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Martin Bäker ist Physiker.
Er hat in Hamburg studiert und über die Simulation von Elementarteilchenprozessen promoviert. Seit 1996 erforscht er an der TU Braunschweig das mechanische Verhalten moderner Werkstoffe.
Wie Cäsar über sich in der dritten Person zu schreiben, findet er ein wenig seltsam.
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14.07.11 · 19:30 Uhr
Warum gibt es in der Biologie keine Metalle?
Kategorie: Naturwissenschaften · Kommentare: 114
Wenn ihr euch in eurem Alltag umschaut, werdet ihr feststellen, dass wir Menschen viele Dinge aus Metallen bauen - Regalträger, Autokarosserien, Türklinken, Gabeln und und und. Schaut man sich dagegen die belebte Natur an, so findet man Werkstoffe wie Holz, Knochen, Insektenpanzer, Schneckenschalen. Metalle (also Werkstoffe in metallischer Form) gibt es dagegen in der Natur eigentlich nicht. (Ich bin immer auf der Suche nach Ausnahmen - falls jemand welche kennt, wäre ich sehr dankbar für einen Tipp.)
Warum ist das eigentlich so? Gibt es dafür einen Grund?
Über diese Frage will ich hier ein bisschen nachdenken - ich sage gleich vorweg, dass ich keine perfekte Antwort habe (nicht dass noch jemand enttäuscht ist).
Damit keine Verwirrung aufkommt: Natürlich kommen in vielen biologischen Systemen chemische Elemente vor, die als Metalle klassifiziert werden, wie beispielsweise Eisen, Kupfer, Kalzium, Natrium usw. Worum es mir hier geht, sind Metalle in metallischer Form, mit den typischen Eigenschaften von Metallen wie guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, Verformbarkeit, Glanz usw. So wie sie eben in Autos, Regalträgern und so weiter vorkommen.
Sind Metalle zu selten?
Metalle liegen ja meist nicht einfach auf dem Boden herum. Vielleicht sind sie einfach zu selten, als dass Lebewesen sie in genügender Menge gewinnen könnten?
Das Leben stammt ja bekanntlich aus dem Meer. Schaut man, welche Elemente wie häufig im Meerwasser vorkommen (Wikipedia weiß alles), dann stellt man fest, dass zu den häufigsten Metallen Kalzium gehört, das von z.B. Schnecken ja tatsächlich für den Bau ihrer Schalen genutzt wird (die bestehen aus Kalziumkarbonat). Unsere häufig verwendeten Metalle wie Eisen (als Basis von Stahl), Nickel, Titan und Aluminium sind dagegen wesentlich seltener. Sind Metalle also einfach zu selten?
Das mag sicher eine Rolle spielen. Auf der anderen Seite ist Magnesium ein ziemlich häufiges Element im Meerwasser - häufiger sogar als Kalzium. Magnesium (beziehungsweise Magnesiumlegierungen) wäre also ein Kandidat. Auch Mangan kommt zumindest an einigen Stellen häufig vor (die berühmten "Manganknollen") - in diesen Regionen ist auch viel Mangan im Seewasser gelöst, behauptet zumindest die Internetseite Wisegeek. Mangan ist ein hartes, allerdings auch sprödes Metall. Aber auch die Keramiken, die in der Natur häufig verwendet werden, sind spröde; vollkommen abwegig ist die Idee also nicht.
Noch eine andere Möglichkeit kommt hinzu: Selbst wenn die Konzentration an Metallen im Meerwasser klein ist - vielleicht könnten Lebewesen sie ja aktiv, beispielsweise durch elektrische Felder, aus dem Wasser extrahieren.
Sind Metalle zu rostanfällig?
Metalle tendieren natürlich dazu, zu korrodieren. Gerade Magnesium ist dafür bekannt, korrosionsanfällig zu sein (dass der alte VW Käfer einen Motorblock aus Magnesium hatte, ohne an Korrosionsproblemen zu leiden, liegt angeblich daran, dass der Motor immer etwas ölig war - das habe ich aber nur vom Hörensagen, nagelt mich darauf bitte nicht fest). Es gibt allerdings auch ziemlich korrosionsbeständige Magnesiumlegierungen wie AZ91. Die enthält ein paar Prozent Aluminium, was im Meerwasser in kleinen Mengen auch vorkommt, aber wesentlich seltener ist als Magnesium; das könnte dann hier in einem biologischen System ein begrenzender Faktor sein. Eine Alternative wären Magnesium-Mangan-Legierungen, die auch korrosionsbeständig sind.
Mangan selbst wäre vielleicht auch eine Alternative - die einzigen Hinweise auf Manganlegierungen (die technisch sehr selten verwendet werden) habe ich leider hinter einer fiesen paywall gefunden.
Es zeigt sich aber, dass schon mit bekannten Legierungszusammensetzungen prinzipiell eine korrosionsbeständige Legierung in der Biologie denkbar wäre. Und wer weiß - vielleicht könnte die Evolution Legierungszusammensetzungen finden, auf die man als Werkstoffkundler nie kommen würde, weil man sie nie ausprobiert hätte? Kalziumkarbonat ist auch nicht gerade die erste Wahl, wenn man an Ingenieurskeramiken denkt.
Falls es Lebewesen gelingt, andere Metalle in größerem Maßstab zu gewinnen, fiele die Korrosionsproblematik dann vollkommen weg - Titan wäre zum Beispiel extrem gut geeignet (ist allerdings zwar in der Erdkruste häufig, im Meerwasser aber selten, weil es typischerweise als Titandioxid vorliegt).
Sind Metalle zu toxisch?
Zwar kommen Metalle als Spurenelemente im Körper vor, in größeren Mengen sind sie aber oft toxisch. Eisen, Aluminium, Nickel oder Chrom sind in größeren Mengen giftig. Auch Mangan kann in größeren Mengen neurotoxisch wirken. Zudem sind Metalle (in größeren Konzentrationen) auch oft krebserregend.
Kommen Metalle also deswegen in der Natur nicht vor? Ich bezweifle das. Dass Metalle toxisch wirken, liegt meist daran, dass sie mit Enzymen des Körpers in ungünstiger Weise wechselwirken, sie können beispielsweise als falsche Kofaktoren (also Enzymbestandteile) in Proteine eingebaut werden und dadurch deren Wirkung verändern. Würde ein bestimmtes Metall im Körper häufig vorkommen, dann kann man aber meiner Meinung nach davon ausgehen, dass sich die Enzyme in der Evolution entsprechend angepasst hätten.
Mein aktueller Metallfavorit Magnesium ist übrigens relativ unkritisch - deswegen gibt es ja auch Magnesiumtabletten, die ja angeblich gegen Muskelkrämpfe helfen sollen (bei mir klappt's - aber als Einzelperson kann ich den Placeboeffekt nicht ausschließen).
Sind Metalle zu schwer?
Die meisten Metalle haben eine hohe Dichte - ein Kubikzentimeter Stahl wiegt etwa 8 Gramm, ein Kubikzentimeter Knochen dagegen nur etwa 2. Sind Metalle vielleicht einfach zu schwer?
Auf der anderen Seite sind Metalle natürlich auch ziemlich belastbare Materialien. Sie verformen sich unter einer gegebener Last weniger als eine gleich geformte Probe aus Knochen das tun würde (das heißt, Metalle sind steifer oder - vornehm ausgedrückt - sie haben einen höheren Elastizitätsmodul). Wenn wir über das Gewicht nachdenken, müssen wir diese Größen in Beziehung setzen.
