Какие металлы, кроме кальция, можно использовать для создания чужеродных костей, которые также не будут создавать токсичную для человека среду?

Редактировать: Хорошо, по правде говоря, этот вопрос был частью набора из 5 связанных вопросов, которые мне рекомендовали разбить на отдельные сообщения (в их первоначальном виде комментарии без труда видели, куда все идет). Я думаю, отсюда и возникает путаница, и почему у вас возникли проблемы с тем, что я использую слово « гидроксиапатит » для описания металла, превратившегося в форму, из которой можно построить эндоскелет, вот почему я сейчас удалил это из названия.

Кальций в костях земной стороны также выступает в качестве минеральных запасов, и наша биохимия зависит от уровня кальция в сыворотке, среди прочего: для выполнения сокращения мышц, активации ооцитов, построения крепких костей и зубов, свертывания крови, нервных импульсов, передачи, регуляции сердечного ритма. и баланс жидкости внутри клеток.

Так что это не лучший вариант: «Просто скажите: «Скелет, минерализованный титаном/железом»». Потому что это будет иметь волновые эффекты во всем организме. (Это было затронуто в соответствующем вопросе 3 в исходном посте с несколькими вопросами: «Какое влияние может иметь металл X на химический состав крови, деполяризацию клеток и т. Д.; Будут ли каналы K +, Na + и т. д. по-прежнему эффективны или нет? но я надеялся, чтобы иметь несколько вариантов, чтобы придерживаться их, чтобы они были конкретными, как было предложено.)

Это странный вопрос, я знаю. А если на него нельзя ответить, то это такой вопрос, который слишком гипотетичен, чтобы на него можно было дать общий ответ. Рекомендация некоторых вводных текстов по биохимии была бы столь же ценна для меня, если не более, если это так.

Часть 1 из 4 (отдельно от предыдущего состоящего из нескольких частей поста на одну тему)

Я пытаюсь создать «полутвердый» инопланетный вид для научно-фантастического рассказа. Хотя я отлично провел время, изучая эволюцию, грубую биологию, культуру и тому подобное ... Я слаб в химии во всем, кроме идентификации элементов и их группировок и пускающего слюни ребенка в биохимии, и мне нужна помощь в определении того, что возможно и последствия этих возможностей. Этого практически не будет в истории напрямую, но я хочу, чтобы это было, чтобы я мог правильно принимать реалистичные действия и решения.

На основе 30% кислорода и других нечеловеческих токсичных газов (я не женат на 30%, но я хотел, чтобы было больше атмосферного кислорода для поддержки более крупных беспозвоночных и более глубоководных морских обитателей), несколько более высокая гравитация, крупные и разнообразные животные размеры и доступность металлов из земной коры. Мне нужно знать:

Какие металлы дали бы мне силу и легкость в форме, подобной гидроксиапатиту?

(Я склоняюсь к пене титана или железа или даже к какой-то форме кобальтовой связи? Но я не знаю, как сделать их «живыми», избегая при этом проблемы «окисления железа в кислороде», или если титан/кобальт возможен. металл для этого на основе их земной редкости, но редкость может быть легко отменена для чужой планеты Кобальт рассматривается как вариант, потому что он, по-видимому, не вступает в едкую реакцию с водой и участвует в производстве цианокобаламина на земной стороне, так что, возможно, это может помочь с оксигенацией у более крупных существ на каком-то уровне?)

Фон

У инопланетян в моей истории есть последовательные этапы жизни, где они проводят «младенчество» с определенными пропорциями тела, «юношеский» этап наступает, когда они достигают определенного роста и развития пропорций конечностей и тела, и, наконец, «взрослый», когда они достигают плодородие. Они могут прогрессировать до «старости», где они остаются в пропорциях взрослых, но в целом равномерно увеличиваются в размерах до тех пор, пока они не смогут поддерживать/поддерживать свой рост и, наконец, не разовьют физическое старение и не умрут (или что-то убьет их, когда они начнут слабеть). ). - Это своего рода жизненный цикл птерозавров, когда они по мере своего роста заполняют различные экологические ниши.

