Buzz
Bất kể loại xương nào động vật sử dụng, canxi vẫn là vật liệu chủ yếu cho sự tồn tại.
Trong tự nhiên, động vật có hai dạng bộ xương chính: Có bộ xương ngoài cứng như nhiều động vật nhuyễn thể. Trong trường hợp này, bộ xương chủ yếu bao gồm canxi cacbonat, hoặc giống như con người và các động vật có xương sống khác, thành phần chính của xương là canxi photphat, hay chính xác hơn là hydroxyapatite.
Bất kể động vật sử dụng loại xương nào để tồn tại, vật liệu chính mà chúng chọn là canxi.
Vì sao động vật chọn canxi thay vì kim loại khác khi tiến hóa?
Như chúng ta đã biết, canxi không phải là nguyên tố kim loại phong phú nhất trong vỏ Trái Đất. Hàm lượng nhôm và sắt nhiều hơn, và canxi không phải là kim loại duy nhất mà cơ thể con người sử dụng - cơ thể chúng ta chứa đựng nhiều kim loại khác nhau.
Tuy nhiên, tất cả các loài động vật đều lựa chọn canxi làm nguyên liệu chính cho cấu trúc phòng thủ và hỗ trợ cơ thể.
1. Canxi làm xương chắc khỏe nhưng không phải là sự lựa chọn tối ưu
Nhiều người có thể nghĩ rằng xương của chúng ta quá mảnh mai, mong muốn có một bộ xương bằng thép để tăng sự cứng cáp.
Thực tế, các hợp chất canxi như xương và hydroxyapatite có độ bền kéo là 150 MPa, độ biến dạng đến hỏng là 2%, và độ bền đứt gãy là 4 MPa(m).
Khoảng 35% thành phần của xương người là chất hữu cơ, 65% còn lại là canxi photphat và một lượng rất nhỏ canxi cacbonat. Những chất này định rõ độ chắc khỏe của xương.
Nếu hydroxyapatite có độ dày như thép, xương người sẽ mạnh mẽ hơn nhiều so với thép. Ước tính cho thấy độ bền của xương người có thể gấp năm lần so với thép.
Lý do xương gãy nằm ở cấu trúc không hoàn toàn đặc, bao gồm cấu trúc hình ống và rỗng.
Cấu trúc này chịu áp lực tốt hơn và vẫn giữ trọng lượng nhẹ, xương chiếm khoảng 1/6 trọng lượng cơ thể, giúp tiết kiệm năng lượng khi chạy bộ.
Nghiên cứu chỉ ra năng lượng kích hoạt của phản ứng oxi hóa sắt tương đương với năng lượng ATP cần để tạo hydroxyapatite. Xây dựng bộ xương giống như hydroxyapatite sẽ nặng gấp 3-5 lần, gây bất lợi cho sinh hoạt.
Rất khó tìm vật liệu xây dựng xương tốt như hợp chất canxi tự nhiên. Tuy nhiên, trong công nghệ hiện nay, xương không phải là lựa chọn tốt nhất cho cơ thể.
Hợp kim titan có thể đạt trọng lượng và thể tích tương tự xương, nhưng với thông số tốt hơn. Ứng suất của hợp kim titan cao hơn 1,3 lần so với xương, và độ bền gấp 5 lần xương.
Độ bền kéo của hợp kim titan đến 500 MPa. Với khung xương hợp kim titan, chúng ta có thể chịu đựng cơ thể lớn hơn, với ước tính là không cần tế bào sửa chữa xương.
Hơn nữa, sợi carbon đang được sử dụng phổ biến trong bộ phận giả và các lĩnh vực khác để tạo hình cơ thể con người. Điều này chứng minh khả năng mang lại kết quả tốt hơn so với xương hiện tại.
2. Tại sao hầu hết sinh vật chọn canxi?
Khoảng 635-485 triệu năm trước, sự thay đổi hóa học trong đại dương diễn ra, kèm theo sự chuyển đổi từ Dolomit sang đá vôi. Xương động vật bắt đầu xuất hiện kèm theo sự thay đổi thành phần đá.
