¿Por qué no hay organismos con partes del cuerpo de metal, como armas, huesos y armaduras? (¿O hay?)

Leyendo esta pregunta, ¿Por qué no hay animales con ruedas? , Me preguntaba por qué ningún organismo parece hacer uso de la tensión y otras fuerzas del metal , como lo hacemos en las herramientas y construcciones de metal. Obviamente, no estoy hablando de los usos microscópicos del metal, como en la sangre humana, etc.

¿Por qué no hay plantas con espinas de metal? ¿No hay árboles con madera "reforzada"? ¿No hay perezosos chapados en metal? ¿No hay escarabajos con taladros con punta de metal? ¿O hay?

Puedo pensar en algunos factores potenciales por los que no hay ninguno (o pocos), pero no sé si son ciertos:

  1. ¿Es demasiado escaso el metal cerca de la superficie?
  2. ¿Existen ciertas propiedades químicas que hacen que el metal sea difícil de extraer y acumular en grandes cantidades ?
  3. ¿Es el metal demasiado pesado para transportarlo, incluso en una capa delgada, una malla o una punta?
  4. ¿Se puede forjar metal de alta resistencia (a la tracción, etc.) solo a temperaturas demasiado altas para sostener el interior (o tocar) el tejido orgánico, y el metal cristalizado es demasiado débil ?
  5. ¿Son los materiales orgánicos funcionalmente comparables como cuerno, hueso, madera, etc. de hecho mejores en sus tareas que el metal , y los humanos solo usamos metal porque no somos lo suficientemente buenos para usar, por ejemplo, cuerno para hacer armaduras o quitina para hacer taladros?

Como depredador, me gustaría comer muchos vertebrados y guardar el metal de su sangre para reforzar mis colmillos...

Una pregunta adicional: ¿hay organismos que utilicen la alta conductividad eléctrica del metal? Los animales dependen de señales eléctricas para su sistema nervioso, pero no creo que los nervios contengan mucho metal. Lo mismo se aplica a los pocos animales que usan la electricidad como arma.

una respuesta posible es que los metales tienen que ser fundidos y forjados... no cristalizan por deposición...
@WYSIWYG: ¿Nunca? Entonces, cosas como la pirita no exhiben las propiedades deseables de los metales, o cristalizan bajo altas temperaturas o presión.
Hay bacterias magnetotácticas . Un problema sería la oxidación. Además, la seda de araña tiene una mayor resistencia a la tracción por unidad de masa que el acero. Los metales como el magnesio y el hierro son (cada uno) más de cinco veces menos comunes en el cuerpo humano que el azufre, mucho menos carbono o incluso calcio, lo que sugiere una disponibilidad biológica general.
¿Palomas mensajeras?
En química SE, hice una pregunta similar (o más bien una pregunta inspirada en este tren de pensamiento): chemistry.stackexchange.com/questions/4009/…
@mart: ¡Ah, genial!
Casi todos los metales se corroen y las partes no vivas del cuerpo (como el cuerno) no se pueden renovar. Eso es todo lo que pienso.
@TomášZato: Hmm, la corrosión es un factor realmente interesante. Pero hay muchos metales que no se corroen mucho, como el oro, la plata, el aluminio, el acero inoxidable... El cuerno se puede renovar, como en las uñas y el pelo. ¿No se podrían renovar las partes metálicas de la carrocería de manera similar? Incluso los dientes pueden renovarse de alguna manera, como lo hacen los tiburones.
El oro y la plata son raros, el aluminio reacciona con el agua en condiciones ácidas y los óxidos de acero inoxidable para producir desechos altamente tóxicos.
@TomášZato: Puede que estés en algo; ¿Te importaría publicar eso como respuesta?
El acero realmente no es algo que vaya a suceder de forma natural... :p
@theforestecologist: ¿Por qué no?
Los dientes de castor están muy impregnados de hierro, lo que los hace más fuertes y resistentes. dentalproductsreport.com/dental/article/…
Algunos moluscos incorporan hierro en su radual researchgate.net/publication/…
@John: Ah, muy interesante; ¡De ahí su color rojizo! Pero el artículo menciona la resistencia a la corrosión, no la resistencia a la tracción.
En moluscos y castores también se traduce en una mayor dureza, lo que los hace más resistentes al desgaste. La incorporación de hierro en pequeñas cantidades no hará mucho por la resistencia a la tracción. El hueso ya tiene una resistencia bastante alta, comparable a las aleaciones de magnesio. El hierro metálico no es muy resistente a los productos químicos y se descompone rápidamente. Si evolucionó, imagino que una enzima defensiva de las plantas para fomentar la corrosión sería fácil de desarrollar.
@WYSIWYG Corre el riesgo de salirse del tema ahora: los metales no tienen que forjarse en una forma, en su lugar se pueden moldear o mecanizar. (Lo siento, no pude detenerme y sí, me doy cuenta de que tengo un problema).
Tus huesos están hechos en gran parte de metal, el calcio es un metal como lo es el potasio, el sodio y una docena de otros elementos en el cuerpo.
@John: De acuerdo, pero estaba buscando formas en las que usamos la resistencia a la tracción del metal, como cuando el metal está presente en forma de cuadrícula/lista; Creo que ese no es el caso en los huesos? Vea mi pregunta completa arriba.
La hemoglobina de la sangre contiene cuatro átomos de hierro por proteína, mientras que la hemocianina de varios invertebrados contiene dos átomos de cobre.
Ad "madera reforzada": las fibras de celulosa tienen una resistencia a la tracción comparable a los "cables" de acero de igual diámetro . Las fibras de celulosa en la madera son realmente muy delgadas (1 fibra = 36 moléculas) y están dispuestas de manera que permiten el crecimiento celular.
@BagiM: Hmm, pero ¿podrían usarse de las formas especialmente útiles en que puede hacerlo el metal, en herramientas y armamento?

