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为什么动物用钙作为骨骼材料,而不是其它金属,或者碳纤维材料?

 怪罗科普 2022-08-10 发表于浙江

在电影《X战警》中,金刚狼的全身骨骼被换成了艾德曼合金,凭借这一套金属骨骼,金刚狼所向披靡,很多人可能因此幻想过如果自己也拥有一副这样的合金骨骼该多好。

在自然界中,动物有两种普遍的骨骼形式,要么是像许多节肢动物那样拥有坚硬的外骨骼,这种情况下骨骼成分主要是碳酸钙;

图源:Hans Hillewaert

要么是像人类,以及其它脊椎动物那样拥有内骨骼,这种情况下骨骼的主要成分是磷酸钙,或者准确地说是羟基磷灰石

无论动物用哪种骨骼形式生存,它主要应用到的材料就是钙。

那么问题就来了,为什么动物在进化的时候选择钙,而不是其它金属呢?

众所周知,在地壳中钙的含量并不是最多的金属元素,铁和铝的含量都比它多,同时钙也不是人体唯一应用的金属材料——我们的身体充满各种金属。

但是,动物就是偏偏选择了钙作为防御和支撑结构的材料,是不是很有意思。

钙骨骼很强,但并非最好的选择!

很多人可能都认为我们的骨骼很脆弱,所以希望打造一个钢铁骨骼,金刚狼的创作者估计也是这么认为吧。

其实,钙化合物作为骨骼可以是非常强大的,羟基磷灰石的抗拉强度为150MPa,破坏应变为2%,断裂韧性为4MPa(m)½。

如果羟基磷灰石像钢铁一样致密,那么它会比钢铁坚固很多,有人测算过,人骨的强度至少是钢铁的五倍

之所以骨骼会被钢铁击碎,其实原因就在于骨骼并不是完全致密的,它是由管状、中空的结构组成。

这种结构可以更好地承受压力,同时保持更轻的重量,事实上我们的骨骼只占我们体重的六分之一左右,这样运行起来比较节能。

据信,铁的氧化还原反应的活化能与人体产生羟基磷灰石所需的ATP能量是相似的,但如果人体打造一副钢铁骨骼,并以羟基磷灰石相同的形式存在,它可能最少要重3到5倍,这对于生命活动十分不利。

总的来说,在自然界中很难找到像钙化合物这样优秀的架构材料,不过就我们现在的科技而言,在工业生产的材料中,现在的骨骼肯定不是最好的身体选择。

其中钛合金就可以做到在和骨骼一样重量和体积的情况下,却比骨骼拥有更好的参数。比如钛合金的应力要比同等重量的骨头高1.3倍,强度是骨头的5倍。

图:一种钛合金材料

最重要的是钛合金的抗拉强度达到500MPa,如果我们有一个钛合金骨架的话,我们可以承受更重更大的身体,估计也基本不需要细胞去修复骨骼。

图:与头发对比的碳纤维

另外,现在碳纤维材料被普遍运用在假肢等领域,帮助人类和其它动物重塑身体,而且已经被证明,它可以给人类带来比现有骨骼更好的效果。

这里有一个比较有意思的案例:

奥斯卡·皮斯托瑞斯是南非短跑运动员,不过他的失去了双腿,取而代之的是一双碳纤维复合材料制成的腿跑步。

奥斯卡,图源:Jim Thurston

有意思的地方就是,经过系统的科学分析最终得出结论,他的人造腿给他带来了不公平的优势,他一度因此无法和身体健康的跑步者比赛。

如果许多金属是因为它们太重了,而没有得到生物青睐的话,那么这些合金材料,以及更高端的碳纤维材料为什么没有得到选择呢?要知道作为碳基生命,我们以及地球的其它生物是非常懂得利用碳的。

其实,所有的答案就在于地球的动物是如何得到骨骼的。

发现的最早骨骼动物之一Cloudina,图源:SHUHAI XIAO/VIRGINIA TECH

为什么进化选择了钙?

在5.5亿年前,动物是不存在骨骼的,至少在此之前没有任何拥有骨骼的动物被保存了下来。

事情的转变发生在大约6.35年到4.85亿年前,这个时期海洋发生了一系列化学变化,其中包括海洋岩石成分从白云石到石灰石转变,而动物的骨骼也是随着岩石成分变化开始出现的。

除了在时间节点上石灰石激增与动物骨骼出现高度相关外,研究人员还发现了一个事实,那就是与白云石相比,石灰石中包含的文石和方解石的晶体形成速度更快,所需能量更少。

换句话说,如果动物要利用白云石制造含钙骨骼的话,它需要消耗更多的能量,或者说这样的投入根本不值得。

图:石灰石

白云石是在海洋中氧气含量很低的时候形成的,研究人员认为石灰石含量突入激增的原因是,地球在那个阶段含氧量激增导致岩石氧化的缘故。

同样的化学过程也发生在陆地——甚至可能比海洋中更加激烈,然后在雨水的冲刷下,大量的石灰石涌入海洋,并把钙离子推向海洋中第五丰富离子的地位(在金属离子中仅次于钠离子和镁离子),这进一步推动了骨骼进化。

生物的进化非常喜欢就地取材,它们会花很长时间去找到最适合生存的材料,然后利用并优化这些材料。

一般而言,生物选择材料会有两个重要的考量指标,一个是利用这种材料需要浪费多少能量,另一个就是这种材料的丰富度,获取材料是否方便

图:金属钙化学性质很活泼

如果动物起源于海洋,那么毫无疑问,在海洋中(石灰石之后的海洋)钙的含量是符合标准的,它的含量非常丰富。

一般情况下钛合金的强度会很高且很轻,是非常不错的骨骼材料,同时钛在地壳中也十分丰富,但是它在地球上主要以二氧化钛形式存在,不溶于水,换句话说生物很难利用这种材料。

另外一个能量指标,钙对于动物而言可能是超额完成的,因为钙化合物的许多氧化反应是释放能量的过程,动物可能在提取钙化合物的时候还得到了能量。

正因为如此,有一些研究人员甚至认为,动物获得含钙的骨骼的最初原因可能是因为在代谢过程中产生了含钙废物,最终被利用成骨骼

虽然,地球生物非常善于利用碳,但是要通过生物过程得到碳纤维是非常困难的,它需要巨额能量,工业上得到碳纤维就在超高温度下完成的。

图:鳞角腹足蜗牛是已知唯一利用铁制造外骨骼的动物

最后

地球生物选择钙而不是其它金属作为骨骼,除钙本身属性不错之外,最大的助攻是地球本身,钙是地壳中第五丰富的元素,而且非常容易被生物利用。

所以,如果别的星球本身的材料和地球有很大的不同,那么生物有其它选择是完全有可能的。

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