Мне нужна скелетная система, которая могла бы быть функциональной на всех этапах развития, как если бы животное было полностью развито в этот момент, но была бы способна приспосабливаться и восстанавливаться по мере необходимости (нет швов на черепе, которые срастаются и не могут срастись). расширить череп позже, например).

Имея в виду этот тип роста, я хотел, чтобы инопланетяне имели очень изменчивый бауплан в разных родах. Сюда входят гигантские полуавтономные летуны (они могут легко поддерживать полет и приземляться, но не могут оторваться от земли, они набирают высоту и падают при первом взмахе вниз), травоядные размером с индрикотера, китообразные и тюленеподобные морские существа. жизнь...

Атмосфера состоит из 30 % кислорода, окружает голубоватую звезду, имеет две луны (поэтому самая темная ночь, которая когда-либо бывает, подобна полной луне на Земле), гравитация сильнее (около 1,5–7 земных g), есть тектонические активность, подобная земной, больше склоняется к землетрясениям, вулканическая активность в основном происходит на плитах под океанами, а участки суши имеют тенденцию медленно подниматься из моря, а субдукция утягивает их под воду с другого конца, также обычно под водой [я надеюсь, что это создает достаточно металлы должны быть доступны на поверхности без необходимости глубокой добычи, пожалуйста, сообщите, если это неправильно, и как это исправить].

Дайте мне знать, если что-то нужно уточнить, я думаю, что упомянул важные моменты. Моя информация по химии взята отсюда, но она не для приложений биологии: https://www.chemicool.com Я также нашел это png периодической таблицы элементов для биологии, кобальт, железо и титан также там, так что... тоже помогает? Периодическая таблица биологических элементов

Бразильянит кажется хорошей отправной точкой — он похож по структуре на гидроксиапатит, но вместо него используется натрий и алюминий. Единственное, он просто немного прочнее и легче - и с ним могут быть и другие проблемы.
Вы уверены, что понимаете, как работает эта новомодная «химия»? Почему вы считаете, что существует какая-либо связь между свойствами элементарного железа или титана и свойствами гидроксифосфата железа или титана? (Да, существуют как гидроксифосфат титана, так и гидроксифосфат железа, также известный как гиниит . В частности, гиниит одновременно мягкий и хрупкий.)
@AlexP из вопроса: « титановая или железная пена » подразумевает металлическую пену , особенно когда за ней следует « окисление железа в кислороде», что подразумевает железо в металлической форме.
Итак, очевидные вопросы к ОП: что не так с гидроксиапатитом кальция? Кажется, он выполняет свою работу и, по-видимому, имеет правдоподобную доступность. Если он недостаточно хорош (или достаточно чужд), вы всегда можете просто отмахнуться от него как от "минерализации" и не вдаваться в подробности. В конце концов, это хороший способ убедиться, что вы не ошибетесь.
Зачем тебе что-то вроде гидроксиапатита? Есть ли что-то в гидроксиапатите, что вам нужно, или вам просто нужен легкий, прочный скелет инопланетянина?
FWIW, подумайте о том, чтобы прочитать о некоторых невероятно крепких зубах, которыми обладают глубоководные формы жизни прямо здесь, на Земле. Та же основная химия, что и у наземных жителей, но соотношение прочности и веса выдающееся.
@Starfish Prime <Зачем вам что-то вроде гидроксиапатита?> Потому что, когда я проводил исследование, прежде чем задать вопрос, в надежде, что у кого-то уже был подобный вопрос, около 2 лет назад кто-то задал вопрос на аналогичную тему, но спросил о кальции. для костей вместо гидроксиапатита и поджарился в комментариях за то, что перепутал их. Итак, чтобы избежать подобного обращения — а, как я уже сказал, я практически ничего не знаю о биохимии, чтобы знать, есть ли более подходящая формулировка — я использовал название, которое, как я знал, подходит для элементарного металла, вплетенного в органическую матрицу для эндоскелета.
@CarlWitthoft Я сделал это! Это было действительно увлекательно и во многом повлияло на то, что я делал в отношении зубов на протяжении всей моей «позвоночной» жизни.
@ Амут, это Уилк задал этот конкретный вопрос, а не я.
Ага.... увидел это и не могу отредактировать. Извини!
@CarlWitthoft ничего особенного в глубоководных зубах. Предположительно, вы думали о зубах блюдечка , и вы найдете Patella vulgata на побережье по всей Европе. Не может быть гораздо менее глубокого океана и при этом оставаться морским существом!
@StarfishPrime я имел в виду некоторые недавние исследования этих очень уродливых длиннозубых глубоководных рыб. Я не знаю, действительно ли они сильнее блюдечек.

