Химический процесс, который создает сапфировые кости

Чтобы процитировать ответ Логана Р. Кирсли на этот вопрос о более прочных, чем обычно, костях для создания больших, но пропорциональных гуманоидов:

И если вы хотите пойти немного дальше... Сапфир

Сапфир – это оксид алюминия Al2O3. Его прочность на сжатие составляет 2 гигапаскаля, поэтому, даже если вы допускаете некоторые потери при включении его в биологический композит, вы все равно намного опережаете естественную кость. В настоящее время неизвестно, играет ли алюминий какую-либо существенную роль в биологии, но он биодоступен в ионной форме (например, в виде цитрата алюминия) и накапливается в биосфере, поэтому он должен быть доступен в обычных пищевых продуктах — и если биология может справиться с откладыванием кристаллы окисленного железа, я уверен, что можно придумать что-нибудь для осаждения окисленного алюминия!

Итак, это правда, что «биология может справиться с откладыванием окисленных кристаллов железа»; в частности, в зубах блюдечек используются монокристаллические усы гетита, взвешенные в матрице коллагена .

Однако сапфиры немного отличаются от этого. Сапфиры сделаны из корунда со следами других металлов, которые, согласно разделу Википедии о его синтетических версиях , требуют очень высоких температур — в тысячи градусов — для образования; в частности, температуры, которые кажутся несовместимыми с жизнью, какой мы ее знаем. Более того, для некоторых из этих реакций требуются основания.(которые иногда делают вдвойне плохие вещи для земной биохимии) или фтор. Это отличается от гетита, для которого я не могу найти ничего подобного; гетит, по-видимому, образуется при выветривании других железосодержащих минералов и не связан с высокими температурами, основаниями и т.п. Вот почему блюдечки могут использовать гетит для изготовления зубов.

Так вот, я понятия не имею, есть ли способ делать сапфиры таким образом, чтобы не использовать высокие температуры, чрезмерно кислые или чрезмерно щелочные химические вещества или другие условия, враждебные жизни, какой мы ее знаем. Войдите.

Существует ли на самом деле какой-то биологический метод, способный существовать в земной биологии, для производства костей из сапфира, корунда или оксида алюминия?

Хорошие ответы либо объяснят, почему это невыполнимо, либо приведут некоторую форму химической реакции, способную сделать это, которая может существовать в теле земных существ, не расплавляя их, не сжигая их, не разъедая их или иным образом не делая что-то неприятное.

В ЛУЧШИХ ответах будет указана химическая реакция, которая ДЕЙСТВИТЕЛЬНО включает высокие температуры, основные химические вещества и т.п., но указанные лучшие ответы ТАКЖЕ предоставят способ ее работы с земной жизнью.

обратите внимание, что сапфир — это просто корунд, если вы намеренно не добавляете определенные следовые примеси. Есть ли причина, по которой вы звоните, это сапфир?
@John Это то, как описал это Логан Р. Кирсли, поэтому я придерживаюсь точности; Я знаю, что это корунд, и упомянул корунд в своем ответе. К тому же это кликбейт.
Просто проверяю, вы рассматривали перламутр? Человеческая бедренная кость работает при 205 МПа против 300-500 МПа у перламутра. Прочность перламутра на растяжение не так уж велика, поэтому я не знаю, насколько хорошо он в конечном итоге будет работать со всем скелетом.
@Лемминг, я знаю, но я хочу хрустальные кости. Кроме того, эти кости предназначены для чего-то ОЧЕНЬ большого, где каждый мегапаскаль прочности на сжатие имеет значение — конечно, технически это будут кристаллические волокна сапфира/корунда, взвешенные в коллагеновой матрице, но важно то, из чего состоят эти кристаллы.
Я думаю, что ваш единственный вариант обработки алюминия, насколько это касается земной жизни, — это гидроксид алюминия, чья прочность на сжатие всех его полиморфов от дойлеита до нордстрандита не является чем-то особенным. Включение уже сформированных сапфиров было бы лучшим выбором, если вы хотите, чтобы сапфиры были частью ваших костей.
Вы думали об использовании алмаза? Это углерод, поэтому он должен легко перерабатываться земной жизнью, вам просто нужно найти способ, чтобы жизнь действительно производила его, прочность на сжатие 8680–16530 МПа matweb.com/search/…

Ответы (3)

Ничто в биологии, основанной на воде, не даст вам оксид алюминия при температуре окружающей среды, все, что вы получите, это гидроксид алюминия или соединения, в которых ОН связан с атомом алюминия.

  • Гидроксид алюминия - стандартная энтальпия образования (Δ f H ⦵ 298) составляет −1277 кДж·моль −1 – это довольно глубокая

  • Оксид алюминия - стандартная энтальпия образования (Δ f H ⦵ 298) составляет −1675,7 кДж·моль −1

Оксид алюминия более стабилен, чем гидроксид, и это хорошо, иначе у нас не было бы алюминия в металлическом виде - компактный оксидный слой, образующийся на поверхности металлического алюминия, предохраняет его от дальнейшей коррозии.
Но гидроксид не может самопроизвольно удалить воду и попасть в более глубокую яму с потенциальной энергией — для активации реакции разложения требуется внешнее приложение энергии .

Я не смог найти значение энергии активации разложения гидроксида алюминия на его оксид и воду. Но, поскольку это связано с сильным нагревом и выделением воды в виде паров , она не может быть ниже энтальпии парообразования воды - если бы это было так, то наблюдалось бы "дегидратирование" гидроксида алюминия при температуре ниже точки кипения. воды (см. также закон Гесса ).
Таким образом, энергия активации может быть только больше 40,66 кДж·моль -1 - печальная реальность, заключающаяся в том, что организм, пытающийся получить оксид алюминия из своего гидроксида, должен прокаливать (т.е. больше, чем выпаривать) эту воду.

Последствие наличия гидроксида алюминия, который находится глубоко в «колодце потенциальной энергии образования», означает, что все другие соли (или ионные соединения, подобные алюминию) будут либо:

  • гидратируют в присутствии воды – таким образом получают те основные соли алюминия или алюминаты ; или
  • разлагаются на слабую кислоту и гидроксид алюминия - в случае с алкоксидом алюминия , где спирт вынужден играть роль слабой кислоты - см. триэтоксид алюминия , диэтилалюминийэтоксид или изопропоксид алюминия - из-за их реакции с водой эти вещества будут сильно коррозионными (в категория GHS05 ); или
  • нерастворим в воде - как и AlPO 4 (который сам по себе требует довольно жестких условий для приготовления - гидротермальный синтез обычно происходит при температуре 200°С+ и высоком давлении).
Учитывая, что весь смысл ферментов заключается в уменьшении или устранении энергии активации, я не уверен, что наличие огромной энергии активации для обезвоживания само по себе является препятствием для биологического использования.
@LoganR.Kearsley ферменты будут катализировать реакции с энергией активации, равной энергии УФ-фотона. Проходя через эту энергию, вы бы попросили биологию быть устойчивой к окислительным стрессам, превышающим нормальную способность к восстановлению. А вы требуете отщепления нескольких ОН-, химически связанных с атомом Al, в водной среде, которая только рада их вернуть.
@LoganR.Kearsley Здесь опубликовано pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11833776 «сильное взаимодействие Al3+, основной токсичной формы Al, с лигандами-донорами кислорода (белками, нуклеиновыми кислотами, полисахаридами) приводит к ингибированию клеточного деления, расширению клеток , и транспорт. Хотя идентификация генов толерантности к Al продолжается, механизм их экспрессии остается неясным». И вся "похожая статья" полна "токсичности алюминия для растений" - с высшей степенью адаптации "толерантность". (продолжение)
(продолжение) Поскольку растения не могут двигаться, можно было бы подумать, что некоторые из них эволюционировали бы, чтобы использовать алюминий, если бы было преимущество в его использовании (в конце концов, многие растения используют кремний, даже если для его использования нет энергетического метаболического преимущества, т.е. не использовать его в пищу). Однако в случае с алюминием этого, кажется, не произошло.
Достойные баллы, спасибо.

Цитирую Википедию :

Процесс Вернейля позволяет производить безупречные монокристаллы сапфира и рубина гораздо большего размера, чем обычно встречаются в природе. Также возможно выращивать синтетический корунд ювелирного качества методом выращивания под флюсом и гидротермальным синтезом. Из-за простоты методов синтеза корунда на рынке стало доступно большое количество этих кристаллов по цене, составляющей часть стоимости природных камней.

Это говорит мне о том, что люди больше не заинтересованы в больших исследованиях новых методов синтетического формирования сапфиров. Как вы сказали, алюминий не используется организмами. Так что биологов это тоже не интересует. Это просто оставляет спекуляции.

Насколько я понимаю, все старые модели роста кристаллов предполагают, что кристаллы растут мономер за мономером (единица за единицей). В этой теории не предполагалось никаких биологических катализаторов. По крайней мере, не для минеральных кристаллов, таких как сапфир. Я думаю, это связано с тем, что сами кристаллы не являются биодоступными. Это указывает на то, что ферментам было бы трудно катализировать добавление новых мономеров к кристаллу. Без этого катализа вам нужны условия, которые они используют при синтетическом росте.

В этой научной статье рассказывается о новой теории образования кристаллов. Там, где они думают, что кристаллы также растут за счет включения более крупных частиц, чем просто мономеры. Но он вышел только в 2015 году, и с использованием этой новой модели было проделано лишь ограниченное количество работ.

В заключение, биологический синтез сапфира, вероятно, невозможен. Хотя я не вижу проблемы в спасении сапфира от окружающей среды.

Возможно, вам повезет найти информацию о оксиде алюминия, так как «сапфир» обычно представляет собой объемные кристаллические формы. Вот статья о производстве нановолокон оксида алюминия путем электропрядения алюминийсодержащих полимерных волокон с использованием изопропоксида алюминия в качестве алюминийсодержащего органического химического вещества... но последним этапом процесса является прокаливание при 1100 °C.

Даже если вы сможете биологически обращаться с такими соединениями, как изопропоксид алюминия, биологическое производство таких соединений из соединений алюминия из окружающей среды — это натяжка. Кальций и магний обычно присутствуют как в растворимых, так и в нерастворимых соединениях, для перемещения между которыми требуется мало энергии, но алюминий в основном присутствует в виде оксидов и алюмосиликатов, с которыми биологически очень трудно работать.

И даже если это биологически осуществимо, почему такая система должна развиваться? Костные ткани развились в значительной степени для хранения кальция и фосфора, у которых огромный спектр биологических функций. Алюминий на самом деле не обладает какими-либо полезными химическими свойствами, которые способствовали бы сохранению его организмами, и в любом случае образование глинозема было бы слишком сложно обратить вспять.

Было бы лучше, если бы биология этого организма была полностью не основана на воде - изопропоксид алюминия разлагается в присутствии воды на изопропиловый спирт и Al(OH)3.
Некоторые другие металлоорганические соединения могут работать лучше, изопропоксид алюминия — это как раз то, что они использовали в этой статье. Не исключено, что такие соединения можно изолировать в сухих и нереакционноспособных средах. Это было бы очень сложно, с потерями и энергоемко, но не так сильно, как биологическое воспроизведение стадии прокаливания.
"Возможно, какой-нибудь другой металлоорганический подойдет лучше" - искал такие, не нашел.
Химический процесс, который создает сапфировые кости
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v