Das zählt zum Standardrüstzeug der Ingenieurinnen. Wie genau Elastizitätsmodul und Dichte in Beziehung gesetzt werden müssen, hängt davon ab, wie eine Struktur belastet wird - bei reiner Zug- oder Drucklast ist die entscheidende Größe das Verhältnis E/ρ (ρ ist die Dichte), bei Biegebelastung dagegen √E / ρ. In der Natur ist Biegebelastung häufiger (sie dominiert beispielsweise die Knochen in unseren Extremitäten oder die Belastung von Baumstämmen). Vergleicht man nun √E / ρ für verschiedene Metalle mit dem Wert für Holz oder Knochen, dann stellt man fest, dass Titan-, Aluminium- und Magnesiumlegierungen alle etwa vergleichbar gut sind wie Holz und Knochen. Am Leichtbau liegt es also auch nicht.
Aber Moment mal - wenn Holz und Knochen gleich gut sind, warum sollte die Natur dann überhaupt Metalle verwenden? Warum nehmen wir eigentlich so gern Metalle? Was sind die Vorteile gegenüber anderen Werkstoffen?
Warum überhaupt Metalle?
Wir verwenden Metalle aus verschiedenen Gründen. Ihre Eigenschaften lassen sich durch Legieren relativ leicht beeinflussen. Bei vielen Legierungen kann man die Eigenschaften durch sogenannte "Wärmebehandlung" noch verbessern - beispielsweise kann man Stähle härten und anlassen und dadurch ihre Festigkeit und Dehnbarkeit sehr gut steuern. Diese Möglichkeit gibt es in der Natur so natürlich nicht, weil die wenigsten Tiere einen Ofen mit Temperaturen von ein paar Hundert Grad mit sich rumschleppen. Diese zweite günstige Eigenschaft von Metallen fällt also schon mal weg.
Ein zweiter Vorteil von Metallen ist ihre Schadenstoleranz. Lasst einfach mal einen Löffel und eine Tasse zu Boden fallen (ich empfehle den Theoretikeransatz, das nur als Gedankenexperiment zu tun, sonst gibt es Scherben). Metalle brechen nicht so leicht - sie verformen sich zunächst plastisch. Gerade bei Autos ist das praktisch - mit Metallen gibt es eine Knautschzone, die einen großen Teil der Energie abfängt.
In einem biologischen System wäre das aber vielleicht problematischer. Stellt euch vor, ihr hättet Knochen aus Metall und fallt unglücklich hin. Normale Knochen brechen in diesem Fall, aber sie verheilen auch wieder. Ein massiver Metallknochen dagegen wäre verbogen - um ihn wieder geradezubekommen, bräuchtet ihr entweder eine Richtbank (in freier Natur eher selten), oder ihr müsstet weite Teile des Knochens komplett ab- und wieder aufbauen, was vermutlich sehr lange dauern würde.
Aber Moment mal - unsere Knochen enthalten doch sogar einen spröden Werkstoff, nämlich eine Keramik (Hydroxyapatit, ein Kalziumphosphat). Warum ist das kein Problem? Die Antwort ist einfach: Das Hydroxyapatit liegt in einem Verbund vor, die einzelnen Keramikplättchen sind dabei winzig (wesentlich kleiner als ein Mikrometer).
Aber könnte man dasselbe nicht auch mit Metallplättchen machen? Klar, könnte man. Aber dann ist der Vorteil, den Metalle gegenüber anderen Werkstoffen haben, natürlich ein bisschen zunichte gemacht.
Und dieser Aspekt führt noch zu einem weiteren: Ein wichtiger Grund, warum wir heutzutage Metalle verwenden, besteht darin, dass wir Metalle erst zu Halbzeugen formen und dann weiter verarbeiten: Aus einem Barren wird ein Blech, das wird dann vielleicht nochmal umgeformt, usw. Für unsere großindustrielle Vorgehensweise ist das praktisch - eine Firma kann das Metall schmelzen, eine andere walzen, wieder eine andere weiterverarbeiten.
Die Natur geht aber anders vor: Sie baut Strukturen gleich von vornherein in der Endform auf. Das funktioniert mit mikrokopischer Präzision, weil die "Maschinen" in der Natur Zellen sind, die kleiner sind als das was sie herstellen. Bei unserer Technik dagegen sind die Maschinen meist größer als die hergestellten Produkte - wir haben Schmiedehämmer, Pressen und so weiter. Für diese mehrfache Bearbeitung ist es natürlich gut, wenn man ein Material hat, das sich gut verformen lässt - Bauteile aus Keramiken kann man schlecht schmieden. Der Natur kann das aber egal sein, denn solche Prozessketten gibt es bei ihr nicht.
Fazit
Es gibt kein einzelnes k.o.-Kriterium, das Metalle aus biologischen Systemen ausschließt. Probleme wie geringe Häufigkeit, Korrosionsanfälligkeit oder Toxizität sind prinzipiell überwindbar - die Natur hat schon ganz andere Dinge entwickelt. Allerdings haben Metalle, wenn man genau hinsieht, gar nicht so viele Vorteile, wie man vielleicht im ersten Moment denkt. Viele der Gründe, aus denen wir Metalle verwenden, sind für die Natur irrelevant. Und so sind letztlich vielleicht Verbundwerkstoffe mit einer Keramik-Komponente (wie Knochen oder Schalen) für die Natur einfacher herzustellen. Vielleicht spielte auch der Zufall eine Rolle, und wenn die Evolution einen anderen Weg genommen hätte, dann hätten wir Magnesiumknochen und ich hätte in diesem Artikel versucht zu erklären, warum es in der Natur so wenig Keramiken gibt...
Die Grundidee zu diese Artikel stammt aus dem Buch "Von Grashalmen und Hochhäusern" von S. Vogel. Viele Beiträge haben auch fleißige Studis geliefert, mit denen ich dieses Problem immer in einer meiner Vorlesungen diskutiere. (Falls die alle meinen Blog lesen, muss ich mir ab nächstem Jahr was anderes einfallen lassen.)
Autor: MartinB· 114 Kommentare· Permalink· Trackback-URL
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Kommentare (114)
@Martin
Ich weiss nicht, ob es dazu passt, aber als gelegentlicher Pilzesammler ist mir aufgefallen, dass für den Menschen giftige Pilze durchaus auf dem regelmäßigen Speiseplan mancher Waldtiere stehen. Der Mensch hat evolutionär seine Enzyme bisher nicht an verschiedene Gifte wie bspw. Muscarin anpassen können (oder noch nicht). Vielleicht gibt es ja einen Grund der dazu führt, dass bestimmte toxische Stoffe nicht verarbeitet werden können. Dass dennoch bestimmte Metalle für den Körper aber durchaus verträglich sind, sieht man ja am inzwischen enorm angewachsenen Ersatzteillager (z.B. Titanhüftgelenke).Einen Aspekt hast Du nicht erwähnt. Wie sieht es denn mit der "Haftunsgfestigkeit" zwischen Metallen und den anderen Bausteinen wie Zellen oder Gewebe aus?
