷酸钙构成，造成这一显著区别的原因至今未知。在这两种情况下，无机矿物都与有机大分子和有机基质密切相关，它们共同构成复杂的分级结构，这一点是生物矿化最基本的规律所在［7］，由此可以推测每种生物矿物都具有由其有机组织的进化状态决定的特殊化学、生物和力学性能［8］。
碳酸钙和磷酸钙矿物具有高的晶格能和低的溶解性，因此在生物环境中具有很好的热力学稳定性。相反，含水的相，例如草酸钙和硫酸钙，溶解性要大得多，因而并不广泛存在于生物中。一般来说，钙盐的析出提供了一个在生物环境中控制Ca2+离子浓度的意义，而生物细胞间的钙离子浓度约为107 mol/L。
生物矿物是在特定生物条件下形成的，从而具有特殊的高级结构和组装方式。表1.1列出了生物器官中存在的主要生物无机固体。不可溶的钙盐，例如碳酸盐和磷酸盐，存在于整个生物世界，许多种沉淀物用作支撑结构或者是特殊的硬组织，其中一些出现在动物的骨骼或其他坚硬部位［4］。


表1.1生物器官中存在的主要生物无机固体



化学式俗名实例密度
/(g/cm3) 硬度
/莫氏

CaCO3方解石乌龟壳、棘皮动物刺、珊瑚、海面刺2.173

CaCO3文石一些腕足动物、海洋生物、软体动物外壳2.933.5~4

CaMg(CO3)2白云石棘皮动物的牙2.853.5~4

MgCO3菱镁矿海绵的刺3.014

Ca5(PO4)3(OH)羟基磷灰石骨、牙、皮肤的小骨、幼年的软体动物骨3.1~3.25

SiO2(H2O)无定形水合硅海绵的刺20~225.5~6.5

CaF2萤石—3.184

CaSiO3硅灰石—2.95

(Ca, Na)(Al, Si)AlSi2O8斜长石—2.6~2.86

Ca2 (AlSi3O10)(OH)2葡萄石—2.96.5

DaAl2 SO2O7 (OH)2H2O硬柱石—3.18

1.1.1碳酸钙碳酸钙
自然界中有6种碳酸钙矿物具有相同的成分但不同的结构： 方解石(calcite)，文石(aragonite)，球文石(vaterite)，一水合碳酸钙(monohydrocalcite)，六水合碳酸钙
(hexahydrate-kaite)和无定型碳酸钙(amorphous calcium carbonate)［6］。在这些同素异构体中，方解石、文石和球文石均可作为生物矿物沉淀析出。文石为正交晶系结构，晶胞参数为a=0.494 nm，b＝0.794 nm，c=0.572 nm，Ca—O距离为0.25 nm。方解石为单斜晶系，晶胞参数为a=0.572 nm。α＝101.9°，Ca—O距离为0.237 nm。球文石是碳酸钙的亚稳晶型(metastable)，属于六方晶系，由于晶格中碳酸根离子团的位置不确定(无序移位)，存在两种结构描述方法： 第1种为P63空间群，晶格常数a＝b＝4.13 ，c＝8.48 ，α=β=90°，γ=120°，阳离子配位数为12； 第2种为Pbnm空间群，晶胞为原来的两倍大小，a＝4.13 ，b＝7.15  ，c＝8.48 ，α=β=γ=90°。图1.1给出了清华大学生物材料研究组在试验中观察到的几种比较常见的碳酸钙晶体以及非晶态碳酸钙。需要注意的是，镁离子经常存在于生物碳酸钙的晶格中，其含量可以高达30％。

图1.1
几种碳酸钙的形貌

(a) 方解石： CaCl2溶液中通过CO2扩散，或者直接滴加Na2CO3溶液，得到的菱状晶体； (b) 文石： 8 mm液面高度下，在CaCl2溶液中通过CO2扩散，在盖玻片表面获得，针状，一般认为是由针状晶体聚集成束； (c) 球文石： 使用天冬氨酸作为添加剂，CaCl2溶液中通过CO2扩散得到，球状晶体，一般认为由多个小胞按照滚雪球的方式堆积而成； (d) 无定形碳酸钙ACC： 不定形状，图中得到的是圆锥状，CaCl2溶液中通过CO2扩散时，在气液界面获得，一般情况下则为不规则形貌

