Trong tự nhiên, động vật có hai dạng bộ xương phổ biến: 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 trong trường hợp này là canxi photphat, hay chính xác hơn là hydroxyapatite.
Bất kể động vật sử dụng dạng xương nào để tồn tại, vật liệu chính mà nó sử dụng là canxi.
Vậy câu hỏi đặt ra là tại sao động vật lại chọn canxi thay vì các kim loại khác khi chúng tiến hóa?
Như chúng ta đã biết, hàm lượng canxi trong vỏ Trái đất không phải là nguyên tố kim loại nhiều nhất, hàm lượng nhôm và sắt nhiều hơn nó và canxi không phải là vật liệu kim loại duy nhất được cơ thể con người sử dụng - cơ thể chúng ta chứa đầy kim loại khác nhau.
Tuy nhiên, tất các các loài động vật lại chỉ chọn canxi làm nguyên liệu cho các cấu trúc phòng thủ và hỗ trợ cơ thể.
Cơ thể chúng ta chứa đầy kim loại khác nhau.
1. Canxi giúp xương chắc khỏe nhưng không phải là lựa chọn tốt nhất
Nhiều người có thể nghĩ rằng xương của chúng ta rất mỏng manh nên họ hy vọng khoa học tiên tiến sẽ chế tạo được một bộ xương bằng thép để tăng sự cứng cáp.
Trên thực tế, các hợp chất canxi như xương và hydroxyapatite có độ bền kéo là 150 MPa (đơn vị đo áp suất trong hệ đo lường quốc tế, 1 Pa = 1 N/m²) 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 quyết định độ chắc khỏe của xương.
Nếu hydroxyapatite dày đặc như thép, nó sẽ mạnh hơn nhiều so với thép, người ta đã tính toán rằng độ bền của xương người là gấp năm lần so với thép.
Lý do tại sao xương bị gãy nằm ở việc xương không hoàn toàn đặc, chúng bao gồm các cấu trúc hình ống và rỗng.
Xương bao gồm các cấu trúc hình ống và rỗng.
Cấu trúc này chịu được áp lực tốt hơn trong khi vẫn giữ được trọng lượng nhẹ và thực tế là xương của chúng ta chỉ chiếm khoảng 1/6 trọng lượng cơ thể nên việc chạy bộ sẽ tiết kiệm năng lượng hơn so với xương có cấu trúc đặc.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng năng lượng kích hoạt của phản ứng oxi hóa khử sắt tương tự như năng lượng ATP mà cơ thể cần để tạo ra hydroxyapatite, nhưng nếu cơ thể xây dựng một bộ xương bằng thép và tồn tại ở dạng giống như hydroxyapatite, thì nó có thể nặng gấp 3 đến 5 lần so với bộ xương hiện tại, và điều đó sẽ gây ra nhiều bất lợi cho sinh hoạt.
Nhìn chung, rất khó để tìm thấy những vật liệu xây dựng xương tuyệt vời như hợp chất canxi trong tự nhiên, nhưng theo công nghệ hiện tại của chúng ta, trong số các vật liệu được sản xuất công nghiệp, xương hiện nay chắc chắn không phải là lựa chọn tốt nhất cho cơ thể.
Trong số đó, hợp kim titan có thể đạt được trọng lượng và thể tích tương tự như xương, nhưng chúng sẽ có các thông số tốt hơn xương. Ví dụ, ứng suất của hợp kim titan cao hơn 1,3 lần so với xương có cùng trọng lượng và độ bền của nó gấp 5 lần xương.
Điều quan trọng nhất là độ bền kéo của hợp kim titan đạt tới 500 MPa, nếu chúng ta có khung xương hợp kim titan, chúng ta có thể chịu đựng một cơ thể nặng hơn và lớn hơn, theo ước tính, về cơ bản chúng ta sẽ không cần tế bào để sửa chữa xương.
Ngoài ra, vật liệu sợi carbon hiện được sử dụng rộng rãi trong các bộ phận giả và các lĩnh vực khác để giúp con người định hình lại cơ thể cũng chứng minh được rằng nó có thể mang lại kết quả tốt hơn cho con người so với xương hiện có.
2. Tại sao hầu hết các sinh vật chọn canxi?
Khoảng 635 đến 485 triệu năm trước, khi một loạt thay đổi hóa học trong đại dương diễn ra, bao gồm sự thay đổi thành phần của đá đại dương từ Dolomit thành đá vôi và xương động vật bắt đầu xuất hiện cùng với sự thay đổi thành phần đá.
Ngoài thực tế là sự gia tăng của đá vôi có mối tương quan chặt chẽ với sự xuất hiện của xương động vật theo thời gian, các nhà nghiên cứu còn phát hiện ra thực tế là các tinh thể aragonit và canxit có trong đá vôi hình thành nhanh hơn và cần ít năng lượng hơn dolomite.