Lustige Vorstellung. Statt Skalpell und Tupfer eher Richtbank und Schweißgerät...Ich hätte da noch eine Idee: die mangelnde "Entwicklungsfähigkeit". Bekanntlich erfindet die Natur Dinge nicht irgendwie neu, sondern braucht graduelle Entwicklungen. Und nachdem unser Leben auf Kohlenstoff basiert, ist es wohl am leichtesten, eine Kohlenstoff-basierte Gewebematrix mit Zuschlagstoffen zu versteifen; so gibt es einen fließenden Übergang zwischen Knorpeln und Knochen, und zwischen elastischen und verholzten Pflanzenteilen. Naja, und das klappt bei Metall eben nicht so gut; Metalle sind vor allem dann gut, wenn sie rein eingesetzt werden (und dann dürfte es schon ein Versorgungsproblem geben; wie kann ein Lebewesen entstehen, wenn die benötigte Metallmenge von Anfang an da sein muss, anstatt nach und nach das Gewebe umzuwandeln?).
Zudem arbeitet die Natur mit kleinen Partikeln, und da bekommt man bei den meisten Metallen sehr schnell ein Korrosionsproblem; einen ganzen Knochen kann man aus Stahl machen, aber feinstes Eisenpulver würde schneller wegrosten als ein Körperteil entstehen kann; ich denke das ist der Grund, warum Metalle in der Natur nur als Oxide vorkommen.
@Martin
Meintest Du eine spezielle Manganlegierung oder überhaupt Manganlegierungen? Da findet man nämlich einiges, z.B. das hier oder hier. Und selten ist es eigentlich auch nicht, wenn es z.B. als Stehbolzenmaterial für Lokomotiven verwendet wird.vielleicht sind Metalle nicht so Reaktionsfreudig mit anderen Elementen... außer oxidieren tun sie eigentlich noch was anderes ?
Ferromangan
Manganbronze
Spiegeleisen
Nickel-Mangan-Legierung
uran-aluminium-mangan-legierung
was die können weiß ich nicht, gibt es aber ; )
gute überlegung der artikel
@Wolfgang
Ja, Titan ist besonders biokompatibel, hängt an der Oxidschicht auf der Oberfläche. Und das mit den Pilzen ist ein gutes Argument, merk ich mir.
@Wolfgang und s3basti8n
Aber das sind doch vor allem Legierungen, in denen Mangan zwar drin ist, aber andere Elemente ebenfall sin großen Mengen, z.B. (wolfgangs Link)
Manganneusilber mit 15% Mangan, Mangankupfer mit 30% Mangan.
Ich suchte hier nach Legierungen, in denen Mangan Hauptbestandteil ist und andere seltene Elemente nur in vergleichsweise kleinen Mengen drin sind - und der einzige Hinweis darauf war hinter einer paywall. Oder ist eine von euren Legierungen eine echte Mangan-Basis-Legierungen?
@Christoph Moder
Ja, das ist ja eine ähnliche überlegung wie die, dass die Fabriken der Natur eben kleiner sind als das, was sie bauen. Man könnte sich schon eine Art Knochen vorstellen, in dem die Keramikkomponente durch Metall-Nanoteilchen ersetzt ist. Zumindest mit Titan würde das gehen, da ist die Oberflächen-Oxidschicht nur ein paar Nanometer dick.
Mir ging es ja letztlich genau darum zu zeigen, dass Metalle so, wie die Natur sie brauchen würde, gar nicht sooo toll sind und dass der Vorteil der Metalle mehr mit unserer Technik zu tun hat.
MartinB wirklich Superartikel und ohne Frage hätte ich Sie auch gerne als anregenden Lehrer in meinem Studium gehabt. Allerdings wundere ich mich, dass Sie trotz Ihres sicherlich angespannten Zeitbudgets noch Lust und Muße haben, sich mit Kommentatoren, wie Andrea N.D. herumzuschlagen, die die immerwährende Rede oder den immerwährenden Kommentar perfekt beherrscht und unirritierbar ist, um es vorsichtig auszudrücken.
Es gibt schon was, meldet der ORF
http://sciencev1.orf.at/science/news/147612
Aber das sind wohl Spezialanwendungen und nicht der Normalfall :-)
@Martin
Ich fürchte nein. Das einzige, was ich gefunden habe war Ferromangan mit 78% Mangan oder "elektrolytisch raffiniertes, reines (99,99 %) Mangan" (Wiki). Was würde sich verändern, wenn Mangan minimal mit anderen Metallen legiert wird (fragt wieder der typische Laie...)? Außerdem ist Mangan leicht entzündlich. Ob das so gut wäre als Lebensbaustein (Bein in Flammen...)?Gute Frage!
Spontan dachte ich, dass die gängigen Metalle ja wohl dazu neigen, sich sehr schnell mit allem Möglichen zu verbinden, und dass der energetische Aufwand, sie in Reinform zu bringen, oder sie in ihrer Reinform zu erhalten, viel zu groß sein dürfte. Energiesparen ist in allen Ökosystemen, die mir geläufig sind, Trumpf. Nur wir Menschen leisten es uns, Metalle mit enormem Energieaufwand nutzbar zu machen, weil die zur Verfügung stehende Energie ja bekanntermaßen unerschöpflich ist......
Wenn etwas in der Natur nicht genutzt wird, obwohl der Nutzen, durch die menschliche Brille gesehen, offensichtlich ist, liegt es oft daran, dass wir die energetischen Kosten etwas vernachlässigen.
Warum produzieren beispielsweise Bäume im Frühling nicht massenhaft Alkaloide, damit die Raupen des Frostspanners sie nicht kahlfressen können? Weil es zuviel Energie kostet, und an die Substanz gehen könnte. Sie fangen erst an, die Alkaloidkonzentrationen zu erhöhen, wenn die Bedrohung real und akut wird.
Dafür verzichten sie dann eventuell in dem Jahr auf Nachwuchs.
Dr. Webbaer·
14.07.11 · 23:39 Uhr
Gleich und gleich gesellt sich gern, es liegen ja nur Niveauunterschiede vor, die Liga aber ist die selbe.Ich denke es liegt an unserem Energieträger. Nicht so sehr deswegen weil Metalle rosten können, sondern an einem wesentlichen Unterschied zwischen den Oxiden der Nichtmetalle und denen der Metalle. Nichtmetalloxide bilden in wässriger Lösung Säuren und Metalloxide bilden Basen. Ich denke das ist der Schlüssel wieso Metalle nicht in biologischen Systemen allgemein Verwendung finden.
Kurze Ergänzung nach kurzem Nachdenken: wie könnten denn beispielsweise Aluminiumteile oder Eisenteile oder auch Manganteile entstehen, ohne wirklich horrende Energiemengen zu investieren?
Hmm, interessante Frage. O.K., man stelle sich mal vor, menschliche Knochen wären metallisch. Wie müsste dann die Ernährung aussehen? Anders? Mit deutlich mehr metallischen Spurenelementen? Titanhüftgelenke z.B. sind ja eigentlich Fremdkörper im menschlichen Körper. Sie interagieren nicht, zumindest nicht in einer sinnvollen Weise mit ihrer Umgebung. Ehrlich gesagt, ich bin ein bisschen planlos, ich kann mir kaum vorstellen, dass das funktionieren könnte, aber für ausgeschlossen halte ich es dennoch nicht.
Aber natürlich gibt es Metalle in der Biologie, klein aber fein, die Bakterien machen es vor:
http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetosom
http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetotaxis
Zwar keine Knochen, aber das war ja auch nicht gefordert!
Na gut mir wird klar, dass das einfach nur Minerale und keine Metalle oder gar Legierungen sind! (aber trotzdem interessant!)