Respuestas (10)

Hay algunos casos, como se insinúa en los comentarios. Pero estas son cantidades relativamente pequeñas de metal.

No es que no haya metal disponible. El hierro en particular es el cuarto elemento más común en la corteza terrestre y el suelo que tiene un color rojizo contiene hierro. Hay varias razones por las que no ves exoesqueletos de hierro en animales todo el tiempo. En primer lugar, el metal completamente reducido (estado de oxidación 0) tiene un alto costo energético para crearlo en forma reducida.

El hierro es el segundo metal más común después del aluminio en la corteza terrestre, pero está presente casi en su totalidad en estados oxidados, es decir, como óxido. La mayor parte del hierro biológico funciona en el estado de oxidación +2/+3, que es más parecido al óxido que al metal. Los citocromos y la hemoglobina son ejemplos de cómo el hierro es más valioso como agente biológico químicamente activo que como agente estructural, utilizando iones de hierro oxidado como lo hacen. El aluminio, el metal más común en la Tierra, tiene relativamente poca actividad biológica; se podría suponer que sus costos redox son incluso más altos que los del hierro .

Si hay algunas razones por las que el biometal reducido no aparece muy a menudo, la incapacidad de los sistemas biológicos para depositar metales reducidos (metálicos) no es una de ellas. El hueso y la concha son ejemplos de biomineralización en los que las proteínas que depositan el carbonato de calcio u otros óxidos en el material son estructuradas por las proteínas para que sean más fuertes de lo que serían como un simple cristal. Hay casos de piezas ciertamente pequeñas de metal reducido que son producidas por sistemas biológicos. Se mencionan los magnetosomas en las bacterias magnetotácticas, pero también hay casos de acumulación de oro reducido por parte de los microorganismos .

Diría que si bien los esqueletos de hierro pueden parecer una ventaja, son electroquímicamente inestables: el oxígeno y el agua tenderán a oxidarlos (herrumbrarlos) rápidamente y el organismo tendría que gastar mucha energía para mantenerlo en forma funcional. La conductividad eléctrica suena útil, pero el sistema nervioso favorece niveles exquisitos de control sobre el flujo de corriente a granel, incluso en casos como las anguilas eléctricas, cuya corriente es producida por gradientes de acetilcolina .

