Warum gibt es keine Organismen mit metallischen Körperteilen wie Waffen, Knochen und Rüstungen? (Oder gibt es?)

Es gibt einige Fälle, wie in den Kommentaren angedeutet. Aber das sind relativ kleine Mengen an Metall.

Es ist nicht so, dass es kein Metall gibt. Vor allem Eisen ist das vierthäufigste Element in der Erdkruste und rötlich gefärbte Böden enthalten Eisen. Es gibt mehrere Gründe, warum Sie nicht ständig eiserne Exoskelette an Tieren sehen. Erstens hat die Herstellung von vollständig reduziertem (Oxidationszustand 0) Metall in reduzierter Form hohe Energiekosten.

Eisen ist nach Aluminium das zweithäufigste Metall auf der Erdkruste , kommt aber fast ausschließlich in oxidiertem Zustand vor – also als Rost. Das meiste biologische Eisen funktioniert in der Oxidationsstufe +2/+3, die Rost ähnlicher ist als Metall. Cytochrome und Hämoglobin sind Beispiele dafür, dass Eisen als chemisch aktives biologisches Mittel wertvoller ist als als strukturelles Mittel, da sie oxidierte Eisenionen verwenden. Aluminium, das häufigste Metall auf der Erde, hat relativ wenig biologische Aktivität – man könnte vermuten, weil seine Redoxkosten sogar höher sind als die von Eisen .

Wenn es einige Gründe gibt, warum reduziertes Biometall nicht sehr oft auftaucht, ist die Unfähigkeit biologischer Systeme, reduzierte (metallische) Metalle abzuscheiden, keiner von ihnen. Knochen und Schale sind Beispiele für Biomineralisation, bei der die Proteine, die das Calciumcarbonat oder andere Oxide im Material ablagern, durch die Proteine ​​so strukturiert werden, dass sie stärker sind, als sie es als einfacher Kristall wären. Es gibt Fälle, in denen zugegebenermaßen kleine Stücke reduzierten Metalls von biologischen Systemen produziert werden. Die Magnetosomen in magnetotaktischen Bakterien werden erwähnt, aber es gibt auch Fälle, in denen reduziertes Gold durch Mikroorganismen angereichert wird .

Ich würde sagen, dass Eisenskelette zwar von Vorteil zu sein scheinen, aber elektrochemisch instabil sind - Sauerstoff und Wasser neigen dazu, sie schnell zu oxidieren (zu rosten), und der Organismus müsste viel Energie aufwenden, um es in funktionsfähiger Form zu halten. Elektrische Leitfähigkeit klingt nützlich, aber das Nervensystem bevorzugt ein exquisites Maß an Kontrolle über den Massenstromfluss, selbst in Fällen wie elektrischen Aalen, deren Strom durch Gradienten von Acetylcholin erzeugt wird .

Darüber hinaus ist es eine Tatsache, dass biologische Materialien tatsächlich genauso gut oder besser als Metall funktionieren, wenn es darauf ankommt. Spinnenseide hat eine höhere Zugfestigkeit als Stahl (entlang der Fadenrichtung). Muschelschalen sind Modelle für Panzerpanzerungen – sie sind bemerkenswert widerstandsfähig gegen Durchstiche und Bruch. Die Zeit, die für die biologische Entwicklung metallisierter Strukturen benötigt würde, könnte zu lang sein – bis die metallisierte Version eines Organs oder Skeletts begonnen hat, haben die Knochen, Schalen und Fasern, die wir kennen, wahrscheinlich einen großen Vorsprung und einen selektiven Vorteil.

Ein paar kleine Punkte, die zu Shigetas ausgezeichneter Antwort hinzugefügt werden können:

Biologische Enzyme funktionieren nicht gut auf Metallen. Einige enthalten oft Metalle (siehe Chelatbildung ), aber elementare Atome sind nicht leicht zu verarbeiten. Zum einen wäre ein großes Molekül überall identisch, also würde beispielsweise die Spaltung wahllos erfolgen und nur ein Bündel winzig kleiner Atome zurücklassen.

Genauer gesagt, sobald ein Organismus Metall eingebaut hat, kann er sicherlich nicht mehr viel dagegen tun. Viele schalenbasierte Organismen tauschen ihre Schalen wegen der Inflexibilität dieser Konstruktionen aus, und Metall wäre nicht anders. Es ist schwierig zu wachsen, wenn man von einer selbstgebauten eisernen Jungfrau umhüllt ist.

Es gibt gute Gründe, warum Gewebe/Strukturen mit einem sehr hohen Metallgehalt Probleme verursachen können (ich verweise hier auf die anderen Antworten).

Mir ist jedoch ein anderes Beispiel bekannt: Einige Weichtiere bauen hohe Konzentrationen an Eisen in die Spitzen der Radula ein (im Grunde ein Zahnband, das zum Weiden verwendet wird). Dies ist besonders wichtig für grasende Weichtiere, da sie im Wesentlichen davon leben, eine dünne Schicht Mikroalgen direkt von der Gesteinsoberfläche abzukratzen.

Nun, es gibt den gewöhnlichen Blutwurm (Glycera dibranchiata), den die Menschen als Angelköder verwenden. Die Tiere sind insofern einzigartig, als sie viel Kupfer enthalten, ohne vergiftet zu werden. Ihre Kiefer sind ungewöhnlich stark, da auch sie das Metall in Form eines kupferbasierten Chlorid-Biominerals, bekannt als Atacamit, enthalten.

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

Und im Gegensatz zum Muschelwurm (Nereis limbata), dessen Kiefer das Metall Zink enthalten, liegt das Kupfer im Mineral in den Kiefern von Glycera tatsächlich in seiner kristallinen Form vor.

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

Es wird vermutet, dass dieses Kupfer als Katalysator für seinen giftigen Biss verwendet wird.

(Das habe ich von Wikipedia)

Sieht so aus, als hätten einige parasitoide Wespen Zink-beschichtete Widerhaken an ihren Ovipositoren, die ihnen helfen könnten, sich durch Holz zu bohren und ihre Eier zu legen.

Hier ist der Blogeintrag darüber auf IFL Science und der Originalartikel:

Parasitoid-Ovipositor-Proben hatten einen Gewichtsprozentsatz von Zink von 7,19 ± 3,8 % (N = 42) in den Spitzenregionen, was signifikant höher war (P < 0,05) als der in Bestäuber- und Parasitoid-Fernregionen (< 1 %; N = 10) .

Kundanati und Gundiah (2014) Biomechanik der Substratbohrung durch Feigenwespen. J Exp Bio 217: 1946–1954

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

Gastropode, die Greigit, Pyrit und Graphit an Schale und Fuß enthält.

Aufgrund der großen Mengen dieser Verbindungen in gelöster Form umgeben sie die Hydrothermalquellen.

Spekulation zum Zweck: Die Schale ist extrem belastbar, das Metall verbessert dies erheblich. Ob die Evolution diese Anpassung aufgrund einer Fülle starker Raubtiere oder als Mittel zur Entgiftung der injizierten Verbindungen für notwendig hielt, ist jedoch unklar.

Die drei Populationen dieser Schnecken haben unterschiedliche Zusammensetzungen, von denen eine sogar magnetisch ist, aufgrund der unterschiedlichen Verbindungen, die von den Öffnungen produziert werden.

Entschuldigung, hier ist kein Wiki http://www.esa.org/esablog/research/iron-plateed-snail/

Obwohl nicht im metallischen (0) Stadium; Ein Eisenerz namens " Bog-Iron " wird durch mikrobielle Prozesse gebildet.

Abb. 1: Mooreisen ( Wikimedia )

Es entsteht in Mooren und Sümpfen , klassischerweise in Sphagnum - Moos - Moos . Es kommt auch in Torf vor .

Abb. 2: ein Moor ( Wikipedia ) , ( Wikimedia )

Abb. 3: Sphagnum sp, Gewöhnliches Moormoos der gemäßigten und kalten Regionen. ( Wikimedia )

Wenn Fe(2) oder Eisen(II)-Ionen, die löslichere Form, die im Grundwasser der Moorregion aus einer Mineralquelle wie Quellen gewonnen werden , oxidieren die anaeroben Eisen oxidierenden Bakterien wie Gallionella und Leptothrix usw. es zu Fe(3) oder Eisenform; die sehr leicht als unlösliche Verbindungen ausgefällt werden.

Abb. 4: Der Frühling fungiert als Eisenquelle. ( Wikipedia ), ( Wikimedia ), ( USGS ), ( USGS-URL ).

Abb. 5: Leptothrix sp. , gefunden in eisenhaltiger Umgebung. ( Wikimedia )

Die in Mooreisen gefundenen Eisenkomponenten sind üblicherweise Eisen(III)-Oxyhydroxide (FeO)OH unterschiedlicher Zusammensetzung; geologisch Goethit und Limonit .

Abb. 6: Proben von „Moorerz“ aus dem Nassawango Creek zeigen mit Goethit ausgekleidete Kluftgänge um massiven „Ocker“. ( USGS ), ( URL )

Quellen: >

1. Wikipedia.

2. Eisenproduktion in der Wikingerzeit , unter http://www.hurstwic.org http://www.hurstwic.org/history/articles/manufacturing/text/bog_iron.htm

3. Google Books: Topics in Ecological and Environmental Microbiology / Herausgegeben von Schmid und Schaechter / AP; Kapitel 37 ---> Metallniederschlag

4. Google Books: Umweltmikrobiologie: Grundlagen und Anwendungen: Mikrobielle Ökologie / Jean-Claude Bertrand / Springer. Kapitel 14 ( Biogeochemische Kreisläufe )

5. Google Books: Bryophyte Biology / Herausgegeben von Shaw und Goffinet / Cambridge; Kapitel 9: Mineralische Ernährung, Substratökologie und Schadstoffbelastung / JW Bates

6. Metall ablagernde Bakterien und die Verteilung von Mangan und Eisen in Swampwaters/Ghiorse and Chapnick /jstor.org

7. Mooreisenformation in der Wasserscheide des Nassawango Creek, Maryland, USA /USGS ( Fotos )

Haben Sie jemals die schuppige Fußschnecke nachgeschlagen? Es verwendet Eisen als eine Art Körperschutz. Schuppenpanzer buchstäblich am Fuß.

Ich bin kein Biologe, aber obwohl es nicht allgemein berücksichtigt wird, ist Kalzium ein Metall, also zählen Skelette technisch gesehen. Darüber hinaus sind Napfschneckenzähne, obwohl sie technisch gesehen kein Metall sind, ziemlich beeindruckend. http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-31500883

Barden et al. (2017) haben eine ausgestorbene Ameisenart (Höllenameise) entdeckt, die vor 95 Millionen Jahren lebte und natürlich vorkommende Metallbacken hatte. Mandibeln bei Ameisen sind im Wesentlichen die gleichen wie Reißzähne bei Spinnen oder Zähne bei Menschen.