Ответы (4)

Хотя я не обязательно согласен со всеми выводами Уилка в его ответе, он поднимает важный вопрос: не нужно использовать всю массу костей в качестве резервуара кальция и фосфора, чтобы по-прежнему изрядно использовать кальций и фосфор в организме. биохимия. На самом деле это может быть примером экзаптации у нехрящевых позвоночных. Вы также можете разумно иметь запасы кальция и фосфора в неструктурных областях и т. д. и т. д., и хотя затраты энергии могут быть выше (потому что теперь вам нужны как минералы костей, так и запасы кальция и фосфора), могут быть и другие преимущества, такие как плотность костей. на него не так сильно влияют болезни или плохое питание.

Вам также не обязательно нужна минерализация, чтобы сделать крепкие части тела... клюв, когти и рога можно сделать очень крепкими или даже очень твердыми из одного только белка. Безусловно, существуют возможности для более сильных структурных белков, чем у наземных животных. Даже на Земле существует большое разнообразие... Бета-кератины птиц и рептилий (и, вероятно, динозавров) несколько тверже, чем альфа-кератины, которые вы найдете, например, на своем теле.

Кальций, очевидно, легко биодоступен, а фосфаты и карбонаты кальция также легко биосинтезируются, но есть и другие варианты, и они вообще не должны включать какой-либо металл, токсичный или какой-либо другой. Рассмотрим силикаты, обнаруженные в фитолитах (синтезированных растениями) или панцирях кремнезема, построенных диатомовыми водорослями , в качестве клеточных стенок. Хотя работать с силикатами немного сложнее, чем с соединениями кальция, очевидно, что они биодоступны и биосинтезируемы, не содержат токсичных металлов, встречаются в живых организмах и отличаются особой твердостью. Кремнезем и гидратированный кремнезем могут иметь твердость по Моосу 5–7, а старый добрый гидроксиапатит кальция — всего 5. Для еще более жесткого варианта рассмотрите карбид кремния (твердость по шкале Мооса 9–9,5), который недавнобиосинтеза в генно-инженерных бактериях . Силикаты в их сыпучих формах не особенно реакционноспособны или токсичны, но в тонкоизмельченной форме (такой, которую иногда можно найти в минеральных отложениях, отложенных мертвыми диатомовыми водорослями ) они могут вызывать пневмокониоз . На Земле происходит некоторое бактериальное расщепление силикатов посредством гидролитических процессов, и если бы существа с силикатным скелетом (и кремнийорганические соединения в целом) были более распространены в вашем мире, вполне могло бы быть больше вещей, которые могут его разлагать. Местная биохимия может быть не токсична для человека, но вы можете обнаружить, что она может разлагать стекло!

В блюдцах используются соединения железа ( гетит , гидроксид железа) с твердостью по Моосу 5,5, чтобы сделать одни из самых твердых зубов в мире . Сульфиды железа поддаются биосинтезу, что указывает на возможность минерализации пирита (Mohs 6-6,5). Обратите внимание, что некоторые химические процессы, связанные с сульфидами железа, могут выделять сероводород, который весьма токсичен для земной жизни. Из-за этого такие существа могут быть не опасны при жизни, но они могут плохо пахнуть после смерти и в замкнутом пространстве (или в других обстоятельствах, таких как разъедание кислотой) могут выделять опасные уровни дыма.

Так что выбирайте протеин для жесткости и минералы для жесткости, и все будет хорошо. Нет необходимости в биохимии экзотических металлов.