腹足纲动物壳的珍珠层是由文石结构的碳酸钙组成。虽然在生物系统中形成的多数碳酸钙具有方解石或文石结构，但某些有机体却沉淀球文石，例如，文献［9］报道了鄂州珍珠除主要为霰石相外，还含有少量球方解石和石灰。文献［10］ 报道了在浙江雷甸淡水无光珠中发现球文石。最近的研究［11］表明，淡水珍珠中的球文石呈板片结构，出现概率较高，非常稳定。从数量、尺寸和形貌考虑，无光珍珠是研究天然球文石的良好取材。优质珍珠层中的文石呈等轴板片状，而球文石板片薄且形状不规则，板片如凸透镜一般中间厚，边缘薄，层间和层内板片间分界不清晰，见图1.2。XPS结果显示正常珍珠和无光珍珠中的微量元素种类和含量有些差别。纳米硬度结果显示，无光珍珠硬度较正常珍珠低，约为1.7 GPa，正常珍珠硬度为2~3 GPa。

图1.2
淡水无光珍珠中球文石板片结构的扫描电镜图(a)~(c)和三维结构示意图(d)   

球文石是碳酸钙的3种非水合晶体中热力学状态最不稳定的一种，在含水溶液中它会迅速转变成方解石或者文石。几种海绵的针也是由球文石构成的(大多数含钙，而海绵则含有富镁的方解石针)。针刺可能起结构支撑的作用或者防止食肉动物对它的危害。这种矿物也在鱼的内耳中发现，如鲤鱼的星耳石。
耳石是以碳酸钙为晶体构成的生物矿物，存在于鱼类的内耳中，起到了听觉和平衡系统的作用，目前主要用来鉴别鱼类年龄。近年来，建立鱼耳石与水环境联系成为国内外研究鱼耳石的热点。鱼耳石由星耳石、微耳石、矢耳石各一对组成。前人的研究工作表明，文石晶体是耳石中无机矿物的主要成分，在异常矿化的情况下，可能产生球文石晶体替代了文石晶体，球文石比文石更轻。清华大学生物材料研究组对于大量健康鲤鱼耳石进行了红外、拉曼光谱和微区X射线衍射分析，结果表明，星耳石中无机矿物为球文石晶体，微耳石和矢耳石中无机矿物组纯文石晶体，见图1.3。这表明，耳石中的球文石晶体是正常矿化得到的生物矿物。球文石是碳酸钙各种晶型中极不稳定的一种晶型，在生物体内很少发现，星耳石中的纯球文石是研究生物成因的球文石矿化机制的一种理想模型。

图1.3
鲤鱼耳石的拉曼光谱

(a) 微耳石和矢耳石； (b) 星耳石

非晶态碳酸钙沉淀在许多植物的叶子上，它的作用是储存钙。虽然这种材料在无机系统中非常不稳定，它会在含水溶液中迅速发生相变，但在生物矿物中似乎是稳定的，这一般是由于生物大分子(如聚糖)在固体表面的粘附。
碳酸盐生物矿物除了起结构支撑的作用之外，还具有一系列其他功能。陆地和海洋动物中方解石和文石也可用作重力传感器。这些装置(例如平衡石、内耳砂、耳石、耳泡)的作用方式类似于液体在半循环导管中的作用(探测角动量的变化)。例如在动物内耳中有成百的小方解石单晶体耳石构成惰性物质，人耳中的晶体是方解石，形状为纺锤形，位于一个特殊的膜上面，膜下是传感细胞。假如线性加速度变化，晶体物质相对于细胞的敏感的伸长导致一个电信号产生，并输送到大脑中进行调节。
方解石的另外一个作用是在三叶虫的生物的眼睛里作为透镜。这类动物是以化石的形式被发现的，看起来像巨大的虱子。采用X射线衍射的方法确定了角膜透镜的结构和组织： 眼睛由六方排列的方解石单晶组成。众所周知方解石单晶具有双倍折射白光的能力，因此三叶虫有可能一生看见的都是双影。但是，关于保存完好的三叶虫化石的研究表明，眼睛中的每个晶体都按照特殊的规律排列，以使唯一的无折射晶体c轴垂直于透镜表面，在这个方向上方解石晶体表现得像玻璃一样各向同性，形成一个单一的图像。生物体的独特控制能力在这个例子中表现得淋漓尽致，同样很好地证明了生物矿物的进化是基于结构、组织和功能的相互依赖。
Aizenberg首先从矿化生物材料的结构-功能关系角度出发，详细讨论了棘皮动物海蛇尾(ophiocoma wendtii)骨骼的光受体系统［12］。它具有明显的多重功能特性。海蛇尾是很敏感的光响应物种，它可以根据白天和黑夜，相应地改变身体的颜色，同时可以探测捕食者的阴影，从而迅速逃离危险。然而，海蛇尾是没有眼睛的。那么这一切是如何进行的呢？对复杂的碳酸钙方解石骨骼进行分析后显示，骨骼内存在有序的球形微结构排列，这些微结构具有双透镜的特性，见图1.4。光学刻蚀实验证明微结构透镜可将可见光聚焦到神经中枢系统，该神经束被认为是主要的光受体。通过构筑方解石单晶的上下表面和单晶取向，最大程度上减小相差以及双折射，微透镜达到了智能化的排列设计。此外，透镜排列是从角度选择为10°的方向探测光线，而发光系统也通过调节到达光受体的光通量，以适应此角度选择系统。这是多么精巧的生物系统啊！

图1.4
海蛇尾的外貌和支架结构

(a) 对光不敏感物种ophiocoma pumila白天(左)和夜间(右)没有颜色变化； (b) 对光敏感物种ophiocoma wendtii白天(左)和夜间(右)有显著的颜色变化； (c)  清除了有机组织的海蛇尾的背腕板(DAP)扫描图像； (d) DAP的横截面扫描图像显示典型的方解石结构(S)和外层的透镜结构(L)； (e) ophiocoma pumila的DAP外围层的扫描图像表明其没有透镜结构； (f) ophiocoma wendtii的DPA外围层的扫描图像表明其具有透镜结构； (g) ophiocoma wendtii中单个镜头横截面的高分辨扫描图［12］


1.1.2磷酸钙磷酸钙
生物矿化中最常见的是磷酸钙类，这些不同形式的磷酸钙与矿物中对应的磷酸钙基本相同。最常见的是磷灰石类，其代表为羟基磷灰石(hydroxylapatite，Ca10(PO4)6(OH)2，HA)，以下简称HA，它的氢氧根被氟离子取代，会形成氟磷灰石(Ca10(PO4)6F2)。骨和牙由磷酸钙组成，存在形式为HA与大量蛋白质共存。生物HA的结构非常复杂，多数情况下矿物的成分不纯，钙离子经常缺少，造成各元素非化学计量比，且碳酸根离子在各种晶格位点替代磷酸根离子，这一点造成这样一个事实： 尽管我们习惯称骨的矿物质为HA，而实际上它更多的是碳酸磷灰石。除羟基磷灰石之外，磷酸钙类还包括磷酸八钙(octacalcium phosphate，
Ca8H2(PO4)6·5H2O, OCP)、磷酸三钙(tricalcium phosphate，β-Ca3(PO4)2, β-TCP)、二水磷酸氢钙(brushite, calcium phosphate dihydrate，CaHPO4·2H2O, DCPD)等，不同的结构主要来源于钙磷的摩尔比以及PO3-4质子化、Ca2＋的羟基化的不同。这些不同的结构在不同条件下形成，且能互相转化(见图1.5)［6］。非晶磷酸钙则主要在骨和软骨矿化的早期阶段出现。

