mini|Foraminiferen von einem Strand in Myanmar als Beispiel für rezente Biomineralisation Biomineralisation ist ein Vorgang, bei dem als Folge der Lebenstätigkeit von Organismen mineralische Produkte (Biominerale) entstehen. Die Fähigkeit zur Biomineralisation ist annähernd so alt wie das Leben auf der Erde (mit den ersten Prokaryoten im Archaikum entstanden) und unterliegt einem ebenso langen Evolutionsprozess. Die damit verbundene laufende Optimierung der Mineralisationsvorgänge hat zu Ergebnissen geführt, die zunehmend auch für die Wissenschaft und Technik interessant werden (Bionik).
Die Biomineralisation kann in die folgenden drei Grundtypen unterteilt werden: Fällungs- und Oxidationsreaktionen, Reaktionen, bei denen perfekt kristallisierte Minerale erzeugt werden sowie Reaktionen, die zu „Verbundwerkstoffen“ führen. Dem zuletzt genannten Reaktionstyp wird allgemein die größte Aufmerksamkeit geschenkt, so dass man ihn als „Biomineralisation im engeren Sinne“ bezeichnen kann.
Fällungs- und Oxidationsreaktionen Hierbei handelt es sich um vergleichsweise einfache Reaktionen, in denen gelöste Stoffe durch die Stoffwechseltätigkeit von Mikroorganismen in ungelöste Substanzen überführt werden.
Ausfällung von Kalk (Bildung von Stromatolithen) mini|Rezente Stromatolithen in Exuma (Bahamas). Die ältesten Stromatolithen sind vor ca. 3,5 Milliarden Jahren von Cyanobakterien gebildet worden und zählen somit zu den ältesten Zeugnissen des Lebens auf der Erde. Als autotrophe Organismen verbrauchen sie Kohlenstoffdioxid und fällen dadurch nach der folgenden Reaktion Calciumcarbonat aus:
Ca^{2}+ + 2HCO3- -> CaCO3 + CO2 + H2O
Dadurch bilden sich kissen- oder knollenförmige Kalkablagerungen, zu deren Wachstum auch ton- und schluffartige Sedimente beitragen. Für die Organismen liegt der Vorteil dieser Art von Biomineralisation wahrscheinlich darin, dass auf diesem Wege eine feste Grundlage entsteht, auf der sie sich als „Biomatten“ auch unter widrigen Wetterbedingungen halten können.
Ausfällung von Eisen(III)-oxidhydrat (FeO(OH)) mini|Vererzte Exemplare von Gallionella ferruginea im Korrosionsprodukt einer Graugussleitung für Trinkwasser, Bildausschnitt: 1,7 × 2,5 mm In einem Milieu, in dem die Oxidation gelöster Eisen(II)-ionen auf rein chemischem Wege langsam erfolgt, können einige Mikroorganismen die Oxidation der Eisenionen durch Sauerstoff oder Nitrat beschleunigen. Die Oxidation mit Nitrat verläuft nach der folgenden Reaktionsgleichung:
10Fe^{2}+ + 2NO3- + 14H2O -> 10FeO(OH) + N2 + 18H+
Das Eisen(III)-oxidhydrat lagert sich an den Strukturen der Mikroorganismen ab, ein Vorgang, der „Vererzung“ genannt wird. Als chemoautotrophe Bakterien gewinnen die beteiligten Organismen damit die zur Aufrechterhaltung ihrer Lebensprozesse erforderliche Energie. Ablagerungen von Eisen(III)-oxid und -oxidhydrat sind in der Natur häufig anzutreffen. Dabei kann es sich um Produkte der Biomineralisation handeln. Der Nachweis, dass dies im Einzelfall zutrifft, ist jedoch schwierig zu führen, weil Eisen(II)-ionen unter günstigen Bedingungen auch ohne Mithilfe von Mikroorganismen oxidiert werden können. In Einzelfällen ist jedoch die Struktur der vererzten Mikroorganismen – wie das Bild „Vererzte Exemplare von Gallionella ferruginea…“ zeigt, so deutlich erkennbar, dass an der Biomineralisation in diesem Falle kein Zweifel besteht.
Durch die Tätigkeit Sauerstoff freisetzender Mikroorganismen sind auch die Bändereisenerze entstanden.
Ausfällung von Mangan(IV)-oxid mini|Mangan(IV)-oxid, 2 × 3 mm, entstanden als Biofilm auf Quarzkies im Entmanganungsfilter eines Wasserwerks (Schrumpfungsrisse beim Trocknen) Mangan(II)-ionen können nur mit Sauerstoff zu Mangan(IV)-oxid oxidiert werden:
2Mn^{2}+ + O2 + 2H2O -> 2MnO2 + 4H+
Die Energieausbeute dieser Reaktion ist so niedrig, dass sie zur Aufrechterhaltung der Lebensprozesse nicht ausreicht. Das Mangan(IV)-oxid ist jedoch ein gutes Adsorptionsmittel für Nährstoffe, die sich dadurch in unmittelbarer Nähe der Organismen anreichern. Dadurch entsteht für die Mikroorganismen ein indirekter Nutzen. Spektakuläre Ergebnisse der Biomineralisation von Mangan(IV)-oxid sind die Manganknollen.
