¿Qué metales además del calcio se pueden usar para crear huesos alienígenas que no generen un ambiente tóxico para los humanos?

Editar: De acuerdo, la verdad es que esta pregunta era parte de un conjunto de 5 preguntas relacionadas que me recomendaron dividir en publicaciones individuales (en su forma original, los comentarios no tuvieron problemas para ver a dónde iba todo). Creo que de ahí viene la confusión aquí y por qué tienen problemas con mi uso de la palabra " hidroxiapatita " para describir el metal convertido en una forma a partir de la cual se puede construir un endoesqueleto, razón por la cual ahora he eliminado del título.

El calcio en los huesos del lado de la Tierra también actúa como reservas minerales y nuestra bioquímica se basa en tener niveles séricos de calcio para, entre otras cosas: realizar contracciones musculares, activación de ovocitos, formación de huesos y dientes fuertes, coagulación de la sangre, impulso nervioso, transmisión, regulación de los latidos del corazón. y el equilibrio de líquidos dentro de las células.

Así que no es una buena opción decir: 'Solo di "Un esqueleto mineralizado con titanio/hierro"'. Porque eso va a tener un efecto dominó en todo el organismo. (Esto se mencionó en la pregunta 3 relacionada en la publicación original de preguntas múltiples, "¿Qué efectos podría tener el metal X en la química de la sangre, la despolarización celular, etc.? ¿Los canales de K+, Na+, etc. seguirían siendo efectivos o no? pero esperaba tener algunas opciones para mantenerlo específico como se sugiere).

Esta es una pregunta extraña, lo sé. Y si no se puede responder, entonces es ese tipo de pregunta demasiado hipotética para obtener una respuesta general. Una recomendación de algunos textos de introducción a la bioquímica sería tan valiosa para mí, si no más, si este es el caso.

Parte 1 de 4 (separada de una publicación anterior de un solo tema en varias partes)

Estoy intentando hacer una especie alienígena "semidura" para una historia de ciencia ficción. Si bien me lo he pasado muy bien trabajando en evolución, biología general, cultura y cosas por el estilo... soy débil en química en cualquier cosa que no sea identificar elementos y sus agrupaciones y un bebé babeante en bioquímica y me gustaría ayuda para averiguar qué es posible. y las ramificaciones de esas posibilidades. Esto prácticamente no va a estar en la historia directamente, pero quiero tenerlo para poder tomar decisiones y acciones realistas correctamente.

Basado en un 30% de oxígeno y otros gases tóxicos no humanos (no estoy casado con el número del 30%, pero quería más oxígeno atmosférico disponible para soportar invertebrados más grandes y vida marina más profunda), gravedad algo mayor, animales grandes y variados tamaños y la disponibilidad de metales de la corteza. Necesito saber:

¿Qué metales me darían fuerza y ​​ligereza en una forma similar a la hidroxiapatita?

(¿Me inclino por el titanio o la espuma de hierro o incluso alguna forma de enlace de cobalto? Pero no sé cómo hacerlos 'vivos' mientras se evita la 'oxidación del hierro en el problema del oxígeno' o si el titanio/cobalto es factible metal para esto en función de su rareza terrestre, pero la rareza se puede renunciar fácilmente a un planeta alienígena.El cobalto se está considerando una opción porque no parece reaccionar cáusticamente con el agua y está involucrado en la producción de cianocobalamina del lado terrestre, por lo que tal vez puede ayudar con la oxigenación en criaturas más grandes en algún nivel?)

Fondo

Los extraterrestres en mi historia tienen etapas de vida secuenciales, donde pasan una "infancia" con proporciones corporales particulares, la etapa "juvenil" ocurre cuando alcanzan un crecimiento y desarrollo particular en las proporciones de sus extremidades/cuerpo, y finalmente "adulto" cuando alcanzan Fertilidad. Pueden progresar a una "vejez" en la que permanecen en las proporciones adultas, pero en general aumentan de tamaño de manera uniforme hasta que no pueden mantener/sostener su crecimiento y finalmente desarrollan senescencia física y mueren (o algo los mata cuando comienzan a debilitarse). ). -Es una especie de ciclo de vida de los pterosaurios, donde llenan diferentes nichos ecológicos a medida que crecen-.