Habe mir nun wirklich nicht den ganzen Schwachsinn des Artikels angetan. Das wäre zu viel der Ehre für einen solchen Bloggschreiber. Vor allem, wenn man direkt wieder der Zensur anheim fällt.
Großdepp, ich kenne dich, kleingeschrieben!
Ein großes Problem dürfte auch sein, das reine Metalle nicht wasserlöslich sind. Gut, sind meisten genutzen Keramiken auch nicht (wäre auch blöd wenn sich der Knoch in Wasser auflöst ;) ), aber Keramiken sind aus Ausgangstoffen aufgebaut, die wiederum Wasserlöslich sind. Bei Metallen wären wasserlösliche Ausgangstoffe Metallinonen. Diese findet man zu hauf im Körper (Eisenionen im Blut z.B.).
Aber aus Eiseninonen Eisen zu machen (also die Ionen zu reduzieren) ist garnicht so einfach. Da ist es viel einfacher, Metalloxide herzustellen, und damit wären wir wieder bei Keramiken.
In der Zusammenhang mit MartinB's anregenden nach Frage nach der Verwendung von Metallen in Lebewesen ist es eine gute Gegelegenheit auf den Astrophysiker Thomas Gold hinzuweisen, der als Ideenmaschine in die Geschichte der Wissenschaft eingegangen ist.
Der schreibt zwar nix oder wenig über die Verwendung von Metallen in Lebewesen ist aber in seinem Klassiker " Biosphäre der heißen Tiefe" davon überzeugt, dass wir einen Großteil der in der Erdkruste angereicherten Metallvorkommen (die zudem noch wie bei Kupfer, Blei, Zink, Silber und Gold oft relativ dicht beieinander liegen) nicht der Herauslösung durch 'heißes Wasser' aus niedriger konzentriertem Ursprungsgestein, sondern aus den Tiefen der Erde aufsteigenden Kohlenstoff-Fluida verdanken, die die unter hohem Druck Organometalle bilden. Bei der Herauslösung der Metalle und der Bildung von Lagerstätten kommen dann noch Mikroben mit ins Spiel, die an den Kohlenwasserbestandteilen der Organometalle interessiert sind.
Zur empirisch-anekdotischen Unterstützung der Theorie, dass Kohlenwasserstoffe für Metallablagerungen verantwortlich sind, führt er an u. a., dass erfahrene Goldsucher über diese typische Verbindung Bescheid wussten und immer nach einem 'schwarzen Führer' einer Kohlenstoffspur suchten, um Gestein mit brauchbarer Beimischung von Gold zu finden.
@MartinB Ich vermute es liegt am Wachstum.
Metalle haben natürlich große Bedeutung z.B. im Blut oder Chlorophyl.
@Wurgl, PaulS
Ja, das sind Eisenoxide, kein Eisen. (Und über den Magnetkompass von Vögeln schreibe ich die tage was - da gibt es nämlich eine Variante, die nur dank Quantenmechanik funktioniert, was extrem cool ist.)
@cydonia, turi
Das Metall liegt ja im Meerwasser als Ion vor und müsste dann entsprechend mit Elektronen versehen werden. Das ist zwar sicher etwas energieaufwändig, aber wenn die Biologie eins kann, dann ist das, Elektronen genau an ihre Wunschposition zu schieben, insofern sehe ich da kein fundamentales Hindernis.
@Mark
Klar, wenn wir Titanknochen hätten, dann ginge das nur, wenn es irgendwo eine Titanquelle in der Nahrung gäbe. Hätten sich Lebewesen im Meer mit Magnesiumknochen entwickelt, dann wäre es für sie vermutlich schwer gewesen, an Land zu gehen, wo Magnesium nicht so leicht verfügbar ist. Das konnte die Evolution aber bei der Erfindung der Knochen nicht wissen...
@cydonia
"dass der energetische Aufwand, sie in Reinform zu bringen, oder sie in ihrer Reinform zu erhalten, viel zu groß sein dürfte."
Das "in-Reinform-Bringen ist ja eine Reduktion - müsste man mal ausrechnen, wieviel Energie pro kg das kosten würde. Das "in-Reinform-halten" ist ja bei korrosionsbeständigen Legierungen kein Problem.
@WolfgangK
"Was würde sich verändern, wenn Mangan minimal mit anderen Metallen legiert wird "
Naja, die Frage ist halt, ob man es durch Legieren hinreichend korrosionsbeständig bekommt - die Festigkeit ist ja anscheinend schon ganz gut (auch wenn ich keine Zahlen habe). Beim Legieren gibt es alle möglichen Effekte, die eine Rolle spielen - Mischrkristalle , intermetallische Phasen, Ausscheidungen und und und.
Wobei mir gerade einfällt - wenn die Natur Metalle von der Nanoskala aus aufbaut, kann sie natürlich auch Metalle mit Körnern in Nanometergröße bauen, das würde die mechanischen Eigenschaften extrem verbessern.
@Anne
Das mit den Oxiden habe ich nicht verstanden - die Natur verwendet doch für tragende Strukturen gar keine Oxide, sondern Metall-Phosphate oder Metall-Karbonate. Vermutlich verstehe ich dich irgendwie falsch.
@geoman
Zu der Idee von Gold kann ich gar nix sagen, Geologie war immer meine Achillesferse. Aber danke für den Hinweis - sollte ich mir auch mal angucken (so viel spannende Wissenschaft, so wenig Zeit...)
Statt Holzkopf Ironhead? Nette Idee.
@MartinB
Sagen wir es so: klar ist es möglich. Wenn es aber nur in wenigen Sonderfällen nur ansatzweise passiert, muss es einen triftigen Grund geben(weswegen du ja auch die Frage stellst). In solchen Fällen, wenn die Nutzung Vorteile bringen könnte, und auch z.B. über Elektronenverschiebung, wie du sicher auch richtig bemerkst, realisierbar wäre, such ich automatisch nach dem limitierenden Faktor. Und da fällt mir immer noch nur Energie ein. wie du schon sagtest: Ausrechnen!
@cydonia
aber die Frage, die ich diskutiere ist ja genau die, ob Metalle überhaupt ein Vorteil wären. Zum ausrechnen: Ja, wennich mal zeit habe, drüber nachzudenken, guck ich mir das an.
Sehr interessanter Artikel.
Vielen Dank!
@cydonia
Die alte darwinistische Leier von der optimalen (hier energetischen) Anpassung der Lebewesen.
Tatsächlich gibt es - wohin das Auge auch blickt - soviel Energieverschwendung in der Natur!
@geoman
Haben Sie ein paar gute Beispiele für die Energieverschwendung - mir fallen ein paar ein, aber das sind vielleicht nicht dieselben?
@geoman
Ich glaube, die These, dass die Lebewesen an ihre Umwelt *optimal* angepasst seien, war eher eine theologische, als eine darwinistische.
Aber auf die Beispiele für die Energieverschwendung - wohin das Auge auch blickt - bin ich auch neugierig.
mfg georg
@MartinB:
"Aber auch die Keramiken, die in der Natur häufig verwendet werden, sind spröde"
Hm, könntest du da noch mal näher drauf eingehen?
Für mich waren Keramiken bislang bei hohen Temperaturen gesinterte Werkstoffe, und dass von dir genannte Hydroxylapatit ein schlichtes Mineral.
@jitplecheep
Als Werkstoffler teilt man die Werkstoffe meist nur in drei Gruppen: Metalle, Keramiken, organische Verbundingen (Polymere). Alle ionisch oder kovalent gebundenen nicht-organischen Festkörper sind danach Keramiken, auch z.B. Steine.
