问题

既然钢铁这么厉害,自然界也不缺铁元素,为什么动物的爪牙不进化成钢铁?是因为生物不可能有这个本领吗?

回答
这个问题问得太有趣了,直击了生物进化和材料科学的交叉点。确实,我们看到钢铁那么坚固,又知道铁元素在地球上储量丰富,不禁要问,为什么动物的爪牙不是用钢铁打造的呢?

要回答这个问题,咱们得从生物进化的角度,以及生物体如何制造和利用材料来聊聊。

首先,生物制造材料的“规矩”和钢铁的“脾气”是两回事。

生物体,尤其是动物,在漫长的进化过程中,发展出了一套非常精巧但同时又极其复杂的“生物制造”系统。它们擅长利用的是从食物中获取的有机物和一些矿物质,通过酶的催化、细胞的精密调控,来构建出各种蛋白质、骨骼、角质等材料。

生物制造的优势: 生物制造的最大优势在于它的“精准性”和“可控性”。比如,蛋白质的氨基酸序列决定了它的三维结构和功能,而生物体可以通过基因编码来精确控制这个过程。同时,生物材料通常是在温和的条件下(常温、常压、水溶液环境)制造出来的,这对于需要消耗大量能量的哺乳动物来说,是非常“节能”的。而且,生物材料往往具有“自修复”和“可降解”的特性,这对于生物体来说至关重要,坏了可以修,用完了还能回收利用。

钢铁的“制造”方式: 钢铁,简单来说,是铁和碳的合金,通常还需要经过高温冶炼、冷却、塑形等一系列复杂的工业过程。这个过程的特点是:
高温和高能耗: 炼铁需要将铁矿石加热到非常高的温度(几百甚至上千摄氏度),这在生物体内是难以实现的。
化学反应控制难度大: 虽然铁元素本身存在于生物体内,但要精确地将铁原子和碳原子按照钢铁的比例结合,并形成稳定的金属晶格结构,这需要非常严苛的化学环境和控制,远超目前生物体能达到的水平。
缺乏生物相容性: 即使生物体能造出钢铁,但钢铁本身是惰性的,与生物体内的其他物质相互作用的方式也与生物材料完全不同。例如,钢铁很容易生锈(氧化),在生物体内这种潮湿的环境下,这会导致严重的腐蚀问题,反而会损害生物体。

其次,生物进化的方向是“效率最大化”和“成本最小化”,而不是“强度最大化”到不顾一切的程度。

进化是一个“试错”和“选择”的过程,它倾向于那些能够帮助生物体更好地生存和繁衍的性状。

爪牙材料的选择: 动物的爪牙主要是为了抓握、撕咬、挖掘等功能。目前动物使用的材料,如角蛋白(构成指甲、爪子、角)和牙本质(构成牙齿),在满足这些基本需求的同时,具备了几个关键优势:
韧性与硬度的平衡: 生物材料往往不是单一的硬,而是兼顾了硬度和韧性。例如,角蛋白本身是坚硬的,但它的结构中含有疏水性蛋白质和水性蛋白质,这种复合结构赋予了它一定的韧性,不易轻易折断。钢铁虽然硬度极高,但很多时候也比较脆,缺乏韧性。想想看,如果爪子像钢铁一样易碎,那它在抓挠坚硬物体时反而会更容易崩断。
轻便性: 爪牙是附着在肢体上的,需要有一定的重量和灵活性。如果用钢铁,即使能制造出来,其密度也会比生物材料大得多,会让动物的肢体变得笨重,影响其行动速度和敏捷性。
可再生性与修复能力: 动物的爪牙会磨损,但它们可以不断生长和修复。如果用钢铁,磨损了或者断裂了,生物体就很难自行修复或更换。想象一下,如果你的牙齿是钢铁做的,磨损了怎么办?除非像人类一样去牙医那里打磨、修复,否则就只能换一套了,这显然不符合生物体的低成本、高效率原则。
易于制造和维护: 生物体可以在温和的条件下,通过新陈代谢不断地“生产”和“维护”爪牙材料。这个过程消耗的是食物提供的能量和基本元素,相对而言是“经济”的。而制造钢铁则需要大量的外部能源和复杂的加工过程。

