Spicules of Aculifera (Aplacophora: Solenogastres and Caudofoveata; and Polyplacophora): Formation, Structure and Crystallography

• Autores: Juan Diego Castro Claros
• Directores de la Tesis: Antonio Gerardo Checa González (codir. tes.), Carmen Salas Casanova (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2026
• Idioma: inglés
• ISBN: 9791370153083
• Número de páginas: 288
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
• Resumen
  • español

    Los moluscos constituyen uno de los filos animales más diversos y ecológicamente exitosos, éxito que está estrechamente relacionado con su capacidad para producir estructuras mineralizadas mediante procesos de biomineralización regulados biológicamente. Estos elementos mineralizados desempeñan funciones biológicas esenciales, entre ellas la protección mecánica, el soporte estructural, la locomoción y la interacción con el medio, y contribuyen además de forma significativa a los ciclos biogeoquímicos globales, en particular a los relacionados con el carbonato cálcico. Como consecuencia, la biomineralización en moluscos ha atraído desde hace décadas el interés de disciplinas como la zoología, la paleontología, la ciencia de materiales y la geoquímica. La mayor parte de los estudios sobre biomineralización en moluscos se ha centrado tradicionalmente en los grupos con concha pertenecientes al clado Conchifera, como bivalvos, gasterópodos y cefalópodos. En estos taxones, la concha proporciona un modelo accesible y evidente para investigar la deposición mineral, la organización microestructural, el crecimiento cristalino y los mecanismos moleculares implicados en la formación de biominerales. En contraste, otras estructuras mineralizadas de los moluscos, aunque igualmente extendidos y biológicamente relevantes, han recibido una atención considerablemente menor. Este es el caso del clado Aculifera, que comprende a Aplacophora (Solenogastres y Caudofoveata) y a Polyplacophora. En los aplacóforos, el cuerpo carece de una concha uni- o bivalva y está cubierto por una cutícula en la que se insertan numerosas espículas o escleritos calcáreos, que en conjunto forman un escleritoma. En contraste, los poliplacóforos poseen una armadura dorsal compuesta por ocho placas calcáreas imbricadas; sin embargo, también presentan espículas o escleritos mineralizados en el cinturón del manto que rodea dichas placas, constituyendo un elemento adicional de su escleritoma. De este modo, las espículas o escleritos mineralizados están presentes en todos los aculíferos actuales y representan un rasgo fundamental para comprender tanto la diversidad de las estrategias de biomineralización en los moluscos como las condiciones ancestrales del filo. A pesar de su importancia taxonómica y de su amplia distribución, las espículas de los aculíferos siguen estando pobremente caracterizadas, especialmente en lo relativo a su formación a nivel tisular y celular y a su organización cristalográfica. Los estudios previos se han centrado con frecuencia en la morfología externa o en su valor taxonómico, mientras que los análisis detallados de su contexto histológico, del entorno de crecimiento y de sus propiedades cristalográficas son escasos y fragmentarios. En consecuencia, cuestiones fundamentales sobre cómo se forman las espículas de los aculíferos, cómo se organiza su fase mineral y cómo estos procesos varían entre los principales linajes del grupo permanecen aún sin resolver. La presente tesis doctoral aborda esta cuestión, aún poco documentada, mediante el estudio de la formación y de aspectos cristalográficos de las espículas en moluscos aculíferos, con especial énfasis en el contexto celular e histológico en el que se originan y en la organización cristalográfica de estos elementos biomineralizados. A través de la integración de análisis histológicos y cristalográficos, este trabajo contribuye a una mejor comprensión de la formación de las espículas en Solenogastres, Caudofoveata y Polyplacophora, y situar estos resultados en el contexto más amplio de la biomineralización en moluscos. Para alcanzar estos objetivos, se adoptó un enfoque metodológico multidisciplinar. Se llevaron a cabo análisis histológicos en especímenes embebidos en metacrilato, una técnica que permite preservar simultáneamente los tejidos blandos y los componentes mineralizados sin necesidad de descalcificación. Este procedimiento posibilitó la observación in situ de las espículas dentro de los tejidos circundantes mediante microscopía óptica, proporcionando información directa sobre su relación espacial con el tegumento y con las estructuras epiteliales implicadas en su formación. Además, fue imprescindible la preparación de tejidos para microscopía electrónica de transmisión (TEM), que permitió observar la ultraestructura celular a resolución nanométrica. El estudio de estas secciones hizo posible caracterizar la organización del manto o de la pared corporal, la distribución de las espículas y las características de los espacios en los que tiene lugar la mineralización. Los análisis microestructurales y cristalográficos se realizaron principalmente mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y difracción de electrones retrodispersados (EBSD). Las observaciones con SEM aportaron información detallada sobre la morfología de las espículas, sus rasgos superficiales y su organización interna tras la preparación adecuada de las muestras, mientras que el EBSD permitió caracterizar los patrones de orientación cristalográfica y el grado de coherencia interna dentro de espículas individuales. En casos seleccionados, se empleó además tomografía microcomputerizada (micro-CT) para visualizar la disposición tridimensional de las espículas dentro de la pared corporal, ofreciendo una perspectiva complementaria sobre su organización espacial a escala del organismo.