Die Ausfällung von Mangan(IV)-oxid durch Mikroorganismen ist die preiswerteste und gleichzeitig effektivste Möglichkeit, im Rahmen der Trinkwasseraufbereitung in Wasserwerken gelöstes Mangan zu eliminieren.
Abscheidung von Pyrit und Markasit mini|Pyrit, framboidal, 0,9 × 1,2 mm, entstanden in fossilem Holz in einem Grundwasserleiter im Stadtgebiet von Hannover In Grundwasserleitern, die fossile organische Substanz enthalten, können Mikroorganismen Sulfat reduzieren. Bei Gegenwart von Eisen(II)-ionen können dabei Eisendisulfide (Markasit, Pyrit) gebildet werden. Diese Reaktion läuft mit sehr geringer Geschwindigkeit ab (Halbwertszeit: ca. 76 bis 100 Jahre). Die folgende Reaktionsgleichung soll diese Art der Biomineralisation verdeutlichen:
4SO4^{2}- + 7C + 4H+ + 2Fe^{2}+ -> 2FeS2 + 7CO2 + 2H2O Reduktionsmittel ist der Zellulose-Anteil in der fossilen organischen Substanz, hier vereinfacht als Kohlenstoff (C) wiedergegeben. Bei dieser Reaktion entstehen schlecht kristallisierte Produkte (z. B. „framboidaler Pyrit“). Die beteiligten Mikroorganismen gewinnen mit der Sulfatreduktion die Energie für ihre Lebensprozesse. Die Abscheidung von Markasit bzw. Pyrit ist eine wichtige Teilreaktion bei den Selbstreinigungsprozessen in Grundwasserleitern, die fossile organische Substanz enthalten.
Reaktionen, bei denen perfekt kristallisierte Minerale erzeugt werden
Eis Eis gilt als Mineral mit vergleichsweise niedrigem Schmelzpunkt. Es kann allen Lebewesen gefährlich werden, wenn sie sich nicht wie die warmblütigen Organismen aktiv gegen das Einfrieren schützen können. Im Laufe der Evolution haben sich zwei Strategien entwickelt, mit denen sich die Organismen wehren können: Manche Fische verhindern das Gefrieren ihrer Körperflüssigkeit mit Frostschutzproteinen. Bestimmte Frosch- und Schildkrötenarten wenden die gegenteilige Taktik an: Sie reichern ihr Blut mit Proteinen („Eisnukleationsproteinen“) an, die das Einfrieren fördern und dabei so steuern, dass ihre Zellen keinen Schaden nehmen. Auch manche Bakterien bilden Proteine, welche die Eisbildung fördern. Suspensionen von Pseudomonas syringae hat man daher schon zur Herstellung künstlichen Schnees verwendet.
Calciumcarbonat Wasserklare Calcitkristalle haben – je nach optischer Achse – einen Brechungsindex von 1,6584 bzw. 1,4864. Calcit eignet sich daher als Werkstoff für die Herstellung von Linsen. Der Seestern Ophioma wentii besitzt Augen mit optisch korrekt orientierten Mikrolinsen aus Kalzit, die über den gesamten Körper verteilt sind. Optische Kalzitlinsen benutzten bereits vor ca. 350 Millionen Jahren einige Arten der Trilobiten. Ihre Augen bestanden aus bis zu 15.000 Einzellinsen. Auch für das Gehör und den Gleichgewichtssinn kann Calciumcarbonat hilfreich sein: Zebrafische benutzen Gehörsteine aus Aragonit, die sie mit Hilfe von „Starmaker-Proteinen“ so formen, dass sie ihren Zweck optimal erfüllen.
Magnetit mini|Elektronenmikroskopische Aufnahme von Magnetospirillum gryphiswaldense-Zellen mit Ketten aus Magnetit-Kristallen Magnetit, ein schwarzes Eisenoxid mit der Formel Fe3O4 hat, wie der Name andeutet, ferromagnetische Eigenschaften. In lebenden Organismen wurde dieses Mineral zum ersten Mal aufgefunden, als man magnetotaktische Bakterien untersuchte, also Mikroorganismen, die ihre Eigenbewegung an den Feldlinien des Erdmagnetfelds orientieren (z. B. Magnetospirillum gryphiswaldense oder Magnetospirillum magnetotacticum). Die von einer Membran umschlossenen Magnetit-Kristalle, die Magnetosomen, sind in einer kettenförmigen Struktur angeordnet, die durch ein spezielles Protein erzwungen wird. Die Kristalle selbst sind – im Gegensatz zu abiotisch entstandenem Magnetit – völlig frei von Defekten des Kristallgitters. Die definierte Größe der Kristalle von ca. 45 nm bewirkt deren einheitliches magnetisches Moment (Ein-Domänenkristalle).
