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帝國大廈、五角大廈建材 或由微生物礦化產生

2018/1/22 — 15:39

微生物之小,很難想像可與摩天大廈扯上任何關係。澳洲國立大學最新研究發現,帝國大廈、美國國防部五角大廈等建築物中,其中一種原料之所以能堅硬穩實,或與 3.4 億年前的微生物有關。

美國帝國大廈被譽為現代七大工程奇跡之一,至今已屹立不倒近 87 年。其中一種建築材料就是又稱雞蛋石的鮞粒灰岩 (Oolitic Limestone) 。這種石材質地輕而堅硬、抗蝕能力高,加上有多種顏色,廣為建築所用。從顯微鏡下觀察,石材中含有無數只有幾毫米大的「蛋狀」碳酸鈣。

雖然這種石材被廣泛應用於建築之中,但一直都未清楚它們怎樣形成。科學家一般認為透過「雪球效應 (snowball effect) 」,海床沉積物會逐層累積,慢慢形成這種石材。然而,另一支研究隊伍則在 1970 年提出另一種假說,指鮞粒灰岩有機會是由微生物礦化作用形成。

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不同大小和種類的鮞粒灰岩 / Paul, J. et al (2018)

不同大小和種類的鮞粒灰岩 / Paul, J. et al (2018)

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此前就有研究指出部份微生物與現代鮞粒灰岩以及其礦化作用有關。為了解微生物礦化作用與鮞粒灰岩的形成有沒有關係,澳洲國立大學地球科學家 Murray Batchelor 的研究隊伍嘗試以數學模型,模擬礦化作用過程。

Batchelor 所用的數學模型靈感來自腦腫瘤惡化數學模型。此模型假設最初是由微生物生物薄膜 [1] 會出現礦化作用。除此以外,他們亦假設薄膜周邊有足夠養分供微生物生長,情況如同腦腫瘤惡化一樣。透過此模型,研究人員可找出石材核心特性、其層壓式增長,以及大小,並將數據與實驗室合成的鮞粒灰岩比較。

他們利用模型推算出鮞粒灰岩形成的各個階段(圖一):最初先有一層生物膜從周邊環境吸收養分,並不斷增長,形成後來所見的「石環」。在增長過程中,開始出現幾層微生物。其中,最核心的微生物開始死亡,並出現礦化作用。最外圍的一層生物膜的增長闊度增長亦被限制,由此形成石材中的碳酸鈣。另外,研究人員亦發現合成石材形成過程與數學模型數據相乎。

圖一:數學模型顯示石材形成的各個階段。 /Paul et al., (2018).

圖一:數學模型顯示石材形成的各個階段。 /Paul et al., (2018).

研究人員指出,研究未能完全了解整個礦物形成的生物機制,但可從數學模型中找出碳酸鈣形成特性。研究人員認為數學模型將可幫助科學家了解石礦內部石環的基因資訊,並由此了解當時環境與最終沉積物的分別。

註:
[1] 即由一組微生物組合而成的薄膜。

報告:
Batchelor, M.T., Burne, R.V., Henry, B.I., Li, F. & Paul, J. (2018). A biofilm and organomineralisation model for the growth and limiting size of ooids. Scientific Reports, 8. DOI: 10.1038/s41598-017-18908-4

文/Edward Ho、審核/Alan Chiu

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