Мне нравится идея о бактериях, которые могут разлагать стекло (одним из других моментов истории было то, что планета является золотой жилой бактериального синтеза, потому что там нет грибов-разрушителей, только очень активные бактерии)! Первоначально я думал о кремнеземе, но мое чтение было в основном о жизни на основе кремнезема, и это довольно недружелюбно к человеку. Не обращая внимания на это, мне любопытно, как держится кремнезем, если он увеличивается в размере эндоскелетной кости? Я не был уверен, что оно не будет вести себя как стекло, и предположил, что оно скорее разобьется, чем аккуратно сломается, как кальциевые кости. Пожалуйста, порекомендуйте?
Кости @Amut ведут себя совершенно иначе, чем чистый гидроксиапатит, потому что они представляют собой сложный белково-минеральный композит. Точно так же любой композит кремнезем/белок не будет вести себя как чистый кремнезем, и существует множество различных форм диоксида кремния, которые немного отличаются по своим механическим свойствам. Даже не все виды стекла разбиваются так, как стекло! Есть много возможностей, чтобы передать свойства, которые вам нужны, без того, чтобы все стало неправдоподобным.
@Amut Silica имеет огромное разнообразие аморфных форм. Кости, сделанные из затвердевшего аморфного кремнезема (или силикагеля, или силикатов) имеют смысл.

Нет минерализованного скелета. Используйте хрящ.

Хрящевые скелеты отлично подходят для рыб. Хрящевые рыбы , в том числе акулы и скаты, хорошо себя чувствуют вот уже 500 миллионов лет. Возможно, костяной скелет лучше для наземного существа с ногами, потому что кость может выдержать больший вес. А вот для летающего существа идеально подходят хрящи - хрящи гораздо легче и гибче, чем окостеневшие кости.

Почему же тогда у летающих позвоночных нет хрящевых скелетов? Наверное, потому, что пути назад нет, а летуны изначально были наземными животными. А все наземные животные произошли от костистых рыб, которые первыми заселили сушу. У этих рыб были костные скелеты, как и у всех их потомков, независимо от того, где они оказались.

Weeeeeell ... может быть, не столько для полета; вы хотите, чтобы передняя кромка ваших крыльев была красивой и жесткой, чтобы она не сложилась сразу и не бросила вас навстречу гибели. Вы могли бы получить тот же эффект от хрящевого стержня, удерживаемого в напряжении мышцами по всей его длине, но он может быть не легче, чем альтернатива немой кости.
Хрящ @StarfishPrime может быть таким же жестким, как кость, он не всегда мягкий и гибкий. Я считаю, что у птиц есть кости, а не хрящи, потому что кости также являются отличным хранилищем кальция, который необходим для многих метаболических процессов, а также потому, что их яйца имеют твердую скорлупу на основе кальция.
@Renan существование хрящевых животных и животных с кожистыми яйцами предполагает, что кальций полезен, но не необходим ни для одной из целей. У вас есть ссылка на то, что он такой же жесткий, как минерализованная кость?
@Willk Выдержит ли хрящ рогатого аналога Paraceratherium в 1,5 раза больше земной гравитации? (Тогда он будет весить 22,5–30 тонн [не считая головного убора]), хотя это действительно решает проблему стадии роста/вечного заживления, я обеспокоен тем, что если хрящ должен быть окостенелым, чтобы выдерживать этот вес или поглощать удары без деформации, то это в основном кость в любом случае.
@Amut Мне интересно, как выдержать вес наземных животных, но хрящи достаточно прочны, чтобы поддерживать форму плавников и хвостов мегалодона несколько миллионов лет назад. Конечно, его вес поддерживался водой.
Человеческий нос @StarfishPrime (состоящий из гиалина, самого слабого вида хряща) по сравнению с крыльями маленьких птиц (например, голубя, попугая). Увидев, как ломаются обе вещи и как они ломаются, я думаю, что хрящи могут подойти птицам. Я признаю, что кость более устойчива и лучше выдерживает нагрузку.
Если подумать, могут быть некоторые проблемы с заживлением, связанные с хрящевым скелетом. Трудно сказать без подходящих наземных животных для сравнения, но человеческие кости могут срастаться довольно быстро и надежно, но искривленный хрящ (особенно старый искривленный хрящ), кажется, заживает целую вечность, если вообще заживает. Это может быть не обязательной проблемой хряща, но ее следует учитывать.
@Starfish Prime Сердечно согласился по поводу «старого искривленного хряща». У меня есть колено, которое никогда не было в порядке с тех пор, как я повредил его 20 с лишним лет назад. Могу отмахнуться "у них хрящи прекрасно заживают", но компрессионная нагрузка хлопотная. У слонов и гигантских черепах есть волокнистые подушечки на ногах, а не расширенный хрящ из фаланг, у людей вместо хрящевой подушечки в пятке есть предплюсна, поэтому хрящ может быть нежизнеспособен для крупных наземных животных.
@Starfish Prime: Исцеление - интересный вопрос, и мне интересно, является ли это идиосинкразией того, как наш вид (возможно, наш отряд?) обращается с хрящом - у людей он плохо васкуляризирован. Акулы и скаты, как известно, способны восстанавливаться после повреждений, и поэтому должны делать что-то другое. Интересно, их хрящи выглядят по-другому в отношении васкуляризации?
@Willk Я подозреваю, что они с меньшей вероятностью получат повреждения мягких тканей, чем существа с весом, подверженные падениям и вывихам, но это кажется чем-то, что заслуживает небольшого дальнейшего изучения ...
@Starfish Prime - Я думаю, что для акул меньше падений, больше укусов. Интересно, что я вижу, что кости у акул, подверженные высоким нагрузкам (например, челюсть), имеют кальцифицированный, более прочный хрящ. А для ОП? Мне нравится простой хрящ. Птицы променяли силу на легкость, когда у них развились полые кости. Хрящ должен отлично работать для летунов.

Нет необходимости в минерализации. Пусть кости будут жестким биополимером, таким как дерево. Наноцеллюлоза очень прочная и жесткая. Возможно, вам понадобится песок для твердости или немного помашите рукой, чтобы получить углеродные нановолокна в ваших деревянных костях. Я не имею в виду углеродное волокно, нанотрубки или графен, но агрегаты биологически возможны. Это будет твердый, жесткий, гибкий, легкий и быстро заживляющий, поскольку углерод, азот, кислород и водород составляют большую часть жизни на основе углерода. Нет необходимости иметь дело с относительно небольшими количествами кальция, фосфора и железа в рационе.

Магний и алюминий

иметь нерастворимый твердый материал, образующий фосфаты и оксиды, и неизменные степени окисления, которые я бы предложил использовать в качестве ваших критериев.

Железо и титан, вероятно, подходят, несмотря на их мультивалентность.

Бор

конечно стоит посмотреть. Он может действовать как катион (если не в паре с кислородом) или как частицы, образующие оксидную сеть (бораты немного похожи на силикаты).

Более странные кандидаты включают

цинк или скандий

Sc слишком редко, но в остальном, вероятно, все в порядке. Остальные легкие переходные металлы имеют слишком много окислительно-восстановительного химического состава, чтобы быть хорошей идеей.

Лично мой заказ будет состоять из кремнезема/аморфных силикатов, бора, алюминия, магния, титана, железа, цинка, скандия, и я думаю, что это исчерпывает варианты, если вы не рассматриваете более тяжелые элементы. Мне больше всего нравится Si/B/Al, потому что все они могут образовывать расширенные оксидные/гидроксидные/фосфатные материалы с нестехиометрическим химическим составом, все они относительно бионеактивны, они могут включать другие ионы (анионы или катионы), их оксидные поверхности могут быть функционализированные, они не имеют большого количества окислительно-восстановительной химии. Вы можете легко представить их материалы, сочетающиеся с органическими каркасами. Си лидирует по всем этим признакам.

Какие металлы, кроме кальция, можно использовать для создания чужеродных костей, которые также не будут создавать токсичную для человека среду?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v