再者,从物理学的角度,生物材料的微观结构设计非常巧妙。

生物材料往往不是均质的,而是具有复杂的微观结构。比如,骨骼是羟基磷灰石(一种矿物质)和胶原蛋白(一种蛋白质)的复合材料,这种层次化的结构赋予了它优异的力学性能。动物的爪牙也可能利用了类似的复合、分层或纤维增强的策略,以在保证硬度的同时,获得足够的韧性,并且重量相对较轻。

举个例子: 咱们人类的指甲,虽然不如猛兽的爪子那么锐利和坚固,但它的成分主要是角蛋白。指甲的硬度足以保护指尖,同时又足够柔韧,不会轻易被折断。再看看猫的爪子,它们可以伸缩自如,非常灵活,这同样得益于它们爪子材料的特殊结构和肌肉的配合。

总结一下,动物的爪牙没有进化成钢铁,并不是因为生物“没有这个本领”造出某些类似钢铁的材料,而是因为钢铁这种材料的特性,与生物体在进化过程中对材料的需求和制造能力的权衡之间,存在着根本性的“不匹配”。

生物进化选择的是那些在特定环境、特定功能下,能够达到“够用就好”并且“成本最低”的解决方案。钢铁虽然硬,但它在生物体内的“兼容性”、“制造难度”、“能耗”、“重量”以及“可修复性”等方面,都远远不如生物体通过长期进化发展出的那一套精巧的生物材料系统。

所以,与其说生物没有这个本领,不如说生物选择了更适合自己的“生存之道”。它们通过精妙的生物化学和结构设计,在温和的条件下,用“软”材料造出了足够“硬”的工具,并且还能不断更新换代,这本身就是一项了不起的“工程奇迹”了。

网友意见

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进化出铁制装备是明显的馊主意,密度过大的铁制装备=缓慢,而动物间的战斗,敏捷型远胜肉盾型,只有在很极端的情况下才值得进化,例如鳞角腹足蜗牛:

鳞角腹足蜗牛(学名:Chrysomallon squamiferum),是一种生活在印度洋海面以下两千多米的海底热液喷口附近的软体动物,腹足布满含铁的鳞片,位于印度洋海面以下两千多米的海底。有两种不同种生活在不同的热液喷口区。在Kairei区(位于西南印度洋脊)生活的是黑色含铁量丰富,带有磁性的蜗牛;在Solitaire区(位于中印度洋脊),这里的蜗牛缺铁,呈白色,没有磁性。

鳞角腹足蜗牛的外壳上覆盖的主要是二硫化铁和有磁性的硫复铁矿。这些金属来自富含矿物的喷孔。鳞角腹足蜗牛的头部长有两根光滑的、逐渐变细的触角。它们没有眼睛,也没有特化的交接器。它们的腹足呈红色,体积较大,无法完全缩回螺壳。此外,它们也不像其他蜗牛和蛞蝓一样具有上足腺(Suprapedal gland),也没有上足触手。

鳞角腹足蜗牛大概是在进化史上第一个进化出铁制装备的。可是因为铁太重,要求的力量点数过高,只够武装铁制防具,力量点数不足不能让触角装备铁制武器攻击其他生物(另外,因为铁制防具太重,行动缓慢, 鳞角腹足蜗牛一生都在大约一个足球场大的位置活动。现在受人类能源生产和深海采矿威胁,已经正式列入濒危物种——这就是进化出铁制装备的下场。