Necesito un sistema esquelético que pueda ser funcional en todos esos puntos de desarrollo, como si el animal estuviera completamente desarrollado en ese punto, pero que pueda adaptarse y volver a crecer según sea necesario (no hay suturas craneales que se fusionen y no puedan ensanchar el cráneo después, por ejemplo).

Teniendo en cuenta este tipo de crecimiento, quería que los alienígenas tuvieran un bauplan muy variable a través de sus diversos géneros. Esto incluye voladores gigantes semiautopropulsados ​​(pueden mantener su vuelo y aterrizar fácilmente, pero no pueden despegar del suelo, suben y bajan en el primer descenso), herbívoros del tamaño de indricoterios, ballenas y focas marinas. vida...

La atmósfera tiene un 30% de oxígeno, gira alrededor de una estrella azulada, tiene dos lunas (por lo que la noche más oscura es como la luna llena en la Tierra), la gravedad es más fuerte (alrededor de 1,5-7 g terrestres), hay tectónica actividad similar a la de la Tierra, que se inclina más hacia los terremotos, la actividad volcánica tiene lugar en gran medida en las placas debajo de los océanos y las áreas terrestres tienden a elevarse lentamente desde el mar y la subducción las empuja hacia abajo en el otro extremo, también bajo el agua por lo general [Espero que esto cree suficiente que los metales estén disponibles en la superficie sin que se requiera minería profunda, indique si esto es incorrecto y cómo solucionarlo].

Avíseme si necesita aclarar algo, creo que mencioné las partes importantes. Mi información de química vino de aquí, pero no es para aplicaciones de biología: https://www.chemicool.com También encontré este png de una tabla periódica de elementos para biología, cobalto, hierro y titanio también están allí, así que... ayuda tambien? Tabla Periódica de Elementos Biológicos

La brazilita parece un buen punto de partida: tiene una estructura similar a la hidroxiapatita, pero en su lugar utiliza sodio y aluminio. Lo único es que es un poco más fuerte y más liviano, y también puede haber otros problemas.
¿Estás seguro de que entiendes cómo funciona esta "química" novedosa? ¿Por qué cree que existe alguna relación entre las propiedades del hierro o titanio elemental y las del hidroxifosfato de hierro o titanio? (Sí, existen tanto el hidroxifosfato de titanio como el hidroxifosfato de hierro, también conocido como giniita . En particular, la giniita es blanda y quebradiza).
@AlexP de la pregunta, " espuma de titanio o hierro " implica una espuma de metal , especialmente cuando le sigue " oxidación de hierro en el problema del oxígeno " que implica hierro en forma de metal.
Entonces, preguntas obvias para el OP: ¿qué tiene de malo la hidroxiapatita de calcio? Parece hacer el trabajo y aparentemente tiene una disponibilidad plausible. Si no es lo suficientemente bueno (o lo suficientemente extraño), siempre puede descartarlo como "mineralización" y no entrar en demasiados detalles. Esa es una buena manera de asegurarse de que no se equivocará, después de todo.
¿Por qué quieres algo como la hidroxiapatita? ¿Hay algo sobre la hidroxiapatita que necesites o solo necesitas un esqueleto extraterrestre ligero y fuerte?
FWIW, considere leer sobre algunos de los dientes increíblemente fuertes que tienen las formas de vida de las profundidades del océano aquí en la Tierra. La misma química fundamental que los terrestres, pero la relación fuerza-peso es sobresaliente.
@Starfish Prime <¿Por qué quieres algo como la hidroxiapatita?> Porque cuando estaba investigando antes de preguntar, con la esperanza de que alguien ya hubiera tenido una pregunta similar, hace unos 2 años alguien hizo una pregunta con un tema similar pero preguntó sobre el calcio. para los huesos en lugar de hidrixyapatita y se asó en los comentarios por confundir a los dos. Entonces, para evitar un tratamiento similar -y como dije, básicamente no sé nada de bioquímica para saber si hay una redacción más adecuada- usé el nombre que sabía que encajaba con un metal elemental entretejido en una matriz orgánica para un endoesqueleto.
@CarlWitthoft ¡Hice eso! Fue realmente fascinante y dio forma a mucho de lo que hice con respecto a la dentición durante toda la vida 'vertebrada' que tengo.
@Amut fue Willk quien hizo esa pregunta en particular, no yo.
Sí... lo vi y no puedo editarlo ahora. ¡Lo siento!
@CarlWitthoft nada especial sobre los dientes de aguas profundas. Presumiblemente, estaba pensando en los dientes de lapa , y encontrará Patella vulgata en las costas de toda Europa. ¡No se puede obtener un océano mucho menos profundo y seguir siendo una criatura marina!
@StarfishPrime me refería a algunos estudios recientes de esos peces de trinchera profunda de dientes largos realmente feos. No sé si de hecho son más fuertes que las lapas.

Respuestas (4)

Si bien no estoy necesariamente de acuerdo con todas las conclusiones de Willk en su respuesta, plantea un punto importante: uno no necesita una gran cantidad de hueso para usar como depósito de calcio y fósforo para hacer un uso considerable de calcio y fósforo en la bioquímica. En realidad, esto puede ser un ejemplo de exaptación en vertebrados no cartilaginosos. También podría tener reservas razonables de calcio y fósforo en áreas no estructurales, etc., y aunque el costo de la energía puede ser mayor (porque ahora necesita minerales óseos y reservas de calcio y fósforo), puede haber otros beneficios, como la densidad ósea. no verse tan negativamente afectado por una enfermedad o una dieta deficiente.

Tampoco es necesario necesariamente la mineralización para hacer partes del cuerpo robustas... picos, garras y cuernos pueden hacerse muy duros, o incluso muy duros, solo con proteínas. Ciertamente, hay margen para proteínas estructurales más fuertes que las que se encuentran en los animales terrestres. Incluso en la tierra, hay una gran variedad... las queratinas beta en pájaros y reptiles (y probablemente dinosaurios) son un poco más duras que las queratinas alfa que encontrarás en tu cuerpo, por ejemplo.

El calcio es obviamente biodisponible convenientemente, y los fosfatos y carbonatos de calcio también son convenientemente biosintetizables, pero hay otras opciones, y no necesitan involucrar ningún tipo de metal, tóxico o no. Considere los silicatos, como los que se encuentran en los fitolitos (sintetizados por las plantas) o las frustulas de sílice construidas por las diatomeas como paredes celulares. Aunque es un poco más difícil trabajar con ellos que con los compuestos de calcio, los silicatos son claramente biodisponibles y biosintetizables, no contienen metales tóxicos, se encuentran en organismos vivos y son particularmente duros. La sílice y la sílice hidratada pueden tener una dureza de Mohs de 5 a 7, mientras que la hidroxiapatita de calcio antigua simple es de solo 5. Para una opción aún más dura, considere el carburo de silicio (dureza de Mohs de 9 a 9,5), que recientemente se habiosintetizados en bacterias manipuladas genéticamente . Los silicatos en su forma a granel no son particularmente reactivos o tóxicos, pero en forma finamente molida (como a veces se puede encontrar en depósitos minerales depositados por diatomeas muertas ) pueden causar neumoconiosis . En la Tierra, hay cierta descomposición bacteriana de los silicatos a través de procesos hidrolíticos, y si las criaturas con esqueleto de silicato (y los compuestos de organosilicio en general) fueran más comunes en su mundo, es posible que haya más cosas que puedan degradarlo. Es posible que la bioquímica local no sea tóxica para los humanos, ¡pero es posible que descubra que puede pudrir el vidrio!

Las lapas utilizan compuestos de hierro ( goetita , un hidróxido de hierro) con una dureza Mohs de 5,5 para fabricar algunos de los dientes más duros del mundo . Los sulfuros de hierro son biosintetizables, lo que sugiere la posibilidad de mineralización de pirita (Mohs 6-6.5). Tenga en cuenta que algunas vías químicas que involucran sulfuros de hierro pueden liberar sulfuro de hidrógeno, que es bastante tóxico para la vida terrestre. Tales criaturas pueden no ser peligrosas en vida debido a esto, pero pueden oler mal en la muerte y en un espacio confinado (o en otras circunstancias, como ser corroídos por ácido) pueden producir niveles peligrosos de vapores.

Así que elija su proteína para la dureza y el mineral para la dureza, y estará listo para comenzar. No hay necesidad de bioquímicas de metales exóticos.