Es más, es un hecho que los materiales biológicos funcionan tan bien o mejor que el metal cuando es necesario. La seda de araña tiene una mayor resistencia a la tracción que el acero (a lo largo de la dirección del hilo). Los caparazones de moluscos son modelos para armaduras de tanques: son notablemente resistentes a perforaciones y roturas. El tiempo que tardarían las estructuras metalizadas en evolucionar biológicamente podría ser demasiado largo: para cuando se inició la versión metalizada de un órgano o esqueleto, los huesos, las conchas y las fibras que conocemos probablemente tengan una gran ventaja selectiva.

la deposición de minerales es diferente de la deposición de metales libres y eso es lo que estaba implicando ... los metales depositados tienen que formar un enlace metálico, de lo contrario, permanecerán coloidales
Si bien los minerales tienden a incluir óxidos de elementos y los metales tienen un estado químico diferente, solo diría que la creación de estructuras metálicas reducidas podría ser creada por tipos similares de genes. pueden estructurar la red en capas e introducir defectos de cantidades específicas. Yo diría que representan un grado de control que los genes podrían ejercer sobre la estructura de los minerales depositados si fuera necesario. No veo ninguna razón por la que se puedan construir metales reducidos con menos control sobre su estructura. Si es así, entonces probablemente hay otras razones por las que no encuentra estructuras metálicas orgánicas con frecuencia.
¡Gracias por tu respuesta! Entonces, principalmente está diciendo que el costo energético de construir y mantener construcciones metálicas es demasiado alto para que los organismos sean una buena inversión en comparación con otros materiales.
sí, debería haber dicho esto :) Creo que el costo en relación con otros minerales y compuestos orgánicos es alto para lo que se obtiene al usar metal. El tejido a base de metal también podría tener dificultades para curarse después del daño.
Los castores y los moluscos incorporan hierro en sus dientes/rádula para aumentar la fuerza y ​​la resistencia. sin embargo, existe un alto costo metabólico researchgate.net/publication/…
@John: Artículo muy interesante. Una de las otras respuestas también menciona moluscos. Pero un comentario dice que usan óxidos u otros compuestos, no listas de metal, por lo que no creo que se use la resistencia a la tracción del metal.
los dientes y las conchas son nanocompuestos que explotan una mezcla de materiales con varias propiedades, y muchos óxidos de hierro son bastante fuertes, me viene a la mente la hematita. en estos casos quieren dureza y resistencia química, que el hierro metálico no te daría.
El oro es el ÚNICO ejemplo real de un material que es metálico en sí mismo formado por la biología, y no parece ser utilizado. Todos los otros ejemplos en biología que conozco son esencialmente óxido oxidado. Incluso los dientes de gusano de sangre de "cobre" que se llaman "metálicos" son solo atacamita y polímeros orgánicos y tal vez otros minerales.

Algunos puntos menores para agregar a la excelente respuesta de shigeta:

Las enzimas biológicas no funcionan bien en los metales. Algunos suelen incorporar metales (ver quelación ), pero los átomos elementales no son fáciles de procesar. Por un lado, una molécula grande sería idéntica en todas partes, por lo que la escisión, por ejemplo, sería indiscriminada y solo dejaría un montón de diminutos átomos.

Más concretamente, una vez que un organismo incorpora metal, ciertamente no hay mucho que pueda hacer al respecto. Muchos organismos con caparazón intercambian sus caparazones debido a la inflexibilidad de esos diseños, y el metal no sería diferente. Es difícil crecer cuando estás encerrado en una doncella de hierro hecha por ti mismo.

¡Gracias por tus adiciones! No estoy seguro de entender toda la terminología química, pero parece estar diciendo que hay razones químicas por las que los metales son difíciles de trabajar para los organismos, ¿no es así? // En cuanto a los caparazones de metal, se pueden segmentar, o el metal solo puede cubrir ciertas áreas vitales en parches, o el metal se puede usar en articulaciones u otras partes del cuerpo...
Buen punto Amory. Creo que el metal podría reemplazarse/revestirse como el carbonato de calcio, pero se degradaría mucho más fácilmente porque el oxígeno molecular también está en todas partes.
Una doncella de hierro hecha a sí misma tendría puntas afiladas perforadoras de órganos en el interior. Una malla de placas sería una mejor aproximación, pero ni siquiera estas se ajustan a la forma en el área del cofre. Otra comparación útil sería observar cómo el cerebro no puede crecer después del nacimiento porque está encerrado en una capa sólida de hueso por todos lados.