Sintern ist dann für Ingenieurskeramiken der Herstellungsprozess.
Wenn z. B. von 100.000 befruchteten Frosch- oder Kröteneiern nur zwei oder drei überleben, dann stellt sich mit dem Genetiker Dr. W.-E. Lönnig nicht nur die Frage, ob es denn wirklich die Besten sind, die überleben, sondern auch, warum es eigentlich keine Selektion gegen Verschwendung gibt.
Im Übrigen ist die verschwenderische Vielfalt, die Fülle und der Überfluss in der Natur so unübersehbar, dass er schon fast sprichwörtlich geworden ist.
@MartinB
Ich hatte die Frage tatsächlich eher so verstanden, als lägen die Vorteile der Metalle auf der Hand: Das lag wahrscheinlich an der Aufzählung der Nutmöglichkeiten durch Menschen.
Und ich denke auch, um mal ein Extrembeispiel zu nehmen, dass so ein Edelstahlpanzer für diverse Lebewesen ganz praktisch wäre. Es gibt aber Lösungen in dem Bereich, die weniger aufwändig sind. Und darum ging es mir.
Vielleicht kannst du ein fiktives Beispiel bringen, wie und wo ein Metall in einem Lebewesen eingebaut sein könnte. Dann verstehe ich vielleict besser, worauf du genau hinauswillst.
Ja, Geoman, du hast auch genau verstanden worums geht..............ich weiß, dass Differenzierungen nicht deine Stärke sind, aber wenn du schon das Haar in der Suppe suchst, dann solltest du wenigstenswissen, was ein Haar ist, und auch, dass du das Ding nicht in der Suppe sondern ganz woanders gefunden hast.
Trollfütterung beendet.
@geoman
Ich kann vielleicht sogar auch noch die Fragen des Herrn Genetiker Dr. W.-E. Lönnig beantworten:
1) Es sind vermutlich nicht immer die zwei oder drei "besten" von den 100 000 die da überleben. Der Zufall spielt, z. B. in Form von Räubern spielt da auch eine Rolle.
2) Wenn ein Frosch der 100 000 Eier in die Welt setzt, mehr überlebende Nachkommen hat, als einer, der zwei oder drei in die Welt, dann wird sich wohl die erstere Fortpflanzungsstragtegie auf Dauer durchsetzen, würde ich mal sagen.
mfg georg
@geoman
Warum es keine Selektion gegen Verschwendung gibt?
Klar gibt es die in diesem Zusammenhang - man spricht von r- und k-Strategien, beide haben ihre evolutionären Vor- und Nachteile, die gut bekannt sind.
Wenn aber ich als Frosch 100000 Eier lege und du nur 100, weil du keine verschwenden willst, dann rate mal, wer sich am Ende durchsetzt.
Eine Selektion gegen Verschwendung kann es nur geben, wenn der Gewinn durch die Einsparung größer ist als der Verlust durch andere Effekte.
"Im Übrigen ist die verschwenderische Vielfalt, die Fülle und der Überfluss in der Natur so unübersehbar, dass er schon fast sprichwörtlich geworden ist. "
Das ist jetzt schon was anderes als "Energieverschwendung", oder?
@cydonia
Auf den ersten Blick scheint ja das Konzept, Knochen z.B. aus Titan zu haben, ganz attraktiv. Ein Blick auf Oscar Pistorius zeigt, dass da eventuell schon etwas zu gewinnen wäre, und auch Knochenimplantate sind ziemlich leistungsfähig. In der Medizintechnik baut man lasttragende Prothesen schon fast immer aus Metallen, da stellt sich dann ja die Frage, warum das die Natur nicht auch macht.
Ich wollte hier ja nur zeigen, dass metalle eben auch nachteile haben und letztlich gar nicht so attraktiv sind.
Ich glaube, ein Stahlpanzer ist von der spezifischen Festigkeit aber nicht so toll.
Ich stimme dir beim Stahlpanzer sofort zu......was die Titanknochen anbelangt: Wo soll das Titan herkommen und auf welche halbwegs energiesparende Weise könnte es eingebaut werden?
Schaut man sich z. B. die verschwenderische Vielfalt der Dinosaurier an, so drängt sich der Eindruck auf, dass in der Natur nicht das Prinzip der optimalen (energetischen) Anpassung, sondern (fast) 'Anything goes' wirkt. Man ist dann schon gezwungen, zu begründen, warum es bei Lebewesen keine Räder zur Fortbewegung oder Metallpanzer zur Verteidigung gibt. Und die Antwort 'energetische Anpassung' ist da sicherlich trivial.
Oder warum sucht ein Pottwal seine Beute in 1000 m Tiefe (und mehr), wo er Gefahr läuft gesundheitliche Schäden davon zu tragen, statt wie andere Wale näher an der Oberfläche, wo es genug zu fressen gibt. Es muss die reine Abenteuerlust sein!
@geoman
Der Name Lönnig kam mir doch bekannt vor. Und tatsächlich: Der hat sich sogar einen Artikel bei esowatch erarbeitet: Wolf-Ekkehard Lönnig
@ georg
Diese Ehre ist mir - wenn auch durch eine vermutlich kürzeren Artikle - auch zu Teil geworden, aber bitte kein Neid.
Im Übrigen ist es wenig zielführend, wenn hier gute Argumente durch Grundüberzeugungen abgewertet werden.
@geoman
Zwei Fragen:
1. Was ist denn nun der Zusammenhang zwischen "energieoptimiert" und "verschwenderische Vielfalt"?
2. Wie misst man, ob eine "Vielfalt" verschwenderisch ist? (Wobei bei den Dinos mit - von Vögeln abgesehen - etwa 800 bekannten Gattungen über 150 Millionen Jahre von Vielfalt nur eingeschränkt gesprochen werden kann.)
@cydnoia
"Wo soll das Titan herkommen"
sag ich ja, darum geht's doch im Artikel, deswegen ja meine Alternative Magnesium.
" und auf welche halbwegs energiesparende Weise könnte es eingebaut werden?"
Wieviel Energie das verbrauchen würde, die notwendige Metallmenge zu reduzieren, müsste ich erst berechnen.
Ok, Martin, wo soll das Magnesium herkommen, in welchem Fall hätte es Vorteile gegenüber bereits genutzten Elementen? Ging es dir jetzt wirklich nur darum, aufzuzeigen, dass Metalle gar nicht so vorteilhaft sind? Ich bin etwas verwirrt.....
Dass Magnesium ausreichend vorhanden ist, ist klar.......ich weiß, du müsstest es erst noch berechnen..:-)
@geoman
gute Argumente? von dir?
Unter Berufung auf eine (angebliche) Autorität zwei Fragen zum Frosch in den Raum stellen.
Und wenn es darauf von Martin und mir eine Antwort gibt, mit keinem Wort darauf eingehen, stattdessen dann weitermachen mit Dinosaurier und Pottwal. In dem Stil kann es dann noch lange ergebnislos weitergehen.
Das macht nicht gerade den Eindruck, als wolltest du hier ernsthaft dikutieren.
Bisher ist das einzige gute Argument, das hier zu sehen ist dasjenige, dass der Fortpflanzungserfolg maßgeblich ist.
@Martin
Zu den Pilzen ist mir noch eingefallen, dass mein toxischer Vergleich etwas hinkt. Immerhin gibt es ja Lebewesen, die Muscarin vertragen. Soagr der hochgiftige grüne Knollenblätterpilz kann von diversen Tieren (z.B. Schnecken) gefahrlos angeknabbert werden. "Biologie" stellt sich also durchaus auf Toxizität ein, auch wenn das beim Menschen bisher nicht funktioniert hat.
Das verwirrt mich etwas. Ist man sich sicher, dass die erste Zelle im Wasser entstanden sein muss? Irgendwo hatte ich mal gelesen (Mist, dass ich das nicht immer sofort finde), dass auch der Weg Land-Meer-Land möglich sei, und da waren Metalle wohl eher schwer zu finden.Aaaargh! Neugierde ist manchmal hart :-)
Irgendwie kam mir das bekannt vor. Und in der Tat: Akazien produzieren Gifte (Tannine), um Antilopen vom Fressen abzuhalten, und bei zu hoher Population kommt es auch zu Massenvergiftungen.@cydonia
@WolfgangK
"Irgendwo hatte ich mal gelesen (Mist, dass ich das nicht immer sofort finde), dass auch der Weg Land-Meer-Land möglich sei,"
Es gibt soweit ich weiß die Idee, dass das Leben an Ton-Erden unter feuchten Bedingungen etstanden sei. Die ersten Vielzeller und die Vorfahren der Wirbeltiere und der Mollusken lebten aber im Wasser, und die sind ja hier interessant - Bakterien haben ja keine Knochen oder Schalen (Obwohl Foraminiferen und Algen auch als Einzeller Schalen haben).
"Akazien produzieren Gifte (Tannine), um Antilopen vom Fressen abzuhalten"
Klar, und Grase enthalten Siliziumoxid, um die Zähne der Pflanzenfresser schneller abzunutzen, was die aber inzwischen auch wieder ausgeglichen haben. Ist aber auch hier wieder ne Abwägungsfrage: Wieviel Aufwand ist es, diese Stoffe zu produzieren und wie groß ist der Gewinn. Wenn so ein Raupenbefall nur alle paar Jahre oder Jahrzehnte auftritt, dann lohnt es für den Baum vermutlich nicht, weil er dann halt ein Jahr mal keine Früchte trägt.
@MartinB Zum Mangan, besonders Einsatz von Manganlegierungen habe ich mal etwas recherchiert. Die meisten Legierungen sind mit geringen Mangananteil. Aber u.a. habe ich die folgenden Patente gefunden:
http://www.patent-de.com/20100408/DE102008042578A1.html (...Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen hinsichtlich seines Korrosionsverhaltens verbesserten biokorrodierbaren metallischen Werkstoff für ein Implantat bereitzustellen. Dies soll insbesondere derart erfolgen, dass die weiteren, für die Bearbeitung wichtigen Materialeigenschaften, wie zum Beispiel seine Duktilität und Festigkeit, sich unwesentlich verändern und gegebenenfalls sogar noch verbessern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein medizinisches Implantat gelöst, dessen Grundkörper ganz oder in Teilen aus einer Legierung besteht, deren Hauptbestandteil Mangan ist (Mangan-Basislegierung)...."
und
http://www.patent-de.com/19990204/DE19834437A1.html
Desweiteren habe ich eine Aufstellung der "Bioelemente im menschlichen Körper"
http://www.seilnacht.com/Lexikon/25Mangan.htm#verw etwa Mitte der Seite. Hier beträgt der Anteil des Mangans im menschlichen Körper 0,0002%. Interessanter fand ich den Anteil von Calcium mit 1,5%.
Mit den Infos aus Wikipedia sieht man, dass Calcium auch nur einer der Hauptbestandteile der Knochen ist: "Die Knochenmatrix setzt sich zu 10 % aus Wasser, zu 20 % aus organischen Materialien und zu 70 % aus anorganischen Stoffen (vor allem Hydroxylapatit) zusammen." "Hydroxylapatit kristallisiert im hexagonalen Kristallsystem mit der chemischen Formel Ca5[OH|(PO4)3]."
Ich denke deine Überlegungen waren es (z.B.) den ganzen Knochen durch Metall zu ersetzen, wie wäre es, wenn nur das Hydroxylapatit ersetzt würde oder hierin, natürlich mit anderer Formel, das Calcium?
Eine andere Überlegung, ist ob die Metalllegierungen schnell genug verrotten, um wieder zur Verfügung zu stehen. Hier sehe ich ein Problem. Und wie bereits oben genannt stelle ich mir ein Wachstum mit Metallknochen schwierig vor.
WolfgangK·
15.07.11 · 15:44 Uhr
Das bringt mich auf eine weitere Idee, warum die Evolution Metalle vermieden haben könnte. Wie sieht es denn mit elektrostatischen Ladungen/Entladungen aus, vor allem auch im Hinblick auf das Leben im Wasser? Man kennt ja die schmerzhaften "Zahnblitze" beim versehentlichen Kauen von (Schokoladen-) Alufolie bei Amalgam-Füllungen. Da ein Lebewesen zumeist stets in Bewegung ist und Ströme ja für ganz andere Dinge benötigt, könnte ich mir vorstellen, dass mögliche elektrostatische Entladung im Körper recht hinderlich wären. Auch für die nahe Umgebung im Wasser (Nachkommen) wäre es recht unangenehm bis tödlich (Beispiel Zitteraal).@roel
Ja, aber eine "biokorrosierbare" Legierung ist genau das, was wir nicht wollen - die wird ja vom Körper abgebaut. (Würde allerdings erlauben, sozusagen lebende Metallstrukturen zu bauen, vielleicht auch interessant...)
Der zweite Lionk hat Legierungen mit ziemlich viel anderen - seltenen - Elementen; wenn ich 30% Fe habe, dann kann ich auch gleich nen Stahl bauen, das ist dann auch nur noch dreimal so aufwändig (und ich schätze hier ja eher mit Größenordnungen).
"Mit den Infos aus Wikipedia sieht man, dass Calcium auch nur einer der Hauptbestandteile der Knochen ist"
Ich weiß, darüber halte ich ne Vorlesung :-)
Wenn man nur das HAP ersetzt (nur das Ca ergibt keinen Sinn, Ca ist ja als Element eh schon ein Metall, ich will ja metallisches Metall), dann geht das vielleicht schon, habe ich ja auch obe schon erwähnt - dann verliert man halt die spezifischen Metallvorteile.
"Eine andere Überlegung, ist ob die Metalllegierungen schnell genug verrotten, um wieder zur Verfügung zu stehen"
Um Knochen ab- und umzubauen, schüttet der Körper Salzsäure aus, die dürfte auch mit den meisten metallen fertig werden (Lediglich mit Titan und den Edelmetallen könnte es schwierig werden, aber mit geeigneten Enzymen ginge das sicher auch.)
@Wolfgang
"Wie sieht es denn mit elektrostatischen Ladungen/Entladungen aus, vor allem auch im Hinblick auf das Leben im Wasser?"
Ich denke nciht, dass das ein Problem ist, so große elektrische Felder gibt es ja im Wasser normalerweise nicht. Würde vielleicht die Nervenleitung mit elektrischen Signalen beeinflussen, aber ich sehe nicht, dass das ein prinzipielles Problem ist (und leute mit Metallimplantaten dürfen auch im Meer baden).
@MartinB lebende Metallstrukturen hört sich gut an. Wenn du viel Zeit hast, kannst du auch hier nach Manganlegierungen gucken. Leider sprengt das heute meinen Zeitrahmen. Würde mich aber interessieren, falls du guckst, ob was dabei war.
http://worldwidescience.org/wws/result-list/fullRecord:MANGANBASISLEGIERUNGEN/preferredLanguage:de/
Die körpereigene Salzsäure, wie hochprozentig ist die?
@roel
Die wird von den Osteoclasten ausgeschüttet - da sich Knochen erst bei pH-Werten unter 4 auflöst, muss sie die Stärke mindestens haben.
@Martin
Naja, wenn ich daran denke, dass mich schon die elektrostatischen Entladungen an Türklinken von diversen Bodenbelägen nerven...Dennoch muss ich noch einmal konkret nachfragen. Bei den meisten Metallen stehen - im Gegensatz zu Knochen - viele bewegliche Ladungsträger zur Verfügung. Dann denke man an die unzähligen Nervenbahnen, die an einer metallenen Wirbelsäule entlanglaufen und schwache elektrische Signale transportieren, oder an die am (metallenen) Knochen angewachsenen Muskeln, die ziel- und punktgenau die Befehle des Gehirns ausführen sollten.
Und dann lungern diese beweglichen Ladungsträger in den Metallknochen quasi alle so sinnlos herum und versuchen nicht, mit den aktiven Elektronen wechselzuwirken? Irgendwie leuchtet mir das nicht so ein. Habe ich da was übersehen?
"Ich bin immer auf der Suche nach Ausnahmen - falls jemand welche kennt, wäre ich sehr dankbar für einen Tipp."
Eisensulfid: http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-11113-2010-01-21.html
@WolfgangK
Knochen sind ja von einer Haut umgeben, dem Periosteum. Das wäre bei metallischen Knochen nicht anders. Natürlich wird es ein paar Einflüsse geben, das will ich gar nicht abstreiten - aber auch Knochen hat els Dielektrikum Auswirkungen auf elektrische Felder. Evolutionär könnte die Knochenhaut sich als hinreichend guter Isolator entwickeln (beispielsweise durch Einlagerung von fetten oder unpolaren Proteinen). Und wie gesagt, dass man Menschen metallische Schrauben, Platten, Marknägel etc. auch auf Dauer in den Körper stecken kann zeigt, dass das kein sehr großes Problem ist.
Die elektrische Leitung innerhalb der Nerven beruht ja auch auf Ionentransport an der Oberfläche der Nervenbahn, siehe
http://de.wikipedia.org/wiki/Nervenzelle
Insofern sind freie Elektronen in Metallknochen da vermutlich kein Hinderungsgrund, weil die diesen Prozess gar nicht stören.
@Martin
Danke, jetzt habe ich es verstanden. Mich hatte der Unterschied von "ein paar Schrauben im Körper" zu einem komplett metallenen Skelett verwirrt.
Um allerdings der bei Astrodicticum Simplex erwähnten realen Argumentationsweise gerecht zu werden, müsste ich jetzt sagen: "...aber ein Metallskelett zieht verstärkt Blitze an!!!" ;-)
@WolfgangK
... und außerdem wird man durch die induzierten Wirbelströme immer zur Seite abgelenkt, wenn man im Erdmagnetfeld schnell rennt.
War das jetzt die Antwort auf die Titelfrage? ;-)
@rolak
Nicht ganz, wir brauchen noch nen Grund, warum Bäume nicht aus Metall sind (wäre doch auch als Blitzableiter praktisch).
@Martin
...und dieser Mann wäre kein Fake mehr, weil dann jeder als Besteckkasten herumlaufen könnte...
Aber ernsthaft: was wäre, wenn unser Skelett aus Holz bestehen würde? (Irgendwie finde ich die evolutionären Möglichkeiten interessant...)
Stimmt, MartinB, das war deutlich zu kurz gedacht, wohl weil es so schön passte.
Bei Metall in Pflanzenähnlichem denke ich sofort an energy harvesting, weniger so, eher blatt/ast/..-Bewegung via Piezo-Artigem zu el.Energie und speichern). Warum sich dergleichen evolutionär entwickeln sollte? Vielleicht mal einen Zitteraal (oder so) befragen... Praktisch und gut nutzbar wäre so etwas mit Sicherheit, statt (nur) Fraßfeinde zu brutzeln versorgen die stark verbesserten Obstbüsche im Garten jetzt auch den Rechner.
Fragt sich natürlich, ob dazu schieres Metall überhaupt notwendig ist bzw Vorteile hätte.
"Ein großes Problem dürfte auch sein, das reine Metalle nicht wasserlöslich sind."
Was auch für den Nahrungs- oder Stoffkreislauf ungünstig ist, wenn das Metalltier [1] als Festkörper vorliegt. - Aus Sicht des Webbaeren die bisher nachvollziehbarste Einsicht.
MFG
Dr. Webbaer
[1] Man stelle sich einmal Metallivoren vor (oder Steinleben)
@Wolfgang
Holz ist von den mechanischen Eigenschaften her Knochen unterlegen - besonders die Druckfestigkeit ist mit etwa 30MPa wesentlich kleiner als die von Knochen (Faustwert 250MPa, schwankt allerdings stark.)
Bäume werden vor allem auf Biegung belastet, ihr Holz ist deshalb außen am Stamm auf Zug vorgespannt, so dass auf der Druckseite die Spannungen kleiner sind.
Knochen aus Holz müssten jedenfalls deutlich dicker sein als unsere es sind.
@rolak
Der Zitteraal nutzt die Tatsache, dass Muskeln sowieso eletrkische Spannungen erzeugen - unterschiedliche elektrische Fische haben da ach unterschiedliche "Schaltungen" der Muskeln, je nachdem, was für Felder sie erzeugen.
@Martin
Da bin ich jetzt überrascht. Ich dachte an extrem dichte Hölzer (welche allerdings auch schwer sind). Tatsächlich ist die Druckfestigkeit der Lophira alata (Azobé) mit 87-108 MPa (Wiki) zwar hoch, aber immer noch nicht bei 250MPa.Ich denke, da wäre vielleicht die Meinung eines Exo-(oder Astro-)Biologen interessant. Wie könnte die Evolution auf anderen Planeten mit veränderten Stoffmengen aussehen?Ich habe die letzten Kommentare wegen der späten Stunde jetzt nur überflogen, aber mir kam da gerade noch eine gutes Argument gegen Eisen, Titan und Mangan im Körper:
elektrische Potentiale an den Membanen von Nervenzellen. Natrium-,Magnesium- ,Callciumionen haben einen wesentlich kleinere Durchmesser als, sagen wir mal, Titanionen. Selbst wenn wir berücksichtigen das Titanionen mehr Ladungen tragen ( +3,+2,+4 glaub ich) und man weniger benötigen würd verglichen mit Na+ , währe eine Lebende Zelle überhaupt in der Lage Ionenkanäle in der Mebran zu haben die groß genug wären? Ich bin kein Neurobiologe, sollte sich aber zufällig einer in der Leserschaft befinden, würde ich gerne hören was Sie/Er zu sagen hat.
Warum gibt es in der Biologie keine Metalle?
Der Grund liegt wahrscheinlich in der besonderen Reaktivität der Metalle bei Anwesenheit von Wasser, so dass biologisch nur Metall-Oxide oder Metall-Salze zum Einsatz kommen können. Alkalimetalle (Mg, Ca) brennen sogar bei Kontakt mit Wasser.
Ein eingebauter Rostschutz für den Aufbau einer rein metallischen Struktur wäre wohl energetisch zu teuer. Also bleibt nur die Einlagerung einzelner Metallatome (wie etwa beim Blut als Sauerstoffträger) oder gleich die Verwendung von Metallsalzen in Form eines Composite zusammen mit Proteinen als Klebstoff, wie etwa Kalziumkarbonat beim Perlmutt (Niedertemperaturkeramik = Verbundwerkstoff).
Oxide sind als Baumaterial zu spröde.
Bei der technischen Verarbeitung von Metallen (Schweißen, Löten) hat man ganz genau das gleiche Problem. Aluminiumlegierungen haben ein ganz blödes Kriechverhalten und können ohne Vorwarnung brechen, Al-Schweißen geht nur unter Luftabschluss (die Schweißnähte sehen im Vergleich zu Stahl brutal aus).
Mg-Al-Zn-Legierungen enthalten nicht mehr als 5% Mg, mehr bekommt man da einfach nicht rein. Mg-Staub-Luftgemisch kann sogar explodieren.
Und da hat sich der Körper vermutlich gesagt: bevor ich mir da einen mit dem Brandschutz abkämpfe, lass ich das Zeug erstmal abreagieren (mit Wasser und Kohlendioxid) und bastle mir ein Komposit aus hartem Karbonat und elastischen Proteinen.
Oder so.
@WolfgangK
Die Zahlen kannte ich noch nicht, danke.
@Farin
Interessanter Punkt. Evolutionär ist es ja wahrscheinlich, dass Calcium-Verbindungen deswegen als Basis für Strukturwerkstoffe verwendet werden, weil Tiere zunächst ein Calcium-Reservoir anlegten, das das zweckentfremdet wurde. In einer alternativen Evolution müssten stattdessen Mg-Ionen in Nerven verwendet werden. Hmm - allerdings wäre der evolutionäre Pfad zu einem echten Metall auf diesem Weg umständlicher, weil im Reservoir ja einfacher Ionen gespeichert werden müssten. Das ist ein interessanter Punkt.
@Beka
"Ein eingebauter Rostschutz für den Aufbau einer rein metallischen Struktur wäre wohl energetisch zu teuer."
Das wäre ja genau zu zeigen - bei Ti-Legierungen wäre es kein Problem, bei einigen Mg-Legierungen geht das ja auch.
"Mg-Staub-Luftgemisch kann sogar explodieren."
Ja, aber das sollte für den Körper wo alles in wässrigem Medium vorliegt, kein Problem sein.
"Oxide sind als Baumaterial zu spröde."
Das kann man so pauschal sicher nicht sagen - Zirkonoxid oder Aluminiumoxid haben wesentlich höhere KIc-Werte als reines Hydroxyapatit oder Kalziumkarbonat; dass sie technisch trotzdem sehr kleine kritische Risslängen haben, liegt am höheren Lastniveau, dem man sie aussetzt. Knochen oder Schalen umgehen das Problem durch die organische Komponente, die die Risszähigkeit massiv erhöht.
WolfgangK schreibt
Natürlich hat sich der Mensch auf die verschiedensten Gifte eingestellt. Die zahlreichen Bitterstoffe, Phenole, Alkaloide usw. in Pflanzen, auch die vielgerühmten "sekundären" Pflanzenstoffe sind primär Gifte, gegen Insekten und andere Fraßfeinde. Die meisten davon, zumindest in kleiner Dosis, schaden dem Menschen aber nicht, weil er, und seine Säugetiervorfahren sich daran angepasst haben.
@Alexander
Ja, das war etwas mißverständlich. Ich bezog diese Aussage nur auf Pilzgifte wie Muscarin oder Amanitin.
Ich hab jetzt leider nicht die Zeit, alles durchzulesen, aber vielleicht gilt ja auch diese Ausnahme, die mir auf Helgoland begegnet ist:
http://de.wikipedia.org/wiki/K%C3%A4ferschnecken
In deren Radula von Käferschnecken ist Magnetit eingebaut, damit wird sie härter und eignet sich besser, Krustenalgen von den Steinen zu raspeln.
Damit hätten wir schon 2 Schneckenarten, die sich Eisenoxide ins Boot holt...
@Tinschen
Ja, Eisenoxid (magnetit) kommt öfters vor - hier geht es ja explizit um die metallische Form.
@MartinB "nur das Ca ergibt keinen Sinn... ich will ja metallisches Metall" Deshalb wollte ich eigentlich das Ca da rausnehmen, und eher in Richtung Fe oder Al gehen. Nachdem ich jetzt so ziemlich alles bemüht habe, was das Internet hergibt, meine ich, dass metallische Metallverbindungen im Sinne des Beitrags in der Biologie eine (Neu-)Entdeckung wären.
@roel
"Deshalb wollte ich eigentlich das Ca da rausnehmen, und eher in Richtung Fe oder Al gehen."
Aber wenn du aus einem Calcium-Salz das Calcium durch Fe oder Al ersetzt, wird daraus ein Eisen- oder Al-Salz, kein Metall. (Ca als Element ist ja auch ein Metall, aber nicht im HAP).
@MartinB Ja klar, aber die (mir bekannten) Ca-Verbindungen haben nicht die gewünschten metallischen Eigenschaften. Ca als solches reagiert mit Wasser und dürfte daher auch ausscheiden. Gibt es überhaupt Metallverbindungen, die noch metallische Eigenschaften haben und in Frage kämen?
@roel
??? Irgendwas verstehe ich gerade nicht - genau darum geht's doch in dem Artikel (Mg, Mn usw.). Vermutlich verstehe ich dich gerade völlig falsch.
@MartinB Stimmt, bleiben wir bei den Metallen und Metalllegierungen.
Elementares Gold ist zumindest ein Stoffwechselprodukt der Bakterien Cupriavidus metallidurans (u.a. http://de.wikipedia.org/wiki/Cupriavidus_metallidurans ).
@sst
Cool. Goldlegierungen können ja auch ziemlich fest sein. Wäre ja vielleicht ein Weg für unsere alternative Evolution.
@ Martin B u.a.:
Ich denke, der Grund, dass es keine metallischen Knochen oder Panzer gibt, ist darin zu suchen, dass Metallbindungen biochemisch nicht zu erzeugen bzw. aufzubrechen sind. Metalle sind biochemisch nur über die ionisierte Form erschließbar, weil die Zugänglichkeit über wässrige Lösungen erfolgt. Da sich Biochemie grundsätzlich auf der Basis des Biosolvens Wasser entfaltet, ergibt sich ein Metabolismus, an dem Metalle beteiligt sind, ausschließlich über die ionisierte Form. Wenn - wie im Fall der genannten Bakterien - Gold als Metall abgeschieden wird, ist es für den Metabolismus des Bakteriums außen vor - also gewissermaßen verloren. Es wird entweder ausgeschieden oder verbleibt als Fremdkörper im Bakterium, ohne in den Metabolismus integriert zu sein.
Aus den genannten Gründen entfällt von vornherein jegliche Art eines koordinierten Wachstums von Körperteilen aus massivem Metall. Knochen, Panzer, Gehäuse u.a. Hartteile von Organismen bestehen zum einen aus amorphem, nicht kristallinem Material (CaCO3 könnte z.B. wunderschöne Calcit-Kristalle bilden, liegt als Perlmutt aber in einer amorphen Form vor - warum wohl?) und sind zum anderen zumindest teilweise mit Proteinen oder gar Zellen durchsetzt, was eine Möglichkeit darstellt, via Biochemie wachstumskoordinierend Einfluss zu nