Почему нет организмов с металлическими частями тела, такими как оружие, кости и доспехи? (Или есть?)

Читая этот вопрос, почему нет колесных животных? Я задавался вопросом, почему никакие организмы, кажется, не используют прочность металла на растяжение и другие силы , как это делаем мы в металлических инструментах и ​​​​конструкциях. Я, очевидно, не говорю о микроскопических применениях металла, таких как человеческая кровь и т. д.

Почему нет растений с металлическими шипами? Нет деревьев с "армированной" древесиной? Никаких металлических ленивцев? Никаких жуков со сверлами с металлическими наконечниками? Или есть?

Я могу придумать некоторые потенциальные факторы, почему их нет (или мало), но я не знаю, верны ли они:

  1. Не слишком ли мало металла у поверхности?
  2. Есть ли определенные химические свойства, которые затрудняют извлечение металла и его накопление в больших количествах ?
  3. Является ли металл слишком тяжелым для переноски, даже в виде тонкого слоя, сетки или наконечника?
  4. Может ли металл с высокой прочностью (на растяжение и т. д.) быть выкован только при температурах, слишком высоких , чтобы выдержать его внутри (или при соприкосновении) с органическими тканями, а кристаллизованный металл слишком слаб ?
  5. Действительно ли функционально сопоставимые органические материалы, такие как рог, кость, дерево и т. д., лучше справляются со своими задачами, чем металл , и мы, люди, используем металл только потому, что недостаточно хороши в использовании, например, рога для изготовления доспехов или хитина для изготовления сверл?

Как хищник, я хотел бы съесть много позвоночных и накопить металл из их крови, чтобы укрепить свои клыки...

Бонусный вопрос: существуют ли организмы, использующие высокую электропроводность металла? Нервная система животных зависит от электрических сигналов, но я не думаю, что нервы содержат много металла. То же самое относится и к тем немногим животным, которые используют электричество в качестве оружия.

один из возможных ответов заключается в том, что металлы должны быть расплавлены и выкованы. Они не кристаллизуются при осаждении.
@WYSIWYG: Никогда? Получается, что такие вещества, как пирит, либо не обладают желательными свойствами металлов, либо кристаллизуются при высоких температурах или давлении?
Есть магнитотактические бактерии . Одной из проблем будет окисление. Также шелк паука имеет большую прочность на растяжение на единицу массы, чем сталь. Такие металлы, как магний и железо (каждый) более чем в пять раз реже встречаются в организме человека, чем сера, гораздо меньше углерода или даже кальция, что указывает на их общую биологическую доступность.
Почтовые голуби?
По химии SE я задал аналогичный вопрос (или, скорее, вопрос, навеянный этим ходом мыслей): chemistry.stackexchange.com/questions/4009/…
@mart: Ах, круто!
Почти все металлы подвержены коррозии, а неживые части тела (например, рог) восстановлению не подлежат. Это все, что я думаю.
@TomášZato: Хм, коррозия действительно интересный фактор. Но есть много металлов, которые не сильно подвержены коррозии, например, золото, серебро, алюминий, нержавеющая сталь... Рог можно обновить, как наши ногти и волосы. Нельзя ли аналогичным образом обновить металлические детали кузова? Даже зубы можно обновить, как это делают акулы.
Золото и серебро встречаются редко, алюминий реагирует с водой в кислых условиях, а оксиды нержавеющей стали образуют высокотоксичные отходы.
@TomášZato: Возможно, вы что-то понимаете; хочешь опубликовать это как ответ?
Сталь действительно не является чем-то естественным... :p
@theforestecologist: Почему бы и нет?
Зубы бобра сильно пропитаны железом, что делает их прочнее и жестче. dentalproductsreport.com/dental/article/…
Некоторые моллюски включают железо в свои радикалы researchgate.net/publication/…
@John: А, очень интересно; отсюда их красноватый цвет! Но в статье упоминается стойкость к коррозии, а не прочность на растяжение.
У моллюсков и бобров это также приводит к повышению твердости, что делает их более износостойкими. Включение железа в небольших количествах не сильно повлияет на прочность на растяжение. Кость уже имеет достаточно высокую прочность, сравнимую с магниевыми сплавами. Металлическое железо не очень химически стойкое и быстро разрушается. Если бы он действительно эволюционировал, я представляю, что защитный фермент из растений, стимулирующий коррозию, мог бы легко развиться.
@WYSIWYG Рискуя сейчас выйти за рамки темы: металлы не нужно выковывать в форме, вместо этого их можно отливать или обрабатывать. (Извините, я не мог остановиться, и да, я понимаю, что у меня проблема.)
Ваши кости в основном состоят из металла, кальций — это металл, как и калий, натрий и дюжина других элементов в организме.
@John: Хорошо, но я искал способы использования прочности металла на растяжение, например, когда металл присутствует в виде сетки / списка; Я полагаю, что дело не в костях? См. мой полный вопрос выше.
Гемоглобин в вашей крови содержит четыре атома железа на белок, тогда как гемоцианин ряда беспозвоночных содержит два атома меди.
Объявление «армированная древесина»: целлюлозные волокна имеют прочность на растяжение, сравнимую со стальными «тросами» того же диаметра . Волокна целлюлозы в древесине очень тонкие (1 волокно = 36 молекул) и расположены таким образом, что позволяют клеткам расти.
@BagiM: Хм, но можно ли их использовать особенно полезными способами, которые может использовать металл, в инструментах и ​​оружии?