Me gusta la idea de las bacterias que pueden pudrir el vidrio (uno de los otros puntos de la historia fue que el planeta es una mina de oro de síntesis bacteriana porque no hay hongos como descomponedores, ¡solo bacterias muy activas)! Originalmente consideré la sílice, pero mi lectura sobre eso fue en gran parte sobre la vida basada en sílice y eso es bastante no amigable para los humanos. Ignorando eso, tengo curiosidad por saber cómo se sostiene la sílice si se escala en un hueso endoesquelético. No estaba seguro de si no se comportaría como el vidrio y asumí que se rompería en lugar de romperse perfectamente como los huesos de calcio. ¿Por favor avise?
Los huesos de @Amut se comportan de manera bastante diferente a la hidroxiapatita pura, porque son un compuesto complejo de proteína/mineral. Del mismo modo, cualquier compuesto de sílice/proteína no se comportará como sílice pura, y hay muchas formas diferentes de dióxido de silicio que son ligeramente diferentes en sus propiedades mecánicas. ¡Ni siquiera todos los tipos de vidrio se rompen como el vidrio! Hay un amplio margen para seleccionar manualmente las propiedades que necesita sin que las cosas se vuelvan inverosímiles.
@Amut Silica tiene una gran variedad de formas amorfas. Los huesos hechos de sílice amorfa endurecida (o gel de sílice o silicatos) tienen sentido.

Sin esqueleto mineralizado. Usa cartílago.

Los esqueletos cartilaginosos funcionan muy bien para los peces. A los peces cartilaginosos , incluidos los tiburones y las rayas, les ha ido bien durante 500 millones de años. Podría decirse que un esqueleto óseo es mejor para una criatura terrestre con patas, porque el hueso puede soportar más peso. Pero para una criatura voladora, el cartílago es perfecto: el cartílago es mucho más ligero y flexible que el hueso osificado.

¿Por qué entonces los vertebrados voladores no tienen esqueletos cartilaginosos? Probablemente porque no hay vuelta atrás, y los voladores fueron primero animales terrestres. Y todos los animales terrestres descienden de los peces óseos, que fueron los primeros en colonizar la tierra. Esos peces tenían esqueletos óseos y también todos sus descendientes, sin importar dónde terminaron.