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2021.2.06

写这个回答的时候还挺随意的,想起来什么就说什么,因此有一些不严谨的地方,但现在看的网友多起来了,所以在这统一优化一下。

1.题主问的是“爪牙”,就是爪子和牙齿。这里面我觉得爪子没什么可说的,因为爪子这个结构功能性很强,很多时候不一定越硬越好,更重要的是弹性、消音或者增强感官,换成钢铁会带来诸多不便。牙齿参考原回答就可。

2.牙齿不等于骨骼,而和指甲一样是皮肤衍生物。但牙齿是表皮层和真皮层共同发育而来的,而指甲仅是表皮层,所以二者在结构上就有很大不同。类似的,鲨鱼的鳞片也由表皮层和真皮层共同发育而来,辐鳍鱼的鳞片、蜥蜴的鳞片、鲸须、指甲都是表皮层。我在评论区里说话可能没过脑子,如果有“牙齿是骨骼”的言论就当我抽风了(手动滑稽)

3.不管是金属还是合金,都是由金属单质直接构成的,自然条件下金属大多以氧化物形式存在,要想转化为单质需要一个很大的吉布斯自由能,说人话就是需要付出巨大的能量才能把金属矿物转化为你要用的合金,比如炼钢铁需要高炉。这种需要大量能量的化学反应没办法在生物体内发生,至少碳基生物不行,因为生物化学反应必须温和。另外单质一般不稳定,就算以温和的方式好不容易在体内造出来单质了,没过几天就开始生锈了,岂不是一切都白玩了?所以想在自己体内制取合金的同学可以散了。


以下为原回答:

这个问题,你得先了解钢铁。

钢铁属于一类合金材料,包括且不限于纯铁,含碳量从0%到4%不等。但其主要成分是单质铁。钢铁的硬度等级是4-5,而人类骨骼的硬度也是4-5,牙釉质的硬度甚至可以达到6-7。

所以你再说一遍,谁更硬?

同时,一种固体材料要是想被生物用来做骨骼这样的支撑结构,其化学性质必须要稳定,比如构成骨骼和牙齿的羟基磷酸钙:


反观铁单质倒是出了名的化学性质不稳定,易被氧化,家里的水龙头如果保养不好一两年就生锈了。而生物体液包含各种各样的金属盐溶液,还会和氧气一起参与铁的氧化和腐蚀,骨骼和牙齿需要天天泡在这些乱七八糟的盐溶液里,所以怎么可以拿这玩意做骨骼?用着用着生锈了怎么办?

所以,动物骨骼和牙齿的理想材料还真就是羟基磷酸钙。硬度大,强度高,密度小,性质稳定,而且还能再生,简直不要太合适。


那么,动物到底有没有本领优化自己的牙齿材料呢?

答案是:当然有。

我们有请一种古老的哺乳动物:鼩鼱。

这个看似不起眼的小动物,居然能在自己的牙齿里掺铁,以增加自己牙齿的耐磨度:


当然,并不是单质铁,而是针铁矿质,准确的说是高度矿化并与牙釉质融合的金属氧化物。三价铁离子呈红色,所以这玩意的牙尖是血红色的,是不是很吓人?

这招不止鼩鼱会,河狸的牙里也有掺铁。



而且光掺铁还不够过瘾,它们本身还是啮齿目,门齿可以终生生长并时刻保持锋利,于是这家伙的两颗大门牙能把树干啃烂。

要知道,鼩鼱属于劳亚兽总目,河狸属于灵长总目,这两个类群在一亿年前就分家了,亲缘关系特别远。这意味着这两种动物是独立演化出铁牙的。

所以,永远不要低估生物演化的力量。


P.S.在牙里掺铁不是什么黑科技,查了一下最近的文献,竹鼠牙里也有铁,与牙釉质结合形成一种叫做铁-羟基磷酸钙的东西,作用也是增加耐磨度和韧性。由此看来只要对牙齿耐磨度有很大需求的动物都有可能会自己找出路。

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我倒是想知道,有没有一种生物进化出了常温常压条件下制造任何一种金属元素单质的能力?

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