Bên cạnh sự tăng đáng kể của đá vôi liên quan chặt chẽ đến xuất hiện xương động vật, nghiên cứu còn cho thấy tinh thể aragonit và canxit trong đá vôi hình thành nhanh chóng và tiêu tốn ít năng lượng hơn dolomite.
Nếu một sinh vật sử dụng dolomite để tạo xương chứa canxi, nó sẽ cần nhiều năng lượng hơn.
Dolomite hình thành khi nồng độ oxy trong đại dương thấp, và các nhà nghiên cứu tin rằng tăng đột ngột của đá vôi liên quan đến quá trình oxy hóa đá khi nồng độ oxy trên Trái Đất tăng trong giai đoạn đó.
Quá trình hóa học tương tự xảy ra trên đất liền, có lẽ mạnh mẽ hơn trong đại dương. Dưới tác động của mưa, lượng lớn đá vôi hòa tan và chảy vào đại dương, làm cho ion canxi trở thành một trong những ion phổ biến nhất trong đại dương, thúc đẩy tiến hóa của xương.
Tiến hóa sinh học ưa dụng vật liệu có sẵn, dành thời gian để tìm ra vật liệu phù hợp nhất, sau đó tối ưu hóa chúng.
Tổng cộng, khi chọn vật liệu sinh học, quan trọng là đánh giá năng lượng tiêu tốn và sự phong phú của vật liệu. Do đó, lượng canxi dồi dào trong đại dương trở thành vật liệu phù hợp cho tiến hóa động vật.
Trong điều kiện bình thường, hợp kim titan là vật liệu tốt cho cấu trúc xương với sự bền và nhẹ. Tuy nhiên, titan chủ yếu tồn tại dưới dạng titan dioxide không tan trong nước, làm cho nó khó sử dụng.
Một chỉ số năng lượng khác là nhiều phản ứng oxy hóa canxi giải phóng năng lượng, và động vật có thể nhận năng lượng từ việc chiết xuất canxi.
Do đó, một số nhà nghiên cứu thậm chí tin rằng nguyên nhân động vật sử dụng xương chứa canxi ban đầu có thể là do chất thải chứa canxi được tạo ra trong quá trình trao đổi chất và sau đó được sử dụng để hình thành xương.
Mặc dù carbon là vật liệu tốt cho sinh vật trên Trái Đất, nhưng việc thu được sợi carbon qua các quá trình sinh học rất khó, đồng thời đòi hỏi năng lượng lớn và nhiệt độ cao.
Có một lý do quan trọng khác khiến động vật không xây dựng cơ thể từ hợp kim titan và sợi carbon: Canxi photphat và canxi cacbonat đều ít tan trong nước.
Nước đóng một vai trò quan trọng trong sự sống, không chỉ tham gia vào các phản ứng hóa học mà còn là dung môi của các chất sống. Tất cả các chất sống phải hòa tan trong nước để thực hiện hoạt động của chúng.
Trong giai đoạn lơ lửng trong bụng mẹ, cơ thể mới hình thành phát triển và sụn bắt đầu xuất hiện, làm bắt đầu hình thành xương trong tương lai. Sụn không cứng như xương, nhưng đàn hồi và chức năng hơn ở một số khía cạnh.
Trong quá trình phát triển của bào thai, sự biến đổi từ sụn thành xương bắt đầu, được gọi là cốt hóa. Khi cốt hóa xảy ra, sụn bắt đầu vôi hóa.
Thành phần chính của xương động vật có xương sống là canxi photphat, không phải canxi cacbonat, vì canxi photphat tan nhanh hơn trong nước gấp 1,5 lần so với canxi cacbonat.
Sự hòa tan của canxi cacbonat trong nước tinh khiết là 14 mg/L và của canxi photphat là 20 mg/L. Điều này ngụ ý rằng xương làm từ canxi photphat sẽ phát triển hiệu quả hơn 1,5 lần so với xương làm từ canxi cacbonat.
Vật liệu như nhôm, sắt, titan và sợi carbon không thể hòa tan trong nước, điều này làm cho chúng không thể được sử dụng để xây dựng bộ xương trong cơ thể của động vật có xương sống.
