今熱點：為什么動物骨骼材料都是鈣？別的不行嗎？

在電影《X戰警》中，金剛狼的全身骨骼被換成了艾德曼合金，憑借這一套金屬骨骼，金剛狼所向披靡。很多人可能因此幻想過如果自己也擁有一副這樣的合金骨骼該多好。

在自然界中，動物有兩種普遍的骨骼形式，要么是像許多節肢動物那樣擁有堅硬的外骨骼，這種情況下骨骼成分主要是碳酸鈣；要么是像人類，以及其它脊椎動物那樣擁有內骨骼，這種情況下骨骼的主要成分是磷酸鈣，或者準確地說是羥基磷灰石。

(相關資料圖)

* 圖源：Hans Hillewaert

無論動物用哪種骨骼形式生存，它主要應用到的材料就是鈣。那么問題就來了，為什么動物在進化的時候選擇鈣，而不是其它金屬呢？

眾所周知，在地殼中鈣的含量并不是最多的金屬元素，鐵和鋁的含量都比它多，同時鈣也不是人體唯一應用的金屬材料——我們的身體充滿各種金屬。但是，動物就是偏偏選擇了鈣作為防御和支撐結構的材料，是不是很有意思？

鈣骨骼很強，但并非最好的選擇！

很多人可能都認為我們的骨骼很脆弱，所以希望打造一個鋼鐵骨骼，金剛狼的創作者估計也是這么認為吧。

其實，鈣化合物作為骨骼可以是非常強大的，羥基磷灰石的抗拉強度為150MPa，破壞應變為2%，斷裂韌性為4MPa(m)1/2。如果羥基磷灰石像鋼鐵一樣致密，那么它會比鋼鐵堅固很多，有人測算過，人骨的強度至少是鋼鐵的五倍。之所以骨骼會被鋼鐵擊碎，其實原因就在于骨骼并不是完全致密的，它是由管狀、中空的結構組成。這種結構可以更好地承受壓力，同時保持更輕的重量，事實上我們的骨骼只占我們體重的六分之一左右，這樣運行起來比較節能。

據信，鐵的氧化還原反應的活化能與人體產生羥基磷灰石所需的ATP能量是相似的，但如果人體打造一副鋼鐵骨骼，并以羥基磷灰石相同的形式存在，它可能最少要重3到5倍，這對于生命活動十分不利。

總的來說，在自然界中很難找到像鈣化合物這樣優秀的架構材料。

當然，就我們現在的科技而言，在工業生產的材料中，現在的骨骼肯定不是最好的身體選擇。其中鈦合金就可以做到在和骨骼一樣重量和體積的情況下，卻比骨骼擁有更好的參數，比如應力要比同等重量的骨頭高1.3倍，強度是骨頭的5倍。

* 圖：一種鈦合金材料

最重要的是鈦合金的抗拉強度達到500MPa，如果我們有一個鈦合金骨架的話，我們可以承受更重更大的身體，估計也基本不需要細胞去修復骨骼。

* 圖：與頭發對比的碳纖維

另外，現在碳纖維材料被普遍運用在假肢等領域，幫助人類和其它動物重塑身體，而且已經被證明，它可以給人類帶來比現有骨骼更好的效果。

這里有一個比較有意思的案例：

奧斯卡·皮斯托瑞斯是南非短跑運動員，不過他的失去了雙腿，取而代之的是一雙碳纖維復合材料制成的腿跑步。有意思的地方就是，經過系統的科學分析最終得出結論，他的人造腿給他帶來了不公平的優勢，他一度因此無法和身體健康的跑步者比賽。

如果許多金屬是因為它們太重了，而沒有得到生物青睞的話，那么這些合金材料，以及更高端的碳纖維材料為什么沒有得到選擇呢？要知道作為碳基生命，我們以及地球的其它生物是非常懂得利用碳的。

其實，所有的答案就在于地球的動物是如何得到骨骼的。

* 發現的最早骨骼動物之一Cloudina，圖源：SHUHAI XIAO/VIRGINIA TECH

為什么進化選擇了鈣？

在5.5億年前，動物是不存在骨骼的，至少在此之前沒有任何擁有骨骼的動物被保存了下來。

事情的轉變發生在大約6.35年到4.85億年前，這個時期海洋發生了一系列化學變化，其中包括海洋巖石成分從白云石到石灰石轉變，而動物的骨骼也是隨著巖石成分變化開始出現的。除了在時間節點上石灰石激增與動物骨骼出現高度相關外，研究人員還發現了一個事實，那就是與白云石相比，石灰石中包含的文石和方解石的晶體形成速度更快，所需能量更少。

換句話說，如果動物要利用白云石制造含鈣骨骼的話，它需要消耗更多的能量，或者說這樣的投入根本不值得。

* 圖：石灰石

白云石是在海洋中氧氣含量很低的時候形成的，研究人員認為石灰石含量突入激增的原因是，地球在那個階段含氧量激增導致巖石氧化的緣故。同樣的化學過程也發生在陸地——甚至可能比海洋中更加激烈，然后在雨水的沖刷下，大量的石灰石涌入海洋，并把鈣離子推向海洋中第五豐富離子的地位（在金屬離子中僅次于鈉離子和鎂離子），這進一步推動了骨骼進化。

生物的進化非常喜歡就地取材，它們會花很長時間去找到最適合生存的材料，然后利用并優化這些材料。一般而言，生物選擇材料會有兩個重要的考量指標，一個是利用這種材料需要浪費多少能量，另一個就是這種材料的豐富度，獲取材料是否方便。如果動物起源于海洋，那么毫無疑問，在海洋中（石灰石之后的海洋）鈣的含量是符合標準的，它的含量非常豐富。一般情況下鈦合金的強度會很高且很輕，是非常不錯的骨骼材料，同時鈦在地殼中也十分豐富，但是它在地球上主要以二氧化鈦形式存在，不溶于水，換句話說生物很難利用這種材料。

另外一個能量指標，鈣對于動物而言可能是超額完成的，因為鈣化合物的許多氧化反應是釋放能量的過程，動物可能在提取鈣化合物的時候還得到了能量。正因為如此，有一些研究人員甚至認為，動物獲得含鈣的骨骼的最初原因可能是因為在代謝過程中產生了含鈣廢物，最終被利用成骨骼。

雖然，地球生物非常善于利用碳，但是要通過生物過程得到碳纖維是非常困難的，它需要巨額能量，工業上得到碳纖維就在超高溫度下完成的。

最后

地球生物選擇鈣而不是其它金屬作為骨骼，除鈣本身屬性不錯之外，最大的助攻是地球本身，鈣是地殼中第五豐富的元素，而且非常容易被生物利用。所以，如果別的星球本身的材料和地球有很大的不同，那么生物有其它選擇是完全有可能的。

原標題：為什么動物骨骼材料都是鈣？其它金屬、碳纖維不行嗎？

本文來自： 快科技

標簽： 羥基磷灰石 鈣化合物 這種材料 研究人員