Biomineralizzazione della silice: i radiolari

La biomineralizzazione è un processo molto importante negli organismi marini; una certa percentuale di questi processi coinvolge la silice per la biocostruzione di strutture anatomiche, come per i radiolari.

Radiolaria Haeckel — *Figura 1 – Radiolari disegnati da Ernst Haeckel, tratto dal volume “Kunstformen der Natur” [Ernst Haeckel]*

Parliamo di biomineralizzazione

La biomineralizzazione è un processo estremamente comune negli organismi dove si ha la costruzione di strutture anatomiche interne o esterne a partire da elementi inorganici. Esistono oltre 60 diversi minerali che vengono impiegati da organismi appartenenti a tutti i regni: carbonato di calcio, silice e ossidi di ferro sono solo alcuni degli esempi più studiati e più interessanti. In base alla tipologia di controllo che ha l’organismo sul processo, possiamo suddividere la biomineralizzazione in due macrocategorie:

Mineralizzazione biologicamente indotta (BIM): l’organismo crea le condizioni affinché avvenga la precipitazione del minerale ma non è in grado di controllarne sviluppo e morfologia
Mineralizzazione biologicamente controllata (BCM): l’organismo crea le condizioni affinché avvenga la precipitazione del minerale in maniera finemente regolata e secondo una certa gerarchia nel tempo e nello spazio, grazie a molecole biologiche

Mentre i materiali di sintesi prodotti dall’uomo richiedono elevate temperatura e pressione, i biominerali sono prodotti in condizioni ambientali normali. Solitamente l’80% dei biominerali ha una struttura cristallina, mentre il resto ha una struttura amorfa. Struttura e composizione riflettono la funzione che andranno ad assolvere nell’organismo. Ad esempio, la magnetite (Fe₃O₄) prodotta da alcuni batteri, è strutturata in cristalli ben allineati per mantenere un dipolo; questo permettere loro di percepire il campo magnetico terrestre.

Radiolaria scheletri — *Figura 2 – L’elevata diversità e complessità degli scheletri dei radiolari [Frank Fox]*

Biomineralizzazione della silice nei radiolari

I radiolari sono protozoi planctonici (ex phylum Sarcomastigophora) racchiusi da uno scheletro biomineralizzato dalle forme particolari e complesse. I minerali impiegati sono due: celestite (un solfato di stronzio, usato solo dalla classe Acantharea) e silice organica. Secondo alcuni i primi a comparire sarebbero state le forme con scheletro di solfato di stronzio, seguite dalle forme con scheletro in biosilice; esistono però forme intermedie, la cui fase adulta possiede uno scheletro siliceo e quella non ancora sviluppata uno scheletro in solfato di stronzio.

La formazione degli scheletri in silice parte da piccole sferette di biossido di silicio (SiO₂), che ne costituiscono l’unità fondamentale. Si ha una precisa localizzazione spaziale che è data da una matrice organica, la quale funge da stampo per la deposizione della biosilice. Il risultato finale del processo di biomineralizzazione è quindi legato alle interazioni tra queste due componenti, organica ed inorganica. La silice acquisita dall’acqua di mare passa da una forma disciolta (acido ortosilicico, H₄SiO₄) ad una forma colloidale data dal biossido di silicio; all’aumentare della polimerizzazione del biossido (aumento del rapporto SiO₂:H₂O) aumenta anche rigidità del gel che si forma. Ciò avviene sotto il controllo dell’apparato di Golgi, che impedisce la completa cristallizzazione del biossido di silicio.

Livelli strutturali di organizzazione nei Radiolari

La biomineralizzazione dello scheletro dei radiolari è un processo che segue una precisa gerarchia, dove possiamo individuare cinque livelli strutturali:

Molecolare: Determinato dalle caratteristiche atomiche di Si e O e dai loro legami
Nano-livello: Qui osserviamo la formazione delle unità di biosilice, come un sol di acido ortosilicico polimerizzato organizzato in micelle, in grado di accrescersi in dimensioni e complessità strutturale
Ultra-livello: A questo livello inizia la formazione dello scheletro vero e proprio, quando il colloide ha una dimensione tale da creare un unico strato da 3-6 nm; si formano i globuli primari di silice opalina su delle placche esagonali formate dalla matrice organica che rappresentano l’architettura dello scheletro
Micro-livello: Abbiamo la formazione degli elementi morfologici accessori, impiegati come descrittori tassonomici nell’identificazione delle specie
Macro-livello: Rappresenta l’intero scheletro dell’organismo-cellula

La formazione dello scheletro siliceo parte con la formazione delle unità globulari di biosilice opalina, a partire dalle suddette placche esagonali della matrice organica; questi unità sono state definite “E”. Successivamente è stato osservato come queste unità si assemblino in ultrastrutture di dimensioni maggiori, chiamate “D”; in questa fase inizia il processo di formazione del gel vero e proprio. A seguire si formano unità di dimensioni maggiori, indicate con “C”. Tali unità si aggregano in unità ultrastrutturali “B” che hanno una forma esagonale e una dimensione superiore al μm. L’ultrastruttura si completa con gli elementi “A”, gerarchicamente e dimensionalmente superiori a tutti gli altri.

Ultrastruttura biomineralizzazione silice — *Figura 4 – Struttura gerarchica delle componenti B, C, D ed E [da Afasineva&Amon, 2013]*

Studio dei radiolari

Lo studio della biomineralizzazione dei radiolari è fondamentale per capire il clima passato del nostro pianeta, proprio grazie ai loro scheletri silicei: alla loro morte i loro scheletri si depositano sul fondale, formando fanghi silicei e poi rocce silicee sedimentarie; lo studio della loro evoluzione è strettamente legato allo studio della stratigrafia di queste componenti geologiche dei fondali, ed entrambi sono importanti finestre sul paleoclima e sulla paleoceanografia del nostro pianeta. La presenza o assenza di questi fanghi infatti può riflettere situazioni di upwelling, indicandoci che il tratto di mare sopra ad un certo fondale, in ere passate, ospitava una ricca comunità e una elevata produzione primaria; prima della loro applicazione agli studi della produzione primaria nel tempo, sono stati usati (e sono ancora usati) come organismi indicatori per lo studio dei cambiamenti climatici e nella datazione con metodi bio-stratrigrafici di sedimenti del Cenozoico o addirittura anteriori ad esso.