Die als Magnetotaxis bezeichnete Fähigkeit bietet den Mikroorganismen, die an die Sauerstoffarmut von Gewässersedimenten angepasst sind, den Vorteil, dass sie entlang der Feldlinien den kürzesten Weg in die Sedimente finden können. Auch in höheren Tieren, die bei ihren Wanderungen größere Strecken zurücklegen, hat man Magnetosomen entdeckt, beispielsweise bei Zugvögeln, Forellen und Lachsen.
Erzeugung von „Verbundwerkstoffen“ Mit Verbundwerkstoffen gelingt es dem Menschen schon seit Jahrhunderten, Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften so zu kombinieren, dass neuartige Werkstoffe entstehen. Der bekannteste technische Verbundwerkstoff ist der Stahlbeton, bei dem die Druckfestigkeit des Betons mit der Zugfestigkeit des Stahls kombiniert wird. In der belebten Natur sind Materialien, bei denen es sich prinzipiell um Verbundwerkstoffe handelt, seit mehreren hundert Millionen Jahren weit verbreitet. Die anorganische Komponente dieser Biomaterialien wird meist in sehr geringer Partikelgröße abgeschieden. Daher können sie aus materialwissenschaftlicher Sicht als „Nanokompositwerkstoff“ oder „nanostrukturierter Hybridwerkstoff“ betrachtet werden. Das Material von Knochen und Zahnschmelz sowie die Schalen von Eiern, Muscheln und Kieselalgen sind bekannte Beispiele.
Wissenschaftler versuchen, die Komponenten natürlicher „Verbundwerkstoffe“ schonend zu trennen und getrennt zu analysieren. Aufbau und Funktion der Substanzen können auf diese Weise schrittweise aufgeklärt werden. Von einer Antwort auf die Frage, mit welchen Mitteln Organismen in den Stoffhaushalt ihrer Umgebung eingreifen, um Biomineralisation zu betreiben, ist man jedoch noch weit entfernt.
Calciumcarbonat mini|Von Herzmuschel-Gehäuseklappen dominierter, angewitterter Fossilschuttkalk, verbaut im Zeustempel von Olympia.mini|Fungia, eine flachwüchsige Solitärkoralle.
Als Komponente biologischer „Verbundwerkstoffe“ spielt Calciumcarbonat („Kalk“) unter anderem eine Rolle bei den Gehäusen einzelliger Organismen (Foraminiferen) und zahlreicher wirbelloser Meerestiere sowie bei den Schalen der Vogeleier. Kein Produkt der Biomineralisation erreicht einen größeren globalen Umsatz als das Calciumcarbonat: Die kalkigen Reste abgestorbener Organismen treten gesteinsbildend auf, in Form feinkörniger Hochseekalksteine (z. B. „Kreide“) oder küstennah entstandener Fossilschuttkalksteine. Wenn Fossilschuttkalksteine verwittern, werden oft die Strukturen der enthaltenen Kalkskelette an der Gesteinsoberfläche herausgearbeitet. Tiere, die sich eine kalkhaltige Hülle zulegen, wie Foraminiferen und andere Einzeller sowie Muscheln, Schnecken und andere Wirbellose, schützen damit ihren empfindlichen Weichkörper.
Es ist davon auszugehen, dass in der Entwicklungsgeschichte die ältesten Schutzhüllen nur aus Proteinen bestanden. Die meisten Schlangen und Eidechsen legen heute noch Eier mit flexibler Protein-Schale. In der Entwicklungslinie, die zu den heutigen Vögeln führt, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, in die Schalen Calciumcarbonat einzulagern. Dadurch erhöhte sich die Stabilität der Eihülle. Der Embryo war so besser geschützt, was seine Überlebenschancen bis zum Schlupf erhöhte.
Beispiele:
Perlmutt ist eine irisierende Form des Aragonits (rhombisch kristallisiertes Calciumcarbonat), die von zahlreichen Meeresschnecken und -muscheln gebildet wird. Seeigel nutzen Calciumcarbonat zur Bildung von Schalen, Beißwerkzeugen und Stacheln. Seeigelstachel können über zehn Zentimeter lang werden und dabei eine Festigkeit erreichen, die diejenige von rein anorganischem Calciumcarbonat um mehrere Größenordnungen übertrifft. Auch andere Stachelhäuter besitzen Skelette oder Skelettelemente aus Calciumkarbonat.