Hay buenas razones por las que los tejidos/estructuras con un contenido de metal muy alto pueden causar problemas (me remito a las otras respuestas aquí).

Sin embargo, conozco otro ejemplo: algunos moluscos incorporan altas concentraciones de hierro en las puntas de la rádula (básicamente, una cinta de dientes, utilizada para el pastoreo). Esto es especialmente importante para el pastoreo de moluscos, ya que esencialmente se ganan la vida raspando una fina capa de microalgas directamente de la superficie de la roca.

¡Eso es muy interesante, un buen contraejemplo! Entonces, estos moluscos usan hierro para fortalecer su rádula. Ahora me pregunto por qué no muchos otros animales o planes para esto también... esos moluscos no viven en un ambiente rico en metales.
Buena pregunta. Estos moluscos (principalmente quitones) se encuentran en todo el mundo, por lo que no es una cuestión de abundancia local de hierro, pero supongo que es posible que sus hábitos de raspar rocas les proporcionen una ingesta dietética bastante alta de hierro (particularmente en no sedimentarios). rocas). Sin embargo, creo que probablemente tenga más que ver con su necesidad de dientes especialmente duraderos, lo que supera cualquier costo fisiológico/químico asociado con la impregnación de hierro. Es solo una de las muchas soluciones en el reino animal para lidiar con el desgaste de los dientes.
¡Derecha! Es interesante notar cómo los humanos se han alejado recientemente de los dientes de metal. Creo que los dentistas ahora usan materiales cerámicos.
@Cerberus según el artículo vinculado, sus dientes no son metálicos, sino de óxido de hierro (óxido, un material cerámico).
@Anixx: Hmm, tienes razón, usan óxidos, no cristales puros. ¿Quizás sigue siendo relevante si los óxidos metálicos siguen siendo más duros que la mayoría de los materiales?

Bueno, está el gusano de sangre común (Glycera dibranchiata) que la gente usa como cebo de pesca. Los animales son únicos porque contienen mucho cobre sin estar envenenados. Sus mandíbulas son inusualmente fuertes ya que también contienen el metal en forma de un biomineral de cloruro a base de cobre, conocido como atacamita.

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

Y a diferencia del gusano almeja (Nereis limbata), cuyas mandíbulas contienen el metal zinc, el cobre en el mineral de las mandíbulas de Glycera está realmente presente en su forma cristalina.

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

Se teoriza que este cobre se usa como catalizador para su picadura venenosa.

(Lo saqué de Wikipedia)

La evolución es increíble.
¡Gran ejemplo! Entonces, el cobre tiene un doble propósito: fortalece la mandíbula y funciona como un catalizador. Gusano inteligente.

Parece que algunas avispas parasitoides tienen púas recubiertas de zinc en sus ovipositores que pueden funcionar para ayudarlas a perforar la madera y poner sus huevos.

Aquí está la entrada de blog al respecto en IFL Science y el artículo original:

los especímenes de ovipositores del parasitoide tenían un porcentaje en peso de zinc de 7,19±3,8 % (N=42) en las regiones de la punta, que era significativamente mayor (P<0,05) que en las regiones remotas del polinizador y del parasitoide (<1 %; N=10) .

Kundanati y Gundiah (2014) Biomecánica de la perforación del sustrato por avispas de higo. J Exp Bio 217: 1946-1954

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

Gasterópodo que incorpora greigita, pirita y grafito en su caparazón y pie.

Debido a las grandes cantidades de estos compuestos en forma disuelta rodean las fuentes hidrotermales.

Especulación para el propósito: la carcasa es extremadamente resistente, el metal mejora esto enormemente. Aunque no está claro si la evolución consideró necesaria esta adaptación debido a la abundancia de depredadores fuertes o como un medio de desintoxicación de los compuestos ingeridos.

