Биофизика

Биофизика
Вестник ДВО РАН. 2007. № 1
Ю.Н.КУЛЬЧИН, С.С.ВОЗНЕСЕНСКИЙ, А.Н.ГАЛКИНА, А.Л.ДРОЗДОВ,
С.В.ГНЕДЕНКОВ В.Г.КУРЯВЫЙ, Т.Л.МАЛЬЦЕВА, А.И.ЧЕРЕДНИЧЕНКО
Физико-химические свойства
биоминеральных структур
кремнийсодержащих
морских организмов
В статье приведены собственные и литературные данные по химическому составу, структурной организации и некоторым физическим свойствам спикул шестилучевых губок. Спикулы представляют собой биоминерал
слоистой структуры, в котором слои кремнезема перемежаются слоями белков, что обеспечивает их эластичность. Механические и оптические свойства спикул стеклянных губок позволяют отнести их к уникальным биоминералам, аналогам фотонных кристаллов, по своим механическим и физическим свойствам превосходящим
промышленные кварцевые волоконные световоды. Исследование строения кремнийорганических спикул морских
губок и процессов, обеспечивающих их управляемый рост, способно дать толчок к развитию низкотемпературных нанотехнологий.
Physico-chemical properties of biomineral structures of silicon-containing sea organisms. Yu.N.KULCHIN,
S.S.VOZNESENSKIY, A.N.GALKINA (Institute of Automation and Control Processes FEB RAS, Vladivostok),
A.L.DROZDOV (A.V.Zhirmunsky Institute of Marine Biology FEB RAS, Vladivostok), S.V.GNEDENKOV,
V.G.KURYAVIY (Institute of Chemistry FEB RAS, Vladivostok), T.L.MALTSEVA (Institute of Automation and Control
Processes FEB RAS, Vladivostok), A.I.CHEREDNICHENKO (Institute of Chemistry FEB RAS, Vladivostok).
The paper presents own and published data on chemical composition, structural organization and some physical
properties of spicules of hexactinal sponges. Spicules are biominerals of a layer structure, in which silica layers
alternate with protein layers, which ensures their elasticity. Mechanical and optical properties of hexactinal sponge
spicules permit us to refer them to unique biominerals, analogous to photon crystals, which excel industrial quartz fiberguides in their mechanical and physical properties. Investigation of structure of organosilicon spicules of
hexactinal sponges and processes, ensuring their controlled growth, can stimulate the development of low-temperature nanotechnologies.
Скелеты различных морских организмов построены на основе кальцита, арагонита, апатита, кремнезема. Последний минерал (из него состоят скелеты диатомовых
водорослей, радиолярий и губок) является одним из основных материалов, используемых
в оптике для решения широкого спектра задач генерации света, передачи и обработки
информации. Поэтому кремнийсодержащие биоматериалы стали в последнее время объектом пристального внимания не только биологов, химиков, но и физиков, занимающихся
разработкой современной фотоники и микроэлектроники.
Данная работа посвящена анализу исследований структурной организации и оптических свойств спикул стеклянных губок.
КУЛЬЧИН Юрий Николаевич – член-корреспондент РАН, ВОЗНЕСЕНСКИЙ Сергей Серафимович – кандидат
технических наук, ГАЛКИНА Анна Николаевна – ведущий специалист, МАЛЬЦЕВА Таисия Леонидовна – аспирант (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток), ДРОЗДОВ Анатолий Леонидович – доктор биологических наук (Институт биологии моря им. А.В.Жирмунского ДВО РАН, Владивосток),
ГНЕДЕНКОВ Сергей Васильевич – доктор химических наук, КУРЯВЫЙ Валерий Георгиевич – кандидат химических наук, ЧЕРЕДНИЧЕНКО Александр Иванович – доктор химических наук (Институт химии ДВО РАН,
Владивосток).
27
Губки, представляющие интерес для оптических исследований
В настоящее время описано около 7 тыс. видов губок [1]. Скелет (его форма и
химический состав) – основной признак, по которому губки разделяют на 3 класса:
известковые губки (Calcispongia, или Calcarea). Морские животные, обычно не длиннее 15 см. Спикулы скелета одно-, трех- или четырехлучевые, состоят из углекислого
кальция;
обыкновенные губки (Demospongiae). Пресноводные и морские организмы. Имеют
весьма разнообразные скелеты (у некоторых видов его нет) из роговых волокон со спикулами или без них. Спикулы одно- или четырехлучевые, кремнеземные;
стеклянные, или шестилучевые, губки (Hexactinellida). Морские, чаще всего глубоководные организмы, обитающие на глубинах более 100 м, бывают как одиночными, так и
колониальными. Известно более 500 видов [1, 2]. Тело мешковатое, трубчатое, бокаловидное или бочковидное до 2 м в высоту. Скелет состоит из шестилучевых кремнеземных
спикул с лучами, лежащими в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, иногда один
или несколько лучей редуцированы.
