为什么动物骨骼材料都是钙？其它金属、碳纤维不行吗？

电影《x战警》中，金刚狼的整个骨架换成了埃德尔曼合金有了这套金属骨架，金刚狼就无敌了

可能很多人都想象过，如果自己有这样的合金骨架该有多好。

在自然界中，动物有两种常见的骨骼形式，要么像许多节肢动物一样有坚硬的外骨骼，在这种情况下，骨骼成分主要是碳酸钙，

要么他们像人类和其他脊椎动物一样有内骨骼，在这种情况下，骨骼的主要成分是磷酸钙，准确地说是羟基磷灰石。

无论生活在什么样的骨骼动物中，它使用的主要材料是钙。

那么问题来了，为什么动物进化时会选择钙而不是其他金属。

众所周知，钙在地壳中的含量并不是最多的金属元素，但铁和铝都比它多，钙也不是人体使用的唯一金属物质mdash我们的身体充满了各种金属

可是，动物只是选择钙作为防御和支持结构的物质是不是很有意思

钙强，但不是最好的选择！

实际上，钙化合物可以像骨骼一样非常强大羟基磷灰石的抗拉强度为150MPa，破坏应变为2%，断裂韧性为4MPa1/2

如果羟基磷灰石像钢一样致密，会比钢强很多据估计，人类骨骼的强度至少是钢的五倍

骨头之所以会被钢铁压碎，是因为骨头并不是完全致密的，而是由管状和中空的结构组成。

这种结构可以更好地承受压力，同时保持重量较轻事实上，我们的骨骼只占我们体重的六分之一左右，这使得跑步更加节能

人们认为，铁的氧化还原反应活化能与人体生成羟基磷灰石所需的ATP能量相似，但如果人体构建一对钢骨，并以羟基磷灰石的相同形态存在，可能至少重3至5倍，这对生命活动非常不利。

一般来说，自然界中很难找到像钙化合物这样优秀的结构材料。

当然，就我们目前的技术而言，在工业生产的材料中，目前的骨骼肯定不是身体的最佳选择。

其中，钛合金可以达到与骨相同的重量和体积，但其参数优于骨比如它的应力是同重量骨骼的1.3倍，强度是骨骼的5倍

照片:一种钛合金材料。

最重要的是钛合金的抗拉强度达到500MPa如果我们有钛合金骨架，就能承受更重更大的身体估计基本不需要细胞来修复骨骼

照片:碳纤维与头发的对比

此外，现在碳纤维材料被广泛应用于假肢等领域，帮助人类和其他动物重塑身体，并被证明可以给人类带来比现有骨骼更好的效果。

这里有一个有趣的案例:

奥斯卡middot皮斯托瑞斯是南非的短跑运动员，但他失去了双腿，转而用一双碳纤维复合材料腿跑步。

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，他一度无法与健康的跑步者竞争。

如果很多金属因为太重而不被生物青睐，为什么不选择这些合金材料和更高端的碳纤维材料。

知道了作为碳基生命，我们和地球上的其他生物都非常懂得利用碳。

其实所有的答案都在于地球上的动物是怎么得到骨头的。

为什么进化选择了钙。

5.5亿年前，动物没有骨骼，至少在此之前，没有保存有骨骼的动物。

事情的变化发生在大约6.35到4.85亿年前，在此期间海洋中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，动物的骨骼也伴随着岩石成分的变化开始出现。

除了在时间节点上石灰石爆炸与动物骨骼的出现高度相关之外，研究人员还发现了一个事实，即与白云石相比，石灰石中所含的文石和方解石的晶体形成速度更快，需要的能量更少。

换句话说，如果一个动物想用白云石制造含钙的骨骼，它需要消耗更多的能量，否则这样的投资根本不值得。

照片:石灰石

白云石是在海洋含氧量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该阶段地球的氧气含量导致岩石氧化

同样的化学过程也发生在陆地上mdash它甚至可能比海洋中的更强烈然后在雨水的冲刷下，大量的石灰石涌入海洋，将钙离子推到了海洋中第五丰富离子的位置，进一步促进了骨骼的进化

生物的进化非常喜欢就地取材他们要花很长时间才能找到最适合生存的材料，然后利用和优化这些材料

一般来说，生物选择材料有两个重要的考虑因素，一是使用这种材料时浪费了多少能量，二是这种材料的丰富程度和是否方便获取。

图:金属钙在化学性质上非常活跃。

如果动物起源于海洋，那么毫无疑问，海洋中的钙含量是达标的，而且是非常丰富的。

总的来说，钛合金是一种非常好的骨材料，强度高，重量轻同时，钛在地壳中含量丰富，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，生物很难利用这种材料

另外一个能量指标，钙对于动物来说可能是超额完成的，因为钙化合物的很多氧化反应都是释放能量的过程，动物在提取钙化合物的时候可能会获得能量。

正因为如此，一些研究者甚至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，最终被用作骨骼。

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，需要巨大的能量碳纤维的工业化生产是在超高温下完成的

照片:鳞腹足蜗牛是唯一已知的使用铁制作外骨骼的动物。

最后

地球选择钙而不是其他金属作为它的骨骼除了其良好的性质，最大的援助是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

因此，如果其他星球的物质与地球的物质有很大不同，生物完全有可能有其他选择。