Las tres poblaciones de estos caracoles tienen composiciones variadas, una de las cuales incluso magnética, debido a los diferentes compuestos que producen los respiraderos.

Disculpas, aquí no hay wiki http://www.esa.org/esablog/research/iron-plated-snail/

Muy interesante ejemplo! Parece ser un compuesto, pero probablemente sean los átomos de hierro los que hacen que el compuesto sea fuerte.
Profundizando un poco más en las referencias, hay más especulaciones que respuestas.
De las tres poblaciones independientes, la población de Solitaire Fields no utiliza en absoluto la greigita granular en las escerlitas. Las hipótesis originales teorizaban que los gasterópodos utilizaban la pirita granular (campo Dodo) y la greigita granular (campos Kairei) para mejorar la defensa. Un análisis posterior concluyó que no es solo el compuesto, las geometrías interfaciales, las capas y la incorporación de otros materiales ayudan en la resistencia a la penetración, la disipación de energía, la mitigación de la detención de fracturas y grietas, y otras características beneficiosas. Los depredadores incluyen, conos, clavos y cangrejos marinos.
Creo que es la estructura de las moléculas de greigita lo que ayuda más en las escerlitas y la resistencia de la capa. Shell usando capas y scerlites dispuestos en forma de tejas que se asemejan a una malla de escamas. Además, Greigite es solo un 4-4.5 en la escala de dureza de Mohs, por sí mismo no es tan duro, materiales comparativos (fluorita, níquel, hierro, acero). La arogonita (polimorfo de carbonato de calcio) constituye la mayor parte de la capa terciaria de la cubierta (núcleo), dureza 3.5-4. Composición de la capa secundaria periostracum, material carnoso. Composición de la capa primaria pirita, greigita o ninguna (solitario).
Hmm, entonces... ¿la efectividad de la carcasa puede no ser el resultado de la resistencia a la tracción típica (u otra) del metal después de todo? PD: Creo que los cangrejos pueden romper las conchas, pero no me imagino que un caracol cono pueda penetrar o romper una concha medio decente de todos modos, ¿no estás de acuerdo? ¿O tiene rádulas especiales y aburridas que pueden hacerlo?
El metal ayuda mucho a los 2 grupos que lo aprovechan. Mi comentario sobre cómo los 2 minerales no son tan duros fue que una dureza de 4-4.5 está justo por debajo del promedio. El acero tiene la misma dureza. La apatita tiene una dureza de 5, que es más dura que el acero, y la hidroxiapatita es el principal componente del esmalte dental y del hueso. Para los caracoles, la greigita y la pirita son materiales más duros que los materiales del caparazón solos. Entonces, la combinación de los metales y la arogonita, y la forma en que están estructurados, ayudan en la resistencia a la tracción, la disipación de calor y las capacidades reflectantes de la cubierta.
Pero en otros animales el hueso y el diente son un material más duro que cualquiera de estos 2 compuestos de hierro.
Está bien, eso está claro. Me pregunto si la dureza o la resistencia a la tracción serían más interesantes para las conchas: contra los depredadores perforadores, quieres dureza, pero contra las galletas (como los cangrejos), quieres resistencia a la tracción, ¿no?

Aunque no en etapa metálica (0); un mineral de hierro llamado " Bog-Iron " se forma a través de un proceso microbiano.

Fig-1: Pantano de hierro ( Wikimedia )
Pantano de hierro

Se forma dentro de ciénagas y pantanos , clásicamente en ciénagas de musgo Sphagnum . También se encuentra en la turba .

Fig-2: un pantano ( Wikipedia ), ( Wikimedia )
un pantano

Fig-3: Sphagnum sp, musgo de pantano común de regiones templadas y frías. ( Wikimedia )*esfagno* sp

Cuando el Fe(2) o el ion ferroso, la forma más soluble, obtenida en el agua subterránea de la región de los pantanos a partir de alguna fuente mineral como un manantial , las bacterias anaeróbicas que oxidan el hierro , como Gallionella y Leptothrix , etc., lo oxidaron en Fe(3) o forma férrica; que muy fácilmente se precipitan como compuestos insolubles.