  • English

    Mollusks constitute one of the most diverse and ecologically successful animal phyla, a success that is closely linked to their ability to produce mineralized structures through biologically regulated biomineralization processes. These mineralized elements perform essential biological functions, including mechanical protection, structural support, locomotion, and interaction with the environment. They also contribute significantly to global biogeochemical cycles, particularly those related to calcium carbonate. Consequently, molluscan biomineralization has attracted sustained interest for decades from disciplines such as zoology, paleontology, materials science, and geochemistry. Most studies on molluscan biomineralization have traditionally focused on shell-bearing groups belonging to the clade Conchifera, such as bivalves, gastropods, and cephalopods. In these taxa, the shell provides an accessible and conspicuous model for investigating mineral deposition, microstructural organization, crystal growth, and the molecular mechanisms involved in biomineral formation. In contrast, other mineralized structures in mollusks, although equally widespread and biologically relevant, have received considerably less attention. This is the case for the clade Aculifera, which comprises Aplacophora (Solenogastres and Caudofoveata) and Polyplacophora. In aplacophorans, the body lacks a uni- or bivalved shell and is instead covered by a cuticle into which numerous calcareous spicules or sclerites are inserted, collectively forming a scleritome. Polyplacophorans, in contrast, possess a dorsal armor composed of eight imbricated calcareous shell plates; however, they also bear mineralized spicules or sclerites in the mantle girdle that surrounds these plates, constituting an additional component of their scleritome. Thus, mineralized spicules or sclerites are present in all extant aculiferans and represent a fundamental feature for understanding both the diversity of biomineralization strategies in mollusks and the ancestral conditions of the phylum. Despite their taxonomic significance and wide distribution, aculiferan spicules remain poorly characterized, particularly with regard to their formation at the tissue and cellular levels and to their crystallographic organization. Previous studies have often focused on external morphology or taxonomic value, whereas detailed analyses of their histological context, growth environment, and crystallographic properties are scarce and fragmentary. As a result, fundamental questions concerning how aculiferan spicules form, how their mineral phase is organized, and how these processes vary among the major lineages of the group remain unresolved. The present doctoral thesis addresses this still poorly documented issue through the study of the formation and crystallographic aspects of spicules in aculiferan mollusks, with particular emphasis on the cellular and histological context in which they originate and on the crystallographic organization of these biomineralized elements. By integrating histological and crystallographic analyses, this work contributes to a better understanding of spicule formation in Solenogastres, Caudofoveata, and Polyplacophora, and places these results within the broader context of molluscan biomineralization. To achieve these objectives, a multidisciplinary methodological approach was adopted. Histological analyses were carried out on specimens embedded in methacrylate, a technique that allows the simultaneous preservation of soft tissues and mineralized components without the need for decalcification. This approach enabled in situ observation of spicules within the surrounding tissues by light microscopy, providing direct information on their spatial relationship with the integument and with the epithelial structures involved in their formation. In addition, tissue preparation for transmission electron microscopy (TEM) was essential to observe cellular ultrastructure at nanometric resolution. The study of these sections made it possible to characterize the organization of the mantle or body wall, the distribution of spicules, and the characteristics of the spaces in which mineralization takes place. Microstructural and crystallographic analyses were performed primarily using scanning electron microscopy (SEM) and electron backscatter diffraction (EBSD). SEM observations provided detailed information on spicule morphology, surface features, and internal organization after appropriate sample preparation, whereas EBSD allowed the characterization of crystallographic orientation patterns and the degree of internal coherence within individual spicules. In selected cases, micro-computed tomography (micro-CT) was also employed to visualize the three-dimensional arrangement of spicules within the body wall, offering a complementary perspective on their spatial organization at the scale of the organism.