Weeeeell... tal vez no tanto por el vuelo; quieres que el borde de ataque de tus alas sea agradable y rígido para que no se pliegue de inmediato y te deje caer en picado hacia tu perdición. Es posible que pueda obtener el mismo efecto de una barra de cartílago que se mantiene en tensión por los músculos a lo largo de su longitud, pero puede que no sea más ligero que una alternativa de hueso tonto.
El cartílago de @StarfishPrime puede ser tan rígido como un hueso, no todo es suave y flexible. Creo que las aves tienen huesos en lugar de cartílagos porque los huesos también son un gran almacén de calcio, que se requiere para tantos procesos metabólicos y también porque sus huevos tienen cáscaras duras a base de calcio.
@Renan, la existencia de animales cartilaginosos y otros con huevos coriáceos sugiere que el calcio es útil pero no esencial para ninguno de los dos propósitos. ¿Tiene una referencia para que sea tan rígido como el hueso mineralizado?
@Willk ¿Sostendría el cartílago un análogo de Paraceratherium con astas en 1,5 veces la gravedad terrestre? (Entonces pesaría entre 22,5 y 30 toneladas [sin contar el casco]). Si bien esto resuelve muy bien el problema del crecimiento de la etapa/curación perpetua, me preocupa que si el cartílago debe osificarse para soportar ese peso o absorber el impacto. sin deformarse, entonces es básicamente hueso de todos modos.
@Amut También me pregunto sobre cómo soportar el peso de los animales terrestres, pero el cartílago es lo suficientemente fuerte como para mantener las aletas y las colas del Megalodon en forma hace unos millones de años. Por supuesto, su peso fue soportado por agua.
@StarfishPrime nariz humana (que está hecha de hialina, el tipo de cartílago más débil) versus alas de pájaros pequeños (es decir, paloma, loro). Habiendo visto las dos cosas rotas y cómo se rompieron, creo que el cartílago podría estar bien para las aves. Reconozco que el hueso es más resistente y soporta mejor la carga.
Pensándolo bien, podría haber algunos problemas de curación asociados con los esqueletos cartilaginosos. Es difícil de decir sin animales terrestres adecuados con los que comparar, pero los huesos humanos pueden volver a unirse con bastante rapidez y fiabilidad, pero el cartílago destrozado (especialmente el cartílago destrozado viejo ) parece tardar una eternidad en sanar, si es que lo hace. Sin embargo , ese podría no ser un problema necesario del cartílago, pero sí uno a considerar.
@Starfish Prime Totalmente de acuerdo con el tema del "cartílago viejo y destrozado". Tengo una rodilla que nunca ha estado bien desde que me lastimé hace unos 20 años. Puedo renunciar a mano "su cartílago se cura perfectamente", pero la carga de compresión es problemática. Los elefantes y los toros gigantes tienen almohadillas fibrosas en las patas, no cartílago expandido de las falanges, los humanos tienen un tarso en lugar de una almohadilla de cartílago en el talón, por lo que el cartílago puede no ser viable para los grandes animales terrestres.
@Starfish Prime: la curación es una pregunta interesante y me pregunto si es una idiosincrasia con la forma en que nuestra especie (¿posiblemente nuestra orden?) Maneja el cartílago: está poco vascularizado en los humanos. Los tiburones y las rayas son famosos por su capacidad de recuperarse del daño y, por lo tanto, deben estar haciendo algo diferente. Me pregunto si su cartílago se ve diferente en cuanto a la vascularización.
@Willk Sospecho que es menos probable que sufran el tipo de daño en los tejidos blandos que sufren las criaturas que soportan peso sujetas a caídas y dislocaciones, pero parece algo que vale la pena investigar un poco más...
@Starfish Prime: para los tiburones, estoy pensando en menos caídas, más mordeduras. Curiosamente, veo que los huesos de alto estrés en los tiburones (por ejemplo, la mandíbula) tienen cartílago calcificado y más fuerte. Pero para el OP? Me gusta el cartílago simple. Las aves cambiaron fuerza por ligereza cuando desarrollaron huesos huecos. El cartílago debería funcionar muy bien para los volantes.

Sin necesidad de mineralización. Haga que los huesos sean un biopolímero rígido y resistente como la madera. La nanocelulosa es muy dura y rígida. Tal vez tenga un agregado de arena para la dureza o haga una pizca de mano para obtener nanofibras de carbono en sus huesos de madera. No me refiero a fibra de carbono, nanotubos o grafeno, pero los agregados son biológicamente factibles. Esto sería duro, resistente, rígido, flexible, liviano y tendría una curación rápida, ya que el carbono, el nitrógeno, el oxígeno y el hidrógeno constituyen la mayor parte de la vida basada en el carbono. No es necesario lidiar con cantidades relativamente pequeñas de calcio, fósforo y hierro en la dieta.

magnesio y aluminio

tienen material sólido insoluble que forma fosfatos y óxidos y estados de oxidación no variables, lo que sugeriría que sea su criterio.

El hierro y el titanio probablemente estén bien a pesar de su multivalencia.

Boro

sin duda vale la pena echarle un vistazo. Puede actuar un poco como un catión (cuando no está emparejado con oxígeno) o como una especie formadora de red de óxido (los boratos son un poco como los silicatos).

Los candidatos más raros incluyen

zinc o escandio

Sc es demasiado raro, pero por lo demás probablemente esté bien. El resto de los metales de transición ligeros tienen demasiada química redox para ser una buena idea.

Personalmente, mi pedido sería sílice/silicatos amorfos, boro, aluminio, magnesio, titanio, hierro, zinc, escandio, y creo que eso agota las opciones a menos que considere elementos más pesados. Me gusta más el Si/B/Al porque todos pueden formar materiales extendidos de óxido/hidróxido/fosfato con química no estequiométrica, todos son relativamente bioinactivos, pueden incorporar otros iones (ya sean aniones o cationes), sus superficies de óxido pueden ser funcionalizados, no tienen mucha química redox. Puedes imaginar sus materiales combinándose con andamios orgánicos con bastante facilidad. Si conduce por todos estos motivos.

¿Qué metales además del calcio se pueden usar para crear huesos alienígenas que no generen un ambiente tóxico para los humanos?
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