Ответы (10)

Есть некоторые случаи, как намекают комментарии. Но это относительно небольшое количество металла.

Дело не в том, что металла нет. В частности, железо является четвертым наиболее распространенным элементом в земной коре, и почва, имеющая красноватый цвет, содержит железо. Есть несколько причин, по которым вы не всегда видите железные экзоскелеты на животных. Во-первых, полностью восстановленный (степень окисления 0) металл требует больших энергетических затрат для создания в восстановленной форме.

Железо — второй по распространенности металл после алюминия в земной коре, но оно почти полностью присутствует в окисленном состоянии, то есть в виде ржавчины. Большая часть биологического железа функционирует в степени окисления +2/+3, что больше похоже на ржавчину, чем на металл. Цитохромы и гемоглобин являются примерами того, как железо является более ценным химически активным биологическим агентом, чем структурным агентом, поскольку они используют окисленные ионы железа. Алюминий, самый распространенный металл на Земле, обладает относительно небольшой биологической активностью — можно предположить, что его окислительно-восстановительные затраты даже выше, чем у железа .

Если есть какие-то причины, по которым восстановленные биометаллы не проявляются очень часто, неспособность биологических систем откладывать восстановленные (металлические) металлы не является одной из них. Кость и скорлупа являются примерами биоминерализации, когда белки, откладывающие карбонат кальция или другие оксиды в материале, структурируются белками, чтобы быть более прочными, чем они были бы в виде простого кристалла. Известны случаи, когда биологические системы производили, по общему признанию, небольшие кусочки восстановленного металла. Упоминаются магнитосомы у магнитотактических бактерий, но известны также случаи накопления восстановленного золота микроорганизмами .

Я бы сказал, что хотя железные скелеты и кажутся преимуществом, они электрохимически нестабильны — кислород и вода будут склонны быстро их окислять (ржаветь), и организму придется тратить много энергии на поддержание его в рабочем состоянии. Электрическая проводимость кажется полезной, но нервная система предпочитает тонкие уровни контроля над массовым потоком тока, даже в таких случаях, как электрические угри, чей ток создается градиентами от ацетилхолина .

Более того, это факт, что биологические материалы на самом деле работают так же или даже лучше, чем металл, когда это необходимо. Шелк паука имеет большую прочность на растяжение, чем сталь (вдоль направления нити). Снаряды моллюсков — модели для танковой брони — они удивительно устойчивы к проколам и поломкам. Время, необходимое металлизированным структурам для биологической эволюции, может быть слишком долгим — к тому времени, когда металлизированная версия органа или скелета появится, кости, оболочки и волокна, которые мы знаем, вероятно, будут иметь большое преимущество и селективное преимущество.