Предметом исследований многих авторов являются морские губки, скелет которых
образуют спикулы, состоящие из аморфного гидратированного кварца, депонированного
вокруг белковой основы [3, 5, 6, 14, 19, 26].
Для исследователей в области опто- и микроэлектроники интерес представляют классифицированные по структурным и геометрическим особенностям спикул три группы
губок:
с протяженными волоконными образованиями;
с переплетенными волоконными образованиями;
с прочной пористой структурой.
Губки, имеющие протяженные волоконные образования. К этой группе можно отнести стеклянные губки сем. Euplectellidae (корзинки Венеры) (рис. 1), скелет которых
представляет собой ажурную и чрезвычайно прочную конструкцию. В основании губки
находится пучок волокон (базальных спикул) длиной 5–18,5 см и толщиной 40–60 мкм,
состоящих из центральной органической нити, покрытой слоями кремнезема. Основное
назначение этих спикул – прикрепление губки к мягкому грунтовому или песчаному дну.
Структурные и оптические свойства базальных спикул стеклянной губки Euplectella aspergillum исследованы группой авторов [5, 6].
В ряде работ объектом исследования являются базальные спикулы стеклянных губок
Hyalonema sieboldi [3, 19] и Monorhaphis sp. [14]. Базальные спикулы этих губок представляют собой гибкое биоминеральное волокно диаметром 0,5–1,5 мм, длиной до 2 м (рис. 2).
Предполагается, что причина гибкости спикул обусловлена их слоистой структурой [14]
либо наличием органического аксиального филамента [24].
Несомненный интерес для оптических исследований представляют губки рода Ferronema, обитающие в Южно-Китайском море. Помимо шестилучевых спикул, образующих
тело губки, эти виды имеют спикулы в виде стекловолокон, функциональное назначение
которых до конца не выяснено (рис. 3).
На рис. 4 представлены фотографии скелетов двух представителей семейства Rosselidae, а также рода Acanthascus, обитающих в районе Курильских островов (Тихий океан). Внешне они похожи на пучки минеральной ваты, иногда с хаотично торчащими из
них короткими и тонкими спикулами. Интерес для исследования представляют как отдельные спикулы, структура которых отличается от структуры базальных спикул губок
первой группы (из родов Hyalonema, Monoraphis), так и геометрические образования
скелетов.
Губки, имеющие переплетенные волоконные образования. К этой группе можно
отнести стеклянные губки рода Farrea. Представители этого рода формируют рифовые
28
Рис. 1. Стеклянная губка корзинка Венеры
(Euplectella, Euplectellidae) (А) и фрагменты ее
базальных спикул (Б)
Рис. 2. Стеклянная губка Hyalonema sieboldi [3]. Изображена губка в целом (А) и фрагмент ее базальной спикулы (Б), закрученной в узел, что свидетельствует о необыкновенной гибкости природного волокна
Рис. 3. Стеклянные губки рода Ferronema (А) и образцы их скелетных фрагментов (Б)
Рис. 4. Стеклянные губки семейства Rosselidae (А, Б) и рода Acanthascus (В, Г) и образцы их скелетных фрагментов
Рис. 5. Стеклянная губка семейства Farrea (А) и образец ее скелетного фрагмента (Б) [12]
29
колонии до нескольких метров в диаметре и служат убежищем для других
организмов (рис. 5). Спикулы тела губки формируют очень тонкую сетчатую
структуру, клетки губки образуют синцитий, характерный для многих видов
шестилучевых губок [15, 16]. Интерес
для оптических исследований представляет высокая поглощающая способность поверхности скелета губки.
Следует отметить, что пространственная сетчатая структура характерна для многих видов шестилучевых губок, например из родов Aprhocallistes,
Tretodictyum и Regadrella (рис. 6).
Губки, имеющие прочную пористую структуру. Это губки, скелет которых представляет собой мелкопористую структуру, обладающую высокой
Рис. 6. СЭМ-микрограммы развитой сетчатой структуры
некоторых представителей класса шестилучевых губок: механической прочностью. В качестве
Aprhocallistes (А, Б); Tretodictyum (В), Regadrella (Г) [26] примера можно привести губки рода
Chonelasma, пористая структура кремнийорганического скелета которых напоминает структуры фотонных кристаллов, и, главное, размер их пор позволяет предполагать наличие нелинейных оптических свойств (рис. 7).
Структурные особенности волокон стеклянных губок
Основные разновидности спикул и скелетов стеклянных губок. Губки классов Demospongiae и Hexactinellida формируют кремниевый скелет. Эти два класса глубоко
различаются между собой по количеству осей симметрии их спикул: одно-, четырехосевые характерны для Demospongiae и одно-, трехосевые – для Hexactinellida. Спикулы традиционно подразделяются по размеру на мегасклеры и микросклеры (рис. 8). Мегасклеры
обычно формируют основу, скелет губки, тогда как микросклеры располагаются по ее телу
Рис. 7. Губка рода Chonelasma (А) и образец ее скелетного фрагмента (Б)
30
Рис. 8. СЭМ-микрограммы спикул губок Demospongiae и Hexactinellida [26]: макросклеры (А–В), микросклеры
(Г–К)
и в редких случаях включены в коллагеновый матрикс. Насчитывается около 12 основных
типов мегасклер и 25 типов микросклер у губок класса Demospongiae и соответственно
20 и 24 – у класса Hexactinellida [26]. Спикулы, формирующие 2D- и 3D-структуры, скреплены между собой спонгином (Demospongiae) или аморфным кремнием (Hexactinellida).
