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Biomineralisierung

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Biomineralisierung

Die Schalen von Lebewesen, wie die Schale dieser Nautilus, sind hausgemachte Konstruktionen aus mikroskopischen Kristallen. Im Gegensatz zu mineralischen Kristallen mit ihren charakteristischen geraden Linien, eckigen Formen und flachen Flächen hat das Leben es geschafft, außergewöhnliche Architekturen mit kontinuierlichen Kurven zu bauen.
Das sind Biominerale, die nicht nur durch ihre Schönheit faszinieren, sondern auch durch die verschiedenen Funktionen, die diese Organismen erfüllen: Linsen zum Sehen, Zähne zum Kauen, Skelette zum Schutz, Sensoren zum Navigieren…

Wissen Sie, welche Mineralien am häufigsten von lebenden Organismen verwendet werden? Haben Sie sich jemals gefragt, wie Lebewesen ihre mineralischen Strukturen aufbauen? Wussten Sie, dass Ingenieure versuchen, das Leben zu imitieren, um neue Materialien herzustellen?

Zweifellos wissen Sie, was Mineralien sind. Und Sie haben schon von Saphiren und Smaragden, von Diamanten und Rubinen gehört. Und aus Silber und Gold. Und vielleicht aus Pyrit, Quarz und Feldspat. Dies sind alles Mineralien, die Mutter Natur schenkt, gebildet aus geschmolzenem Magma, hydrothermalen Dämpfen in der Tiefe oder im Wasser von Seen und Ozeanen.

Aber es mag Sie überraschen zu erfahren, dass eine weitere treibende Kraft bei der Mineralienerzeugung das Leben selbst ist. Lebende Organismen aus den fünf Königreichen sind in der Lage, Mineralien zu bilden, von denen 80 % kristallin sind, der Rest amorph.

Welche Mineralien?
Nun, die Karbonate – die häufigsten Biominerale – wie Muscheln, Perlen und Korallen von Weichtieren; die Phosphate, wie die Skelette von Säugetieren und Vögeln; Kieselsäure, wie in den schönen Kieselalgen oder in Schwämmen; Eisenoxide wie in einigen Bakterien; sowie Halogenide, Sulfate, Citrate, Oxalate und so weiter, bis zu sechzig verschiedene Mineralarten. Sie alle werden als Biominerale bezeichnet und der Prozess ihrer Entstehung wird Biomineralisation genannt.

Biomineralisierung

Biomineralisierung

In vielen Fällen dienen Biominerale als Schutz, wie in den Schalen von Mollusken, oder zur Verteidigung, wie in den Stacheln von Seeigeln, oder als Stütze, wie in Innen- und Außenskeletten. Andere häufige Verwendungszwecke, die lebende Organismen den Kristallen geben, sind: die Herstellung von harten Werkzeugen wie Zähnen oder Sensoren wie die Magnetit-„Kompasse“ einiger Mikroorganismen oder die Kalzit-Otolithen von Wirbeltieren, die es uns ermöglichen, unser Gleichgewicht zu halten.

Das eigentümlichste Merkmal der biomineralischen Strukturen ist, dass sie nicht die für Kristallformen übliche äußere Symmetrie bewahren, bei der die gerade Linie dominiert. Die Morphologie der biomineralischen Strukturen ist die Kurve, wie die der schönen Schale des Nautilus, die dieses Poster illustriert, oder die der Abalone-Schale oder die der Olive; wie die stille Schönheit der Skelette von Mikroorganismen, die Ernst Haeckel vor hundert Jahren illustrierte.

Biomineralisierung


Biominerale brechen die kristallografische Symmetrie, weil ihre Schalen nicht aus einem, sondern aus Tausenden von winzigen Kristalliten bestehen, deren Keimbildung, Wachstum und Orientierung vom Organismus perfekt kontrolliert werden.

Rechts die Struktur des Perlmutts der Abalonenschale links. Diese Struktur in Lamellen aus Aragonit ist nicht nur für die schönen Perlenfarben, sondern auch für die große Bruchfestigkeit der Muschel verantwortlich.
Wie wurde eine solche Kontrolle durchgeführt? Durch die Verwendung von Proteinen, Kohlenhydraten oder Lipiden, die als Induktoren und Regulatoren der Keimbildung und Ausrichtung der Kristalle und sogar der Mineralphase wirken.

Aber wir wissen nur wenig darüber, wie sie das mit so unglaublicher Präzision tun können. Und wir würden gerne wissen, wie, denn Biominerale haben tausendmal bessere mechanische Eigenschaften als die gleichen anorganisch hergestellten Mineralien. Und Organismen machen sie viel energieeffizienter und sauberer. Die Studien von Forschern, die davon träumen, herauszufinden, wie das Leben in der Lage ist, solch faszinierende Strukturen wie die Nautilus zu schaffen und sie im Labor und in Fabriken nachzuahmen, werden Biomimetik genannt.

WUSSTEN SIE SCHON…

Es wurde vorgeschlagen, biomineralisierende Mikroorganismen bei der Restaurierung von Denkmälern einzusetzen.
Die Natur schafft Nanomaterialien für die Biomineralisierung. Wissenschaftler erforschen, wie Organismen mit Hilfe von Bakterien und anderen Prozessen, bei denen Nanokristalle entstehen, Nanokomposite herstellen, um extrem hochwertige keramische Materialien zu produzieren.

Perlen sind die einzigen Edelsteine, die von lebenden Tieren hergestellt werden. Die früheste bekannte Verwendung von Perlen in Schmuckstücken wurde in einem Sarkophag einer persischen Prinzessin gefunden, die 520 v. Chr. starb.
Die Auflösung von atmosphärischem CO2 im Meerwasser erhöht den pH-Wert der Ozeane.

Die Versauerung des Meeres durch das vom Menschen verursachte Kohlendioxid hat dazu geführt, dass der pH-Wert des Ozeans seit Beginn des Industriezeitalters um 0,1 Einheiten gesunken ist und in den nächsten Jahren voraussichtlich 0,3 oder 0,5 Einheiten erreichen wird. Dies könnte enorme Auswirkungen auf Korallenriffe und alle Lebewesen mit Strukturen haben, die aus Karbonat mineralisiert sind, da die Sättigung im Verhältnis zu Aragonit reduziert wird, was es für die Organismen teurer macht, ihre Skelette herzustellen.

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