осаждение минералов отличается от осаждения свободного металла, и это то, что я имел в виду. Осажденные металлы должны образовывать металлическую связь, иначе они останутся коллоидными.
В то время как минералы, как правило, включают оксиды элементов, а металлы имеют разное химическое состояние, я бы просто сказал, что создание восстановленных металлических структур может быть вызвано подобными генами. они могут структурировать решетку в слои и вносить дефекты определенного количества. я бы сказал, что они представляют собой степень контроля, который гены могли бы оказывать на структуру отложенных минералов, если это необходимо. Я не вижу причин, по которым восстановленные металлы могли бы быть созданы с меньшим контролем над их структурой. Если это так, то, вероятно, есть и другие причины, по которым вы не часто находите органические металлические конструкции.
Спасибо за Ваш ответ! Таким образом, вы в основном говорите, что энергетические затраты на строительство и обслуживание металлических конструкций слишком высоки, чтобы организмы были хорошей инвестицией по сравнению с другими материалами.
да - я должен был просто сказать это :) Я думаю, что его стоимость по сравнению с другими минералами и органическими соединениями высока по сравнению с тем, что вы получаете от использования металла. Ткани на основе металла также могут с трудом заживать после повреждений.
И бобры, и моллюски включают железо в свои зубы/радулу для повышения прочности и сопротивления. однако существует высокая метаболическая стоимость researchgate.net/publication/…
@John: Очень интересная статья. В одном из других ответов также упоминаются моллюски. Но в комментарии говорится, что они используют оксиды или другие соединения, а не металлические листы, поэтому я не думаю, что используется прочность металла на растяжение?
зубы и раковины представляют собой нанокомпозиты, в них используется смесь материалов с различными свойствами, и многие оксиды железа достаточно прочны, на ум приходит гематит. в этих случаях им нужна твердость и химическая стойкость, которых металлическое железо не дало бы.
Золото является ЕДИНСТВЕННЫМ фактическим примером материала, который сам по себе является металлическим и формируется биологией, и, похоже, он не используется. Все другие примеры в биологии, которые я знаю, по существу представляют собой окисленную ржавчину. Даже «медные» зубы мотыля, которые называют «металлическими», — это просто атакамиты и органические полимеры, а может и другие минералы.

Несколько незначительных моментов, которые можно добавить к отличному ответу Шигеты:

Биологические ферменты плохо работают с металлами. Некоторые из них часто включают металлы (см. хелатирование ), но элементарные атомы нелегко обработать. Во-первых, большая молекула будет везде одинаковой, поэтому расщепление, например, будет неизбирательным и оставит только кучу крошечных крошечных атомов.

Более того, как только организм включает металл, он, конечно, мало что может с этим поделать. Многие организмы на основе раковин меняют свои оболочки из-за негибкости этих конструкций, и металл не будет исключением. Трудно расти, когда ты заключен в самодельную железную деву.

Спасибо за ваши дополнения! Я не уверен, что понимаю всю химическую терминологию, но вы, кажется, говорите, что существуют химические причины, по которым металлы трудно обрабатывать организмами, не так ли? // Что касается металлических оболочек, то они могут быть сегментированы, или металл может покрывать только определенные жизненно важные участки участками, или металл может использоваться в суставах или других частях тела...
хорошая мысль, Эмори. Я думаю, что металл можно заменить/обновить, как карбонат кальция, но он будет разлагаться гораздо быстрее, потому что молекулярный кислород тоже повсюду.
Самодельная железная дева будет иметь внутри острые шипы, пронзающие органы. Латная кольчуга была бы лучшим приближением, но даже она не облегает грудь. Еще одним полезным сравнением было бы посмотреть, как мозг не может расти после рождения, потому что он со всех сторон заключен в сплошной слой кости.

Есть веские причины, по которым ткани/структуры с очень высоким содержанием металла могут вызывать проблемы (здесь я полагаюсь на другие ответы).

Однако мне известен еще один пример: некоторые моллюски содержат высокие концентрации железа в кончиках радулы (по сути, полоски зубов, используемых для выпаса). Это особенно важно для пасущихся моллюсков, поскольку они в основном зарабатывают на жизнь, соскребая тонкий слой микроводорослей прямо с поверхности камня.

Очень интересно, хороший контрпример! Таким образом, эти моллюски используют железо, чтобы сделать свою радулу сильнее. Теперь мне интересно, почему не многие другие животные или планы на это тоже ... эти моллюски случайно не живут в окружающей среде, богатой металлами?
Хороший вопрос. Эти моллюски (преимущественно хитоны) встречаются по всему миру, так что это не вопрос какого-то местного изобилия железа, но я предполагаю, что их привычка соскабливать камни дает им довольно высокое потребление железа с пищей (особенно на неосадочных почвах). горные породы). Однако я думаю, что это, вероятно, больше связано с их потребностью в особо прочных зубах, которая перевешивает любые физиологические/химические затраты, связанные с импрегнацией железом. Это всего лишь одно из многих решений в животном мире для борьбы со стираемостью зубов.
Верно! Интересно отметить, что люди совсем недавно отказались от металлических зубов. Я думаю, что стоматологи сейчас используют керамические материалы.
@Cerberus, согласно связанной статье, их зубы не металлические, а из оксида железа (ржавчина, керамический материал).
@Anixx: Хм, ты прав, они используют оксиды, а не чистые кристаллы. Возможно, это все еще актуально, если оксиды металлов все еще тверже большинства материалов?