Fig. 4: El resorte actúa como fuente de hierro. ( Wikipedia ), ( Wikimedia ), ( USGS ), ( URL de USGS ).
primavera funciona como fuente de hierro

Fig. 5: Leptothrix sp. , encontrado en ambiente ferruginoso. ( Wikimedia )
*Leptothrix* sp.

Los componentes de hierro que se encuentran en el hierro de pantano son comúnmente oxihidróxidos de hierro (III) (FeO) OH de composiciones variables; geológicamente Goethita y Limonita .

Fig. 6: Muestras de "mineral de pantano" de Nassawango Creek muestran cavidades revestidas con goethita alrededor de "ocre" masivo. ( USGS ) , ( URL )
Las muestras de "mineral de pantano" de Nassawango Creek muestran cavidades revestidas con goethita alrededor de un "ocre" masivo.

Fuentes: >

  1. Wikipedia.

  2. Producción de hierro en la era vikinga , en http://www.hurstwic.org http://www.hurstwic.org/history/articles/manufacturing/text/bog_iron.htm

  3. Libros de Google: Temas de microbiología ecológica y ambiental / Editado por Schmid y Schaechter/ AP; Capítulo-37 ---> precipitación de metales

  4. Google Books: Microbiología ambiental: fundamentos y aplicaciones: ecología microbiana / Jean-Claude Bertrand/ Springer. Capítulo 14 ( Ciclos biogeoquímicos )

  5. Google Books: Bryophyte Biology / Editado por Shaw y Goffinet / Cambridge; Capítulo 9: Nutrición mineral, ecología del sustrato y contaminación / JW Bates

  6. Bacterias depositadoras de metales y la distribución de manganeso y hierro en aguas pantanosas/ Ghiorse y Chapnick / jstor.org

  7. Formación de pantanos de hierro en la cuenca de Nassawango Creek, Maryland, EE . UU./USGS ( fotos )

¿Alguna vez has buscado el gasterópodo del pie escamoso? Utiliza hierro como una forma de armadura corporal. Literalmente escama la armadura en su pie.ingrese la descripción de la imagen aquí

Vaya, lo siento, me acabo de dar cuenta de que alguien ya publicó esta información. Mis disculpas.
Ahora imagínense si el caracol hubiera armado dardos de amor jajaja. Lanzas con punta de metal para defenderse en lugar de reproducirse. Sí, sé sobre la caracola y su ataque venenoso. Una prueba más de que la naturaleza es tan extraña como cualquier cosa que podamos imaginar.
Su respuesta proporcionó esta gran imagen, y explica más claramente cómo en realidad usa piezas de (parcialmente) metal como armadura de escamas en su pie; la otra respuesta fue principalmente sobre su caparazón. ¡Sin embargo, un poco más de un texto explicativo mejoraría su respuesta! Por cierto, me pregunto por qué tiene un tono verdoso, mientras que el hierro suele ser rojizo.
si a mi también me gusta!
@Navyguymarko ¿Cuál es el nombre científico (identidad) de este caracol? y que otra respuesta ya lo menciona? (No pude encontrar eso, lo siento). ¿Podría proporcionar la fuente de esta imagen y algunos otros enlaces para poder verificar la información?

No soy biólogo, pero aunque no se considera comúnmente, el calcio ES un metal, por lo que técnicamente los esqueletos cuentan. además, aunque técnicamente no es un metal, los dientes de lapa son bastante impresionantes. http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-31500883

Muy interesante, gracias por el enlace! En cuanto al calcio, si bien los huesos son fuertes, ¿realmente contienen calcio en forma de rejilla/rejilla de metal? ¿Yo creo que no?

Barden et al (2017) descubrieron una especie extinta de hormiga (hormiga del infierno) que vivía hace 95 millones de años y que tenía mandíbulas metálicas naturales. Las mandíbulas de las hormigas son esencialmente lo mismo que los colmillos de las arañas o los dientes de los humanos.

¿Por qué no hay organismos con partes del cuerpo de metal, como armas, huesos y armaduras? (¿O hay?)
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