Nói cách khác, nếu một con vật sử dụng dolomite để tạo xương chứa canxi, thì nó sẽ cần tiêu tốn nhiều năng lượng hơn.
Dolomite hình thành khi nồng độ oxy trong đại dương thấp và các nhà nghiên cứu tin rằng hàm lượng đá vôi tăng đột ngột là do quá trình oxy hóa đá khi nồng độ oxy của Trái đất tăng trong thời kỳ đó.
Dolomite hình thành khi nồng độ oxy trong đại dương thấp. (Ảnh minh họa).
Quá trình hóa học tương tự diễn ra trên đất liền - có lẽ còn mạnh hơn trong đại dương - và sau đó, dưới tác động của mưa, một lượng lớn đá vôi bị hòa tan và chảy vào đại dương, đẩy các ion canxi trở thành một trong những ion phổ biến nhất trong đại dương (trong các ion kim loại lại đứng sau các ion natri và magie), thúc đẩy quá trình tiến hóa của xương.
Tiến hóa sinh học rất thích sử dụng những vật liệu sẵn có, chúng sẽ dành thời gian dài để tìm ra vật liệu phù hợp nhất để sinh tồn, sau đó sử dụng và tối ưu hóa những vật liệu này.
Nói chung, có hai cân nhắc quan trọng khi lựa chọn vật liệu sinh học, một là sử dụng vật liệu này lãng phí bao nhiêu năng lượng, hai là sự phong phú của vật liệu này và việc lấy vật liệu đó có thuận tiện hay không. Do đó lượng canxi rất dồi dào của đại dương đã trở thành một loại vật liệu phù hợp với sự tiến hóa của động vật.
Lượng canxi dồi dào của đại dương đã trở thành một loại vật liệu phù hợp với sự tiến hóa của động vật.
Trong trường hợp bình thường, hợp kim titan rất bền và nhẹ, là vật liệu để cấu tạo xương rất tốt, đồng thời, titan cũng rất phong phú trong vỏ Trái đất, nhưng nó chủ yếu tồn tại ở dạng titan dioxide không tan trong nước. Do đó nó là một vật liệu khó sử dụng.
Một chỉ số năng lượng khác đó là nhiều phản ứng oxy hóa các hợp chất canxi là quá trình giải phóng năng lượng và động vật cũng có thể nhận được năng lượng khi chiết xuất các hợp chất canxi.
Vì điều này, một số nhà nghiên cứu thậm chí còn tin rằng nguyên nhân ban đầu khiến động vật có được xương chứa canxi có thể là do các chất thải chứa canxi được tạo ra trong quá trình trao đổi chất và cuối cùng được sử dụng thành xương.
Mặc dù các sinh vật trên Trái đất sử dụng carbon rất tốt, nhưng rất khó để thu được sợi carbon thông qua các quá trình sinh học, ngoài ra sợi carbon đòi hỏi một lượng năng lượng khổng lồ và mức nhiệt độ cực 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.
Tầm quan trọng của nước đối với sự sống không chỉ ở chỗ bản thân nước tham gia vào một số phản ứng hóa học nhất định mà bản thân nước còn là chất mang dung môi của các chất sống, tất cả các chất hóa học tham gia vào các hoạt động sống đều phải hòa tan trong nước để hoàn thành quá trình hoạt động của nó.
Khi cơ thể con người lơ lửng trong bụng mẹ, cơ thể đang phát triển mới bắt đầu hình thành và những hạt giống sẽ hình thành xương trong tương lai - sụn - bắt đầu xuất hiện. Sụn là một loại mô không cứng như xương, nhưng đàn hồi hơn và ở một số khía cạnh, có nhiều chức năng hơn.
Sau này trong quá trình phát triển của bào thai trong bụng mẹ, một lượng lớn sụn bắt đầu biến đổi thành xương - một quá trình được gọi là cốt hóa. Khi quá trình cốt hóa xảy ra, sụn bắt đầu vôi hóa.
Thành phần chính của xương động vật có xương sống là canxi photphat chứ không phải canxi cacbonat vì độ hòa tan của canxi photphat trong nước gấp 1,5 lần so với canxi cacbonat.
Độ hòa tan của canxi cacbonat trong nước tinh khiết là 14 mg/L và của canxi photphat là 20 mg/L. Điều này cũng có nghĩa là xương làm từ canxi photphat sẽ phát triển hiệu quả hơn 1,5 lần so với xương làm từ canxi cacbonat.
Chính vì các vật liệu như nhôm, sắt, titan và sợi carbon không thể hòa tan trong nước nên tế bào không thể sử dụng chúng làm vật liệu xây dựng bộ xương trong của động vật có xương sống.