Ну, есть обыкновенный мотыль (Glycera dibranchiata), которого люди используют в качестве наживки для рыбалки. Животные уникальны тем, что содержат много меди, не будучи отравленными. Их челюсти необычайно сильны, так как они также содержат металл в виде биоминерала хлорида на основе меди, известного как атакамит.

http://www.sciencemag.org/content/298/5592/389.long

И в отличие от моллюсков (Nereis limbata), челюсти которых содержат металлический цинк, медь в минерале челюстей Glycera фактически присутствует в кристаллической форме.

http://www.pnas.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=12886017

Предполагается, что эта медь используется в качестве катализатора его ядовитого укуса.

(Я взял это из Википедии)

Эволюция невероятна.
Отличный пример! Таким образом, медь служит двойной цели: она делает челюсть сильнее и действует как катализатор. Умный червь.

Похоже, что у некоторых ос-паразитоидов на яйцекладе есть зазубрины, покрытые цинком, которые помогают им просверливать древесину и откладывать яйца.

Вот запись в блоге об этом на IFL Science и оригинальная статья:

Образцы паразитоидных яйцекладов имели массовый процент цинка 7,19 ± 3,8% (N = 42) в концевых областях, что было значительно выше (P <0,05), чем в отдаленных регионах опылителей и паразитоидов (<1%; N = 10) .

Кунданати и Гундиа (2014) Биомеханика бурения субстрата инжирными осами. J Exp Bio 217: 1946-1954 гг.

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Scaly-foot_gastropod

Брюхоногие моллюски с грейгитом, пиритом и графитом на панцире и ноге.

Из-за большого количества этих соединений в растворенном виде окружают гидротермальные источники.

Предположение для цели: оболочка чрезвычайно устойчива, металл значительно улучшает это. Хотя неясно, считала ли эволюция эту адаптацию необходимой из-за обилия сильных хищников или как средство детоксикации проглоченных соединений.

Три популяции этих улиток имеют различный состав, одна из которых даже является магнитной из-за различных соединений, производимых жерлами.

Извинения, вот не вики http://www.esa.org/esablog/research/iron-plated-snail/

Очень интересный пример! Кажется, что это соединение, но, вероятно, атомы железа делают это соединение прочным?
Копнув немного глубже в ссылки, вы найдете больше предположений, чем ответов.
Из трех независимых популяций популяция Solitaire Fields вообще не использует зернистый грейгит в сцерлитах. Первоначальные гипотезы предполагали, что гранулированный пирит (поле Додо) и гранулированный грейгит (поле Кайрей) использовались брюхоногими моллюсками для улучшения защиты. Дальнейший анализ пришел к выводу, что дело не только в компаунде, геометрия поверхности раздела, наслоение и включение других материалов действительно способствуют сопротивлению проникновению, рассеиванию энергии, смягчению разрушения и остановке трещин, а также другим полезным свойствам. Хищники включают в себя конусовидные гвозди и крабов-мореплавателей.
Я считаю, что именно структура молекул грейгита больше способствует прочности шерлитов и оболочек. Раковина с использованием слоистости и сцерлитов, расположенных в виде чешуи, напоминающей чешуйчатую кольчугу. Кроме того, грейгит имеет твердость всего 4-4,5 по шкале Мооса, сам по себе не такой уж твердый материал для сравнения (флюорит, никель, железо, сталь). Арогонит (полиморф карбоната кальция) составляет большую часть третичного слоя оболочки (ядра), твердость 3,5-4. Вторичный слой состоит из периостракума, мясистого материала. Состав первичного слоя пирит, грейгит или отсутствует (солитер).
Хм, так что... в конце концов эффективность снаряда не может быть результатом типичной прочности металла на растяжение (или другой)? PS Я верю, что крабы могут раскалывать раковины, но я не думаю, что улитка-конус может пробить или взломать какую-либо полуприличную раковину, вы согласны? Или у него есть специальные скучные радулы, которые могут это делать?
Металл очень помогает тем 2 группам, которые им пользуются. Мой комментарий о том, что эти 2 минерала не такие твердые, касался того, что твердость 4-4,5 чуть ниже среднего. Сталь имеет одинаковую твердость. Апатит имеет твердость 5, что тверже стали, а гидроксиапатит является основным компонентом зубной эмали и кости. Для улиток грейгит и пирит являются более твердыми материалами, чем сами по себе материалы раковины. Таким образом, сочетание металлов и арогонита, а также то, как они структурированы, способствуют прочности на растяжение, рассеиванию тепла и отражательной способности оболочки.
Но у других животных кость и зуб являются более твердым материалом, чем любое из этих двух соединений железа.
Хорошо, это ясно. Интересно, для панцирей больше интересны твердость или прочность на разрыв: против сверлящих хищников нужна твердость, а против крекеров (вроде крабов) нужна прочность на разрыв, не так ли?

Хотя и не в металлической (0) стадии; Железная руда под названием « болотное железо » образуется в результате микробного процесса.

Рис-1: Болотное железо ( Викимедиа )
Болотное железо

Образуется внутри болот и топей , классически в сфагново - моховых болотах . Встречается также в торфе .

Рис-2: болото ( Википедия ), ( Викимедиа )
болото

Рис-3: Sphagnum sp, обыкновенный болотный мох умеренных и холодных регионов. ( Викимедиа )*Сфагнум* вид

Когда Fe(2) или ион железа, более растворимая форма, полученная в грунтовых водах болотистого региона из какого-либо минерального источника, такого как родник , анаэробные железоокисляющие бактерии , такие как Gallionella и Leptothrix и т. д., окисляют его до Fe(3) или железистая форма; которые очень легко осаждаются в виде нерастворимых соединений.

Рис. 4: Пружина действует как источник железа. ( Википедия ), ( Викимедиа ), ( Геологическая служба США ), ( URL-адрес Геологической службы США ).
весна работает как источник железа

Рис. 5: Leptothrix sp. , найденный в железистой среде. ( Викимедиа )
*Лептотрикс* зр.

Компоненты железа, обнаруженные в болотном железе, обычно представляют собой оксигидроксиды железа (III) (FeO) OH различного состава; геологически гетит и лимонит .

Рис. 6: Образцы «болотной руды» из ручья Нассаванго показывают пустоты, выстланные гетитом вокруг массивной «охры». ( Геологическая служба США ), ( URL )
Образцы «болотной руды» из ручья Нассаванго показывают пустоты, выстланные гетитом вокруг массивной «охры».

Источники: >

  1. Википедия.

  2. Производство железа в эпоху викингов , http://www.hurstwic.org http://www.hurstwic.org/history/articles/manufacturing/text/bog_iron.htm

  3. Книги Google: Темы экологической и экологической микробиологии / Под редакцией Шмида и Шехтера / AP; Глава-37 ---> осаждение металла

  4. Google Книги: Экологическая микробиология: основы и приложения: микробная экология / Жан-Клод Бертран / Springer. Глава 14 ( Биогеохимические циклы )

  5. Google Книги: Биология мохообразных / Под редакцией Шоу и Гоффинета / Кембридж; Глава 9: Минеральное питание, экология субстрата и загрязнение / Дж. У. Бейтс .

  6. Бактерии, отлагающие металлы, и распределение марганца и железа в болотных водах/Ghiorse and Chapnick/jstor.org

  7. Образования болотного железа в водоразделе ручья Нассаванго, Мэриленд, США /USGS ( фотографии )

Вы когда-нибудь искали брюхоногого моллюска с чешуйчатыми ногами? Он использует железо в качестве бронежилета. Буквально масштабная броня на Его ноге.введите описание изображения здесь

К сожалению, я только что понял, что кто-то уже размещал эту информацию. Мои извинения.
А теперь представьте, если бы у улитки были любовные дротики, лол. Копья с металлическими наконечниками для отпора вместо воспроизведения. Да, я знаю о раковине и ее ядовитой атаке. Еще одно доказательство того, что природа настолько чужда, насколько мы можем себе представить.
Ваш ответ дал эту замечательную картину, и вы более четко объясняете, как он на самом деле использует куски (частично) металла в качестве чешуйчатой ​​​​брони на своей ноге; другой ответ был в основном о его оболочке. Однако немного больше пояснительного текста улучшит ваш ответ! Кстати, интересно, почему он имеет зеленоватый оттенок, а железо обычно красноватое?
да мне тоже нравится!
@Navyguymarko Какое научное название (идентификация) этой улитки? и какой другой ответ уже упоминает об этом? (не нашел, извините). Не могли бы вы указать источник этого изображения и некоторые другие ссылки, чтобы информацию можно было проверить?

Я не биолог, но хотя это и не принято считать, кальций — это металл, поэтому технически скелеты считаются. кроме того, хотя технически это не металл, зубы блюдца впечатляют. http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-31500883

Довольно интересно, спасибо за ссылку! Что касается кальция, хотя кости и крепкие, действительно ли они содержат кальций в виде металлической сетки/решетки? Думаю, нет?

Barden et al (2017) обнаружили вымерший вид муравья (адский муравей), который жил 95 миллионов лет назад и имел встречающиеся в природе металлические нижние челюсти. Челюсти муравьев по сути такие же, как клыки пауков или зубы человека.

Почему нет организмов с металлическими частями тела, такими как оружие, кости и доспехи? (Или есть?)
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 12v