生物中的礦物

文／宮守業

　正在本館展出的「碳酸鈣礦物展」也展示了許多生物的標本。為什麼礦物展會展出生物標本呢？原來方解石和霰石雖然是礦物，卻也和很多生物息息相關。很多生物的外骨骼就是由方解石或霰石所構成的。 生物在細胞內或細胞外製造礦物的作用稱為「生物礦化」。人類和其他脊椎動物體內有造骨細胞利用從食物中攝取的磷和鈣製造骨骼和牙齒，這是大家都知道的例子。

　生物礦化其實極為普遍。製造礦物的生物分布在三十多個門，所製造的礦物多達40種，而最常見的有兩種：磷酸鈣和碳酸鈣。磷酸鈣主要出現在脊椎動物的骨骼和牙齒中。而碳酸鈣則是脊椎動物以外的生物製造外骨骼最普遍的材料。

　製造碳酸鈣外殼的生物涵蓋了動物界、植物界和原生生物界。其中動物界包括了：海綿動物門（鈣質海綿）；苔蘚動物門（苔蘚蟲）；腔腸動物門（珊瑚）；軟體動物門的雙殼綱（貝殼）、腹足綱（螺）、翼足綱（貝殼）、頭足綱（鸚鵡螺）；腕足動物門（海豆芽、石燕）；棘皮動物門（海膽、海星）；節肢動物門的甲殼綱（螃蟹）、蔓腳綱（藤壺）、劍尾綱（馬蹄蟹）。植物界的紅藻門（珊瑚藻）、綠藻門（仙掌藻）；以及原生生物界的肉足鞭毛蟲門（有孔蟲）、金黃藻門（球石藻）等等。可謂人丁興旺，聲勢浩大。

　雖然這許多生物都具有碳酸鈣外殼，但是他們各有不同的碳酸鈣礦化機制。珊瑚是在體外形成碳酸鈣。珊瑚蟲內共生的藻類行光合作用的時候，在珊瑚蟲與基底之間或珊瑚蟲與珊瑚蟲之間的微環境吸收二氧化碳而促使霰石結晶。反應式如下：

Ca＋2＋2HCO3—←→CaCO3＋CO2＋H2O

　棘皮動物則是在體內的空腔內形成一片鎂方解石的單晶，海膽的外殼就是由許多片這樣的單晶構成。貝殼則先製造一個蛋白質的網子，然後在這網子上，碳酸根離子和鈣離子依序排列（如圖） 。有的貝殼分泌某種蛋白質會讓碳酸鈣形成方解石，有的貝殼分泌的蛋白質會讓碳酸鈣形成霰石。有的貝殼在外殼的不同部位，分別使用方解石或霰石。

　生物製造礦物早在前寒武紀就開始了。但在寒武紀初期才大量出現具有碳酸鈣硬殼的生物（大約5億3千萬年前）。前寒武紀的生物多數沒有硬殼，因此沒有保存成為化石。所謂寒武紀大爆發本質上可能是生物礦化事件。為什麼具有碳酸鈣外殼的生物大量在寒武紀初期出現呢？有人認為是地球表面的氧氣在寒武紀初期達到足夠的量，有人則認為是生物內在的因素控制，現在還沒有定論。

電子顯微鏡下色雷西蛤中珠母層（N）、泌殼層（Z）和複合交錯層（CCL）的霰石結晶。