图1.5
几种磷酸钙的形貌

(a) 磷酸八钙(OCP)： 室温下PH6的过饱和溶液中结晶，晶体在空气中干燥，得到Ca/P为1.32的OCP晶体［13］； (b) α-磷酸三钙(α-TCP)： 将磷酸氢铵和碳酸钙在1150℃下混合，2 h后得到α-TCP晶体［14］； (c) β-磷酸三钙 (β-TCP)： 从日本Taihei Chemical Industries购买［15］； (d) 羟基磷灰石(HA)： 未烧结，由纳米晶体组成的近球体［16］； (e) 羟基磷灰石(HA)： 烧结，形成光滑表面［16］


骨骼作为一个典型的例子，最能反映无机物和生物无机物之间的巨大差别。骨骼中的磷酸钙——羟基磷灰石被认为是一种“活矿物”，因为它在内部信号(如怀孕期间)和外部力场(如重力)的作用下不断地生长、溶解、重构。骨骼的力学性能表明矿物不仅起结构支撑作用，而且能为保持体内平衡储存钙，并且在机体需要时提供钙。
骨骼的非化学计量性质造成这种钙化组织有压电反应。尽管准确的机理还不清楚，但压力刺激对骨骼矿物生长的作用早已为人所知［17］。骨含有一个分布在矿化结构中的细胞网，并且通过孔和管道相互连接。关于骨骼受压生长的一种可能解释是，这些骨细胞作为生物的“应力测量器”，对于压力的变化做出反应，对骨表面激发出化学或者电化学信号，激活另一套称为成骨细胞的细胞系统开始矿化过程。这套激活过程相当复杂，因为还存在另一类称为破骨细胞的细胞系统，它的任务是降解骨，它也对信号有反应。总之，这一过程难以想象的复杂，由大量生物化学触发剂(如血液中循环的荷尔蒙)控制，而且包含多种形式的反馈。
同骨骼类似，牙釉质的结构和组织
也源于一种高度复杂的设计系统，以便能适应各种特殊类型的应力［18］。牙釉质的组织很独特，包含长丝带状的羟基磷灰石晶体，在成熟组织中占了很大的质量分数(95％，骨中占65％)。晶体生长及牙齿成熟的过程是通过对有机组元的消耗来完成的。非常有意思的是，牙釉质初始的蛋白质含量很高，主要成分是成釉蛋白。在牙釉质形成过程中，随着矿物的成熟，蛋白质量减少，于是得到高矿物含量的牙釉质。位于内部的牙本质含有胶原，其结构和成分比牙釉质更类似于骨。齿科的保健是当今生活的重要问题之一，氟离子似乎在这一过程中起到重要的作用。许多地区在齿科健康方面不断提高，主要是由于在饮用水和牙膏中使用氟。氟离子可以进入羟基磷灰石晶格，进一步地稳定晶格，降低矿物相的溶解度，从而起到保护牙齿的效果。有趣的是，鱼牙的结构非常类似于牙釉质，但含有更多的氟，例如鲨鱼牙中氟的含量是人类牙釉质中的1000多倍。
在生物系统中还形成有限的草酸钙和硫酸钙。在许多植物中形成单水合草酸盐和双水合草酸盐，起着防虫，支撑和储存钙的作用。人体的泌尿系结石的主要成分为一水合草酸钙、二水合草酸钙和尿酸，也含有一定比例的三水草酸钙、羟基磷灰石、磷酸三钙、磷酸八钙、磷酸镁铵、尿酸钙和L-胱氨酸等。这些晶体物质因晶体形态、物相和微观结构的不同，又以不同的物质形式出现，因而结石的种类共计有20种以上。硫酸钙的沉积是植物代谢，储钙和储硫的一种有效手段，在海蜇幼体中，则起着平衡的作用。
1.1.3氧化铁氧化铁与硫化铁硫化铁
〖*4/5〗1.1.3.1氧化铁类




图1.6
 具有趋磁性细菌中的磁铁晶体的线性链结构［19］

在全世界的河流和池塘中都有一种令人惊异的小虫在地球磁场的操纵之中，即磁性细菌。这些磁性细菌体内有一个指南针，由不连续的晶体链组成。晶体是混合价化合物磁铁(Fe3O4)(图1.6)，晶体沿着地球磁场力的方向排列成链。科学家只需要一个小磁棒作为诱饵，就可在地球的淡水和海水中喂养这些磁性细菌。除了在地球的南北极之外，这些磁性细菌在北半球只需指南针朝北即可向下航行； 北半球发现的这种动物种类同样存在于南半球，具有类似的磁性晶体但是相反的磁极，只需指南针朝南，同样也可实现向下航行［19］。
上述磁性细菌中的Fe3O4是生物铁氧化物的一个突出代表。事实上，生物铁氧化物广泛分布，并且在生物体内起着不同的作用。生物铁氧化物常作为重要的无机补充物用于催化剂和磁性介质等方面，特别是化合物Fe3O4与生物体关系密切，研究表明在磁性细菌的活动中包含着大量分离的有取向的小晶体的合成，而这一过程包含Fe3O4的合成［20］。
在已知的磁性细菌中，磁性晶体不仅排成链状，而且具有与单磁畴相匹配的尺寸，否则系统就不能有效地作用。晶体的磁性取决于它们的形状和大小，假如它们是立方体，并且尺寸小于5 nm，那么由于粒子尺度太小就不能保持永久磁偶极。主要原因在于如此小的粒子拥有很大的比表面积，自然的结果就是大量铁原子在不稳定的表面聚集，原子的热震动使得排列好的原子旋转沿着晶格的不同方向偏转，进而改变磁极的取向。如果温度降低，或者引入一个强场，这种磁偶极的热混合磁场就会继承一个单一方向，称为超顺磁。假如粒子尺寸大于5 nm，或者粒子形状变成柱状，因为表面原子的相对数量降低，磁场就可以继承唯一的永久磁化方向，称为磁化轴。这是一种理想状态，单位体积上具有最大的磁。假如立方体粒子变得更大，比如大于10 nm，单磁粒子就会分成几个反平行的磁畴。细菌中的磁体全部都控制在一个严格的尺寸范围内，保持永久单磁畴［21］。
其他铁氧化物，如针铁矿和纤铁矿，沉积在一些软体动物的牙齿中。例如，普通的笠贝牙齿像锈色的马刀，其中就含有针铁矿； 石鳖的牙齿因为含有纤铁矿和磁铁矿而表现出磁性。另一种重要的分布很广的铁氧化物是氢氧化铁，它是一种褐色的胶状沉淀，能够储存蛋白——铁蛋白，构成一个由蛋白外壳包着的尺度约为5 nm的无机核心，这样就避免了生物体中的无机物生锈等各种问题，同时为不稳定的铁提供细胞的保护，避免各种有害的影响。铁蛋白在合成血红蛋白的过程中起着重要的作用。不同于前面介绍过的铁氧化物，氢氧化铁是一种具有较高溶解度的无序材料，可适于储铁，针铁矿和纤铁矿这类热力学很稳定的氧化物则不具有这种功能。
另一种重要的铁氧化物称为水铁矿(ferrihydrite，5Fe2O3·9H2O)，它是棕色的凝胶状析出物，向试管中的铁离子溶液中加入氢氧化钠，可以生成这种物质。储存铁的蛋白称为铁蛋白，含有大约30％(质量分数) 铁。在铁蛋白中铁以尺度为5 nm的水铁矿形式存在，周围由多肽包围。每个无机粒子都是在预先形成的空多肽壳中通过一个特殊的化学过程合成的，这一过程不仅提供高达4500个铁原子的铁的储存，而且也产生非聚合纳米粒子的溶胶。铁蛋白是铁氧化物的一种可溶解的形式，可被输送到不同的位置。有几种病，例如β-重型地中海贫血(贝类动物)，就与储存和输送铁以及铁的过剩有