Мегасклеры длиной до нескольких десятков сантиметров с высоким содержанием кремнезема характерны для шестилучевых губок.
Большое разнообразие спикул морских губок обусловливается основными типами
структуры их скелетов. Так, для Demospongiae характерны 6 типов структур скелетов с
некоторым количеством переходных форм (влияние условий обитания): химедесмоидные,
перистые, осевые (аксиальные), лучевые, сетчатые и запутанные (перекрученные).
Для Hexactinellida зависимость между формой губки и структурой ее скелета менее
очевидна, так как формирование некоторых скелетов происходит с потерей различных
типов мегасклер (гексатин, пентактин, тетрактин, триактин, диактин), специфичных для
губок этого класса. Структуры скелетов шестилучевых губок весьма разнообразны, характеризуются чередованием и/или слиянием разных типов мегасклер в пучки спикул, а также перистые или ячеистые (сетчатые) структуры прямоугольной, сферической или неправильной формы, склеенные между собой аморфным кремнием. Тело шестилучевых губок
31
– «вторая производная» их сетчатой структуры. Обычно это массивные губки трубчатой,
мешковидной, винтовой, веерной и воронкообразной формы. На формирование скелета
губок большое влияние оказывают давление толщи воды, волны, течения и вызванные
ими торсионные силы. Для противостояния сильному потоку губка имеет гибкий или разветвленный жесткий скелет, расположенный в пространстве перпендикулярно основному
потоку [26].
Структурная организация спикул и их химический состав. В шестилучевых губках (класс Hexactinellida) различают скелетообразующие и базальные (якорные) спикулы.
Базальные спикулы представляют собой тонкие нити (волоски), состоящие из центральной органической нити и слоев кремнезема вокруг него. Основное назначение этих спикул – прикрепление губки к мягкому грунтовому или песчаному дну, а также (гипотеза)
обеспечение связи с окружающей средой (и реакция на изменения условий жизни) путем
регистрации и излучения спикулой светового сигнала [6]. В отличие от базальных, скелетообразующие спикулы – это более сложная механическая структура, предназначенная
для придания формы и обеспечения жесткости каркаса губки (рис. 9).
Рис. 9. Скелет и структура скелетообразующих спикул стеклянной губки Euplectella aspergillum [6].
А – фрагмент скелета: правильная решетчатая структура с диагональными элементами, размещенными в шахматном порядке. Ортогональные гребни на цилиндрической поверхности показаны стрелками (м-б 5 мм); Б –
СЭМ-изображение: каждая стойка скелета состоит из множества связанных спикул (стрелка показывает длинную ось скелета) (м-б 100 мкм); В – СЭМ-изображение разломленного и частично протравленного в плавиковой
кислоте луча скелета, показывающее его волоконно-композитную структуру (м-б 20 мкм); Г – СЭМ-изображение
частично протравленной в плавиковой кислоте зоны соединения: решетка цементирована множественными слоями кремнезема (м-б 25 мкм); Д – контрастированное СЭМ-изображение поперечного сечения скелетной стойки:
она состоит из разноразмерных спикул, окруженных многослойной кремнеземной матрицей (м-б 10 мкм)
Исследования [14] полированного участка спикулы Monorhaphis sp. (Hexactinellida)
методом СЭМ показали наличие концентрических слоев, окружающих центральную аксиальную нить (диаметром 1–2 мкм), центральную часть (диаметром 150 мкм), при общем диаметре спикулы 2,4 мм (рис. 10А, Б). Отмечено постепенное уменьшение толщины
слоев от центра к периферии – 10 и 3 мкм соответственно. Неравномерность уменьшения
толщины слоев находится в пределах погрешности, так как образец содержал 203 слоя,
181 из которых тоньше предыдущего. Анализ изображения разломленного фрагмента спикулы (рис. 10А) позволил предположить, что адгезия между слоями не велика, поскольку растрескивание от слоя к слою усиливается. Анализ результатов исследований спикул
Hyalonema sieboldi [3] показал (рис. 10 В–Д), что их структурная организация подобна
спикулам шестилучевой губки Monorhaphis sp.
Интересно, что схожие изображения структурных фрагментов приводятся и для губок
класса Demospongiae, спикулы которых имеют совершенно другие размеры. На рис. 11
хорошо видно поперечное сечение центрального аксиального канала (ac), окруженного
оболочкой слоев из кремнезема. Спикулы имеют типичное строение: центральный канал
диаметром 0,3–1,6 мкм окружен оболочкой из слоев толщиной 0,3–1 мкм.
В некоторых работах приводятся результаты более глубоких структурных исследований базальных спикул Euplectella sp. и Hyalonema sieboldi. В частности, в [6] указано на
32
Рис. 10. СЭМ-изображения разломленного поперечного участка спикулы, м-б 1 мм (А) и полированного центрального участка спикулы, м-б 10 мкм (Б) Monorhaphis sp. [14]; спикулы Hyalonema sieboldi, подвергнутой
медленному выщелачиванию: на микроструктурном уровне отчетливо видны отдельные слои из двуокиси
кремния, м-б 200 мкм (В); поперечное сечение (оптический микроскоп) базальной спикулы Hyalonema sieboldi:
ув. 1157 раз (Г), ув. 1800 раз (Д) [3]
Рис. 11. СЭМ-изображение механически расколотых спикул губок из класса Demospongiae: Suberites domuncula
(А, В) [20], Stelletta sp. (Б) [25]
наличие в спикуле органической прослойки между слоями кремнезема (рис. 12). Кроме
того, после специальной обработки реактивами (NaOCl) для удаления органического материала установлено, что стандартные блоки спикулы представляют собой сферы кварца,
имеющие консолидированную наноразмерную природу (рис. 12).
В [3], наоборот, задачей ставилось выявить природу органической составляющей материала спикул. Для этого с целью деминерализации скелетных структур стеклянной губки Hyalonema sieboldi впервые была использована стратегия медленного выщелачивания
кремнийсодержащего компонента, основанная на применении щелочных растворов гидроокиси натрия, додецилсульфата натрия и анионного биосурфактанта рамнолипидной
природы. Получены данные, однозначно подтверждающие наличие фибриллярного протеинового матрикса, являющегося основой для биоминерализации кремния в базальных
33
Рис. 12. СЭМ-изображения поперечного сечения спикулы с органической прослойкой, м-б 1 мкм (А) и центрального канала базальной спикулы после обработки NaOCl (Б) губки Euplectella sp. Стрелки указывают на промежутки между слоями, из которых частично удален органический материал [6]
Рис. 13. Микрофибриллы кремниевой спикулы стеклянной губки Hyalonema sieboldi [3]: А – СЭМ-изображение,
м-б 2 мкм, Б – ТЭМ-изображение нанофибрилл, м-б 200 нм
спикулах Hyalonema sieboldi. Также впервые установлено, что протеиновый матрикс представлен белком коллагеновой природы. Микрофибриллы состоят, в свою очередь, из нанофибрилл, что достоверно подтверждают результаты туннельной электронной микроскопии (ТЭМ) (рис. 13).
Проведен анализ микротвердости и модуля Юнга поперечного сечения образца базальной спикулы Hyalonema sieboldi (рис. 14). Наблюдается устойчивая тенденция уменьшения этих параметров от центра к периферии спикулы. Полученные данные коррелируют
со структурными особенностями спикул: чередование слоев двуокиси кремния и органического вещества при плавном уменьшении толщины слоя кремнезема от центра спикулы
к ее периферии.
В начале статьи отмечалась перспективность исследований спикул морской губки
Ferronema sp. Действительно, исследования, проведенные авторами статьи со спикулами
этих губок, дали ряд интересных результатов, до сих пор не встречавшихся в литературе.
Например, исследования с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) выявили наличие регулярных структур, похожих на структуры фотонных кристаллов (см. цветную
вклейку, рис. 1). При этом, как будет показано в дальнейшем, оптические свойства спикул
губки Ferronema sp. отличаются от оптических свойств спикул, например, хорошо исследованной губки Hyalonema sieboldi.
Гипотезы о формировании спикул и скелета губок. Химический состав скелета губок классов Demospongiae и Hexactinellida зависит от вида губки и состава воды, в которой они обитают, но основными компонентами являются кремнезем и вода [9–11, 20].
Ионы железа Fe2+, содержащиеся в аксиальной нити, участвуют в активации ферментов,
катализирующих полимеризацию кремнезема [13].
34
Рис. 14. Значения микротвердости и модуля Юнга поперечного сечения образца базальной спикулы Hyalonema
sieboldi. 1 – линейная аппроксимация микротвердости, 2 – линейная аппроксимация модуля Юнга
Губки получают кремний из воды в виде растворенных форм кремниевой кислоты.
Шестилучевые губки (класс Hexactinellida) содержат относительно большее количество
кремнезема, чем Demospongiae, поэтому они распространены в регионах с высоким содержанием растворенного кремния, таких как донные и апвеллинговые воды [26].
У губок класса Demospongiae клетки-склероциты, формирующие спикулы, содержат
везикулы, митохондрии (индикатор метаболической активности склероцита) и комплекс
Гольджи. Мегасклероциты на порядок больше микросклероцитов, они характеризуются
дополнительным ядрышком внутри ядра клетки [18, 20]. Склероциты специфичны для
каждого типа спикул. Данная специфичность обусловлена генетически и контролируется
аксиальной нитью спикулы. Каждый тип склероцита работает при определенной концентрации растворенного кремния, ниже которой секреция останавливается. Поэтому для
поддержания нужной концентрации кремния каждая растущая спикула окружена мембраной, называемой силикалеммой [26].
Формирование спикул может быть внутриклеточным и/или внеклеточным [22, 25, 26].
Микросклеры формируются внутри, а мегасклеры – вне клетки, хотя у некоторых видов
Demospongiae встречается внутриклеточное формирование мегасклер.
Методами электронной микроскопии на примере губки Suberites domuncula (класс Demospongiae) показано, что процесс формирования спикул можно разделить на две фазы:
начальная внутриклеточная (формирование спикул) и конечная внеклеточная (рост спикул) [18].
Формирование спикул происходит вокруг аксиальной нити [5, 10, 11 18, 20, 25], на его
первой стадии образуется белок силикатеин, сначала профермент с молекулярной массой
(м. м.) 36,3 кДа, затем готовый фермент с м. м. 23 кДа. Весьма вероятно, что в процессе
транспортировки через эндоплазматическую сеть и комплекс Гольджи силикатеин подвергается фосфорилированию и транспортируется в везикулу (полость), где формируется
аксиальная нить. При этом ассоциация мономеров белка силикатеина в аксиальную нить
включает в себя стадию посттрансляционной модификации. После образования органической нити вокруг нее формируются первые слои из наночастичек кремнезема размерами 100–120 нм, далее они объединяются в микрочастицы, образуя плотный слой. Осаждение кремнезема происходит в двух направлениях: идет формирование 1) поверхности
аксиального канала и 2) поверхности спикулы. В итоге спикула выходит во внеклеточное
пространство, где растет в длину и ширину. На следующих стадиях происходит чередование процессов силификации и выделения спонгина. «Зрелые» спикулы идентифицируются
35
спонгоцитами как чужеродный материал, что приводит к отделению клеток губки от субстрата. Завершающая стадия – покрытие спикулы аморфным кремнеземом (для придания
ей жесткости, гладкости или для сцепления с другими спикулами).
В отличие от губок класса Demospongiae, в классе Hexactinellida присоединение к спикулам аморфного кремния происходит параллельно с секрецией их органической основы,
так как у этих губок спикулы формируются в определенном месте и на определенной
дистанции друг от друга для создания регулярной сетчатой структуры. У представителей
класса Demospongiae сетчатая структура не встречается, поскольку у них отсутствует синцитий и происходит миграция спикулы от места формирования к месту ее закрепления в
теле губки [26].
Согласно [6], иерархия структуры кремниевой губки Euplectella aspegillum (класс
Hexactinellida) включает в себя 7 стадий организации от блоков макромолекул до готового скелета (рис. 15). Первая стадия (A) – пространственная организация блоков из
наночастиц кремнезема (50–200 нм) вокруг центральной органической нити. Вторая
(Б) предполагает образование слоистой структуры спикулы путем чередования слоев
кремнезема и органических веществ, склеивающих кремнеземные слои. Третья (В) – образование пучков спикул. Четвертая (Г) – формирование сетчатой структуры скелета
губки путем переплетения пучков спикул в вертикальном и горизонтальном направлениях. Пятая (Д) – ламинирование, придает скелету губки жесткость. Шестая (Е) – подготовка спикулы к прикреплению на морском дне (образование гребней вокруг пучков
спикул для предотвращения овализации цилиндрического каркаса губки). Седьмая стадия (Ж) – прикрепление губки на мягком грунте морского дна. Несмотря на логичность
вышеописанной модели, Дж.Кьюррей [8] отмечает, что предлагаемая схема построения
скелета губки детально не проработана (есть только уровни организации скелета, но
между ними нет взаимодействия, т.е. не описаны механизмы и критические условия
перехода от одной стадии к другой).
Аксиальная нить: роль в полимеризации кремнезема и формировании спикул.
Все кремниевые спикулы имеют центральное ядро, называемое аксиальной нитью и состоящее из кремнийорганического материала, окруженного протеиновым матриксом.
Рис. 15. Модель построения скелета кремниевой губки Euplectella aspergillum [6]. Первые четыре стадии соответствуют периоду роста губки, а три последующие – зрелой Euplectella sp.
36
Наночастицы кремнезема образуют внешнюю зону аксиальной нити, что обусловливает
ее механическую прочность. Спикулы шестилучевых губок (класс Hexactinellida) имеют
четырехугольную на поперечном срезе аксиальную нить, тогда как спикулы Demospongiae – треугольную или шестиугольную, в зависимости от рода губки [26].
Основная задача аксиальной нити – контроль над полимеризацией кремнезема. Исследования показали, что основным структурообразующим белком аксиальной нити является силикатеин [23] – фермент, катализирующий гидролиз и поликонденсацию оксида
кремния (в форме кремнийферроалголята). Также показано, что частички силикатеина,
формирующие внутреннюю поверхность аксиального канала, высокоупорядочены, имеют
α-, β-, γ-модификации структуры. Исследования аминокислотного состава белка и сиквенирования ДНК показали высокое сходство силикатеина из разных видов губок с катепсином – белком, характерным для высших растений [7, 21, 23]. По сути, этот белок является
матрицей (шаблоном) для формирования высокоупорядоченной структуры спикулы, аналогичной мезопоровым материалам [4, 10].
Методом просвечивающей электронной спектроскопии на примере губки Suberites
domuncula (Demospongiae) [18] показано, что молекулы силикатеина также находятся
во внеклеточном пространстве и располагаются последовательно вдоль поверхности
спикулы. Это позволило высказать предположение, что белок силикатеин образует прослойки между кремниевыми слоями вокруг продольного аксиального канала. Очевидно,
что рост спикулы – это двумерный процесс: увеличение спикулы в длину происходит в
результате удлинения аксиальной нити, тогда как увеличение ширины спикулы определяется последовательным наложением слоев кремнезема вдоль ее поверхности [10, 11,
17, 25].
Оптические свойства волокон стеклянных губок
В предыдущих разделах обзора показано, что спикулы состоят из однородного
центрального матрикса (кремнийорганический состав) и слоистой оболочки (чередование
слоев кремнезема и органики белковой природы). Установлено, что эти структуры имеют
высокий и низкий показатели преломления соответственно [5, 24]. Экспериментально показано, что спикулы по оптическим свойствам соответствуют искусственным оптическим
волокнам, при этом натуральное оптическое волокно имеет ряд преимуществ: отсутствие
двойного лучепреломления, лучшие механические свойства спикул, а также их низкотемпературный синтез.
С помощью интерферометра Майкельсона в [5] было проведено исследование оптических свойств волокон: корреляция между разностью их показателей преломления и
изменениями в химическом составе спикул. Осевая нить базальной спикулы (1–2 мкм в
диаметре с максимальным содержанием Na) имеет показатель преломления 1,45–1,48,
что очень близко к значению показателя преломления кварца (1,458). Вокруг нее находится цилиндрическая область (15–25 мкм в диаметре), которая имеет более низкий показатель преломления – 1,425, соответствующий центральной части спикулы, а
уменьшение показателя преломления объясняется высоким содержанием органических
веществ и/или низкой степенью уплотнения кремнезема в данной области спикулы. Во
внешней части спикулы наблюдается постепенное увеличение показателя преломления
(от 1,433 до 1,438) в соответствии с постепенным изменением состава и увеличением
диаметра сфер кварца в слоистой области. Различия показателей преломления в этой
области коррелируют с присутствием органических слоев между слоями кремнезема
(рис. 16).
Исследованы светопроводящие свойства базальных спикул Euplectella sp. [5, 24]. Для
фрагментов спикул, вклеенных в эпоксидную смолу, отмечено, что большая часть белого света проходит через центральную жилу волокна, а не через слоистую оболочку и
37
Рис. 16. Интерференционный анализ базальных спикул Euplectella sp. A – типичная интерферограмма
отдельной спикулы [5], Б – количественные характеристики показателя преломления, полученные на
основе анализа интерферограмм спикулы, В – измеренные значения показателя преломления по поперечному сечению спикулы для поляризованного
света, Г – схематический профиль показателя преломления спикулы, погруженной в морскую воду.
Большое различие показателей преломления кварца и морской воды заставляет работать спикулу как
многомодовый волновод
38
область центрального цилиндра (см. цветную вклейку, рис. 2Б), что характерно для
одно- или маломодового волновода. Такие
светопроводящие особенности спикул
можно объяснить высоким показателем
преломления эпоксидной смолы (1,57) относительно слоистой оболочки природного волокна. Однако в естественной среде
спикулы окружены морской водой, где
различие в показателях преломления среды (1,33) и кремнийорганической спикулы
(1,43) намного большее, чем преломления
ядра и оболочки самой спикулы (рис. 16).
Кроме того, диаметр слоистой оболочки намного больше диаметра ядра. Эти
факты предполагают, что в естественных
условиях свет распространяется по всей
спикуле, и тогда она сама функционирует
как многомодовое волокно (см. цветную
вклейку, рис. 2В).
Результаты экспериментов по прохождению белого света (галогеновая лампа
со спектральным диапазоном 400–1600
нм) через базальную спикулу губки Hyalonema sieboldi [19] показали, что спикулы
хорошо проводят свет в видимой части
спектра (см. цветную вклейку, рис. 3).
При этом по длине спикулы наблюдается
сильный цветовой градиент от белого к
красному, что можно объяснить дифференциальным поглощением спикулой различных областей светового спектра.
Там же [19] показано, что спикула
действует как дифференциальный спектральный фильтр (рис. 17). В диапазоне
длин волн от 400 до 615 нм спикула свет
не проводит, аналогичная картина наблюдается и в ближней инфракрасной области (от 1310 нм и выше). В диапазоне
спектра от 600 до 1310 нм – три небольших пика поглощения в окрестностях областей 770, 960 и 1150 нм. Авторы считают, что эти пики обусловлены наличием
воды в материале спикулы, поскольку
вода имеет схожие линии молекулярного
поглощения в диапазонах 740–760, 970 и
1150–1190 нм.
На рис. 17б приведены характеристики
относительного светопропускания спикулы длиной 5 см, из которых видно, что в
диапазоне пропускания от 615 до 1310 нм
Рис. 17. Оптические характеристики базальной спикулы губки Hyalonema sieboldi для белого света [19]
Рис. 18. Зависимость мощности лазерного луча, прошедшего через спикулы морских губок, от входной мощности (по оси Х – пропускающая способность светофильтра; 4, 5, 6 – номера образцов спикул)
Рис. 19. Зависимость величины выходной мощности лазерного луча, пропущенного через образец, от угла между
осью волокна и осью лазерного луча. Искусственное волокно (И. в.) – многомодовый световод; 4, 5, 6 – номера
образцов спикул
39
наблюдаются три пика: максимальный – от 1080 до 1100 нм и поменьше
– около 900 нм и 1250 нм.
Были исследованы светопроводящие свойства образцов спикул губки
Ferronema sp. (образец 4) и Hyalonema sieboldi (образцы 5 и 6). На рис. 18
представлены зависимости мощности
лазерного луча, прошедшего через
спикулы морских губок, от входной
мощности, которая регулировалась
светофильтром.
Кроме того, были проведены исследования оптических свойств боковой поверхности спикул тех же губок. Лазерное излучение вводилось
Рис. 20. Сравнительная зависимость величины выходной
мощности лазерного луча, пропущенного через образец опти- в боковую поверхность спикулы (поческого волокна и спикулу губки Ferronema sp., от угла между средине образца), и регистрировалась
осью волокна и осью лазерного луча. 1 – искусственное во- величина выходной мощности лазерлокно, 2 – образец 4
ного луча из полированного торца
спикулы. На рис. 19 представлены зависимости величины выходной мощности лазерного луча, пропущенного через образец,
от угла между осью волокна и осью лазерного луча.
Для сравнения аналогичный эксперимент был проведен для промышленно выпускаемого оптического волокна. Здесь опять проявились нелинейные свойства спикул губки Ferronema sp. (образец 4), которая вела себя аналогично искусственному волокну. На рис. 20
представлена сравнительная зависимость величины выходной мощности лазерного луча,
пропущенного через образец оптического волокна и спикулу губки Ferronema sp., от угла
между осью волокна и осью лазерного луча.
Заключение
Кремнийорганические спикулы шестилучевых губок – это природные световоды с оптическими характеристиками, близкими к характеристикам искусственного оптоволокна. По своим механическим и оптическим свойствам спикулы стеклянных губок позволяют отнести их к уникальным биоминералам, аналогам фотонных кристаллов. При
этом спикулы, из-за слоистой композитной структуры их материала, оказываются гораздо
более гибкими, нежели стандартные промышленные волоконные световоды. В спикулах
кварцевые блоки соединены органическими молекулами, обеспечивающими конструкции
такую эластичность, что волокна можно завязывать узлом. Еще одно существенное преимущество спикул морских губок заключается в том, что губки формируют свой скелет
при естественных температурах, тогда как промышленное производство кварцевых волоконных световодов, напротив, требует высоких температур. Таким образом, исследование
структуры кремнийорганических спикул морских губок и процессов, обеспечивающих их
управляемый рост, способно дать толчок развитию низкотемпературных нанотехнологий.
Это позволит разработать технологии производства новых композитных биохимических
наноматериалов, способных найти применение в оптоэлектронике, строительстве, медицине и других промышленных отраслях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ересковский А.В. Сравнительная эмбриология губок (Porifera). СПб.: Изд-во СПб. ун-та, 2005. 304 с.
2. Колтун В.М. Стеклянные, или шестилучевые, губки северных и дальневосточных морей СССР: (Класс
Hyalospongiae). Л.: Наука, 1967. 124 c. (Определители по фауне СССР; т. 94).
40
3. Эрлих Г., Ересковский А.В., Дроздов А.Л., Крылова Д.Д., Ханке Т., Майснер Х., Хайнеман С., Ворх Х.
Современный подход к деминерализации спикул стеклянных губок (Porifera: Hexactinellida) с целью извлечения
и исследования протеинового матрикса // Биология моря. 2006. Т. 32, № 3. C. 217-224.
4. Adamson D.H., Morse D.E., Aksay I.A. Non-piptide, silicatein α inspired silica condensation catalyst // Polym.
mater. Sci. Eng. 2004. Vol. 90. P. 239-240.
5. Aizenberg J., Sundar V.C., Yablon A.D., Weaver J.C., Gang Chen. Biological glass fibers: Correlation between
optical and structural properties // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2004. Vol. 101, N 10. P. 3358-3363.
6. Aizenberg J., Weaver J.C., Thanawala M.S., Sundar V.C., Morse D.E., Fratzl P. Skeleton of Euplectella sp.: Structural hierarchy from the nanoscale to the macroscale // Science. 2005. Vol. 309. P. 275-278.
7. Cha J.N., Shimidzu K., Yan Zhou, Christiansen S.C., Chimelka B.F., Stucky G.D., Morse D.E. Silicatein filaments
and subunits from a marine sponge direct the polymerization of the silica and silicones in vivo // Proc. Nat. Acad. Sci.
USA. Biochemistry. 1999. Vol. 96. P. 361-365.
8. Currey J.D. Hierarchies in biomineral structures // Science. 2005. Vol. 309. P. 253-254.
9. Gendron-Badou A., Coradin T., Maquet J., Fröhlich F., Livage J. Spectroscopic characterization of biogenic silica
// J. Non-Cryst. Solids. 2003. Vol. 316. P. 331-337.
10. Gianluca C., Frache A., Milanesio M. et al. Structural characterization of siliceous spicules from marine sponges
// Biophys. J. 2004. Vol. 86. P. 526-534.
11. Holzhuter H., Lakshminarayanan K., Gerber T. Silica structure in the spicules of the sponge Suberites domuncula
// Anal. Bioсhem. 2005. Vol. 382. P. 1121-1126.
12. Institute for Geology, University of Stuttgart: [официальный сайт]. – http://www.porifera.org/a/cif1.htm .
13. Krasko A., Lorenz B., Batel R., Schröder H.C., Müller I.M., Müller W.E.G. Expression of silicatein and collagen genes in the marine sponge Suberites domuncula is controlled by silicate and myotrophin // Eur. J. Biochem. 2000.
Vol. 267. P. 4878-4887.
14. Levi C., Barton J.L., Guillemet C., le Bras E., Lehuede P. A remarkably strong natural glassy rod: the anchoring
spicule of the Monorhaphis sponge // J. Mater. Sci. Lett. 1989. Vol. 8. P. 337-339.
15. Mackie G.O., Singla C.L. Studies on Hexactinellid sponges. 1. Histology of Rhabdocalyptus dawsoni (Lamble,
1873) // Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. 1983. Vol. 301. P. 365-400.
16. Mackie G.O., Lawn I.D., De Ceccatty M.P. Studies on Hexactinellid sponges. 2. Excitability, conduction and
coordination of responses in Rhabdocalyptus dawsoni (Lamble, 1873) // Phil. Trans. R. Soc. London, Ser. B. 1983.
Vol. 301. P. 401-418.
17. Müller W.E.G., Krasko A., le Pennac G., Schröder H.C. Biochemistry and cell biology of silica formation in
sponge // Microsc. Res. Tech. 2003. Vol. 62. P. 368-377.
18. Müller W.E.G., Rothenberger M., Boreiko A., Tremel W., Reiber A., Schröder H.C. Formation of siliceous spicules in the marine demosponge Suberites domuncula // Cell Tissue Research. 2005. Vol. 321. P. 285-297.
19. Müller W.E.G., Wendt K., Geppert Ch., Wiens M., Reiber A., Schröder H.C. Novel photoreception system in
sponges? Unique transmission properties of the stalk spicules from the hexactinellid Hyalonema sieboldi // Biosens.
Bioelectron. 2006. Vol. 21. P. 1149-1155.
20. Müller W.E.G., Belikov S.I., Tremel W., Perry C.C. Siliceous spicules in marine demosponges (example Suberites domuncula) // Micron. 2006. Vol. 37. P. 107-120.
21. Perry C., Keeling-Tucker T. Biosilification: the role of the organic matrix in structure control // J. Biol. Inorg.
Chem. 2000. Vol. 5. P. 537-550.
22. Schonberg C.H.L. New mechanisms in demosponge spicule formation // J. of the Marine Biology of the United
Kingdom. 2001. Vol. 81. P. 345-346.
23. Shimidzu K., Cha J.N., Stucky G.D., Morse D.E. Silicatein α: Cathepsin L-like protein in sponge biosilica //
Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1998. Vol. 95, N 11. P. 6234-6238.
24. Sundar V.C., Yablon A.D., Grazul J.L., Ilan M., Aizenberg J. Fiber-optical features of a glass sponge // Nature.
2003. Vol. 424. P. 899-900.
25. Uriz M.-J., Turon X., Becerro M.A. Silica deposition in Demosponges: spiculogenesis in Crambe crambe // Cell
Tissue Res. 2000. Vol. 301. P. 299-309.
26. Uriz M.-J., Turon X., Becerro M.A., Agell G. Siliceous spicules and skeleton frameworks in sponges: Origin,
diversity, ultrastructural patterns, and biological functions // Microsc. Res. Tech. 2003. Vol. 62. P. 279-299.
41