为什么动物用钙作为骨骼材料，而不是其它金属，或者碳纤维材料？

在电影《X战警》中，金刚狼的骨头换成了艾德曼合金。有了这套金属骨头，金刚狼就立于不败之地了。很多人可能会想象，如果自己有一副这样的合金骨头该多好。

在自然界中，动物有两种常见的骨骼形态，要么像许多节肢动物一样拥有坚硬的外骨骼，这种情况下骨骼的成分主要是碳酸钙；要么像人类一样有内骨骼，要么像其他脊椎动物一样，在这种情况下，骨骼的主要成分是磷酸钙，或者更准确地说，羟基磷灰石。

无论动物使用哪种骨头生存，它使用的主要材料都是钙。

那么问题来了，为什么动物在进化的时候会选择钙而不是其他金属呢？

众所周知，地壳中钙的含量并不是最多的金属元素，铁和铝的含量都比它多。同时，钙并不是人体使用的唯一金属材料——我们的身体充满了各种金属。

然而，动物却偏偏选择钙作为防御和支撑结构的材料，是不是很有趣呢？

钙质强健骨骼，但不是最好的选择！

很多人可能会觉得我们的骨头很脆弱，所以希望打造钢铁骨架，金刚狼的创造者大概也是这么想的。

其实，作为骨骼的钙化合物可以非常坚固，羟基磷灰石的抗拉强度为150MPa，破坏应变为2%，断裂韧性为4MPa(m) 1/2 。

如果羟基磷灰石和钢一样致密，那么它的强度会比钢强很多。据计算，人骨的强度至少是钢铁的五倍。

骨头之所以被钢铁压碎，其实是因为骨头并不是完全致密的，它是由管状和空心结构组成的。

这种结构可以更好地承受压力，同时保持更轻的重量。其实我们的骨骼只占我们体重的六分之一左右，所以跑步比较省力。

认为铁的氧化还原反应的活化能类似于人体产生羟基磷灰石所需的ATP能量，但如果人体构建出钢铁般的骨架，并以与羟基磷灰石相同的形式存在，它可能至少会重3到5倍，这对生命活动是非常不利的。

一般来说，在自然界中很难找到像钙化合物这样优秀的结构材料，但就我们目前的技术而言，在工业化生产的材料中，目前的骨骼绝对不是人体最好的选择。

其中，钛合金可以达到与骨骼相同的重量和体积，但参数却优于骨骼。例如，钛合金的应力是同等重量骨骼的1.3倍，强度是骨骼的5倍。

图：一种钛合金材料

最重要的是钛合金的抗拉强度达到了500MPa。如果我们有了钛合金骨架，就可以承受更重更大的身体了，估计基本不需要it细胞来修复骨骼了。

图：碳纤维与头发的对比

此外，碳纤维材料现在广泛应用于假肢等领域，帮助人类和其他动物重塑身体，事实证明，它可以给人类带来更好的比现有的骨头。更好的效果。

这里有一个有趣的案例：

OscarPistorius是一名南非短跑运动员，但是他失去了双腿，换上了一双由碳纤维复合材料制成的腿用于跑步。

Oscar，来源：JimThurston

有趣的是，经过系统的科学分析，最终得出的结论是，他的假腿给了他不公平的优势，他一度无法与健康人进行赛跑。

如果说很多金属因为太重而不被生物所青睐，那为什么不选择这些合金材料，更高端的碳纤维材料呢？要知道，作为碳基生命，我们和地球上的其他生物都非常懂得如何利用碳。

其实，一切的答案都在于地球上的动物是如何得到骨头的。

Cloudina，最早发现的骨骼动物之一，来源：SHUHAIXIAO/VIRGINIATECH

为什么进化选择了钙？

在5.5亿年前，动物是没有骨头的，至少在那之前没有保存过有骨头的动物。

事情的变化发生在大约6.35到4.85亿年前。在此期间，海洋发生了一系列的化学变化，包括海洋岩石成分从白云石到石灰岩的变化，动物骨骼也开始随着岩石成分的变化而变化。出现了。

除了石灰石激增与当时动物骨骼的出现高度相关外，研究人员还发现石灰石中所含的文石和方解石的结晶形成速度比白云石快，所需的能量更少。

换句话说，如果动物想要用白云石来制造含钙的骨骼，就需要消耗更多的能量，或者这样的投资根本不值得。

图：石灰石

白云石是在海洋含氧量很低的时候形成的。研究人员认为，石灰石含量突然激增的原因是那个阶段地球的氧气含量激增，导致岩石氧化。

同样的化学过程发生在陆地上——也许比海洋中更强烈，然后在雨水的冲刷下，大量的石灰石涌入海洋，将钙离子推至海洋中第五丰富的离子海洋状态（金属离子中仅次于钠、镁离子），进一步促进骨骼进化。

生物的进化非常喜欢就地取材。他们会花费很长时间寻找最适合生存的材料，然后对这些材料进行使用和优化。

一般来说，生物材料的选择有两个重要的考虑因素，一个是使用这个材料浪费了多少能量，一个是这个材料的丰度，是否方便获取材料.

图：金属钙具有化学活性

如果说动物起源于海洋，那么毫无疑问，在海洋（石灰岩之后的海洋）中钙的含量是达标的，而且非常丰富。

总体来说，钛合金的强度和重量都非常轻，是非常好的骨骼材料。同时，钛在地壳中也非常丰富，但在地球上主要以二氧化钛的形式存在，不溶于水。换句话说，生物很难使用这种材料。

另一个能量指标，钙对动物来说可能是超额满足的，因为很多钙化合物的氧化反应都是释放能量的过程，而动物也可能在提取钙化合物的同时获得能量。

正因如此，甚至有研究者认为，动物获得含钙骨骼的最初原因可能是在代谢过程中产生含钙废物，最终被利用形成骨骼。

虽然地球生物非常善于利用碳，但通过生物过程获得碳纤维非常困难，需要消耗巨大的能量，而工业上碳纤维是在超高温下获得的。

图：鳞角腹足类蜗牛是目前已知的唯一一种利用铁制造外骨骼的动物地球本身，钙是地壳中第五丰富的元素，非常容易被生物利用。

所以，如果其他星球的物质与地球有很大的不同，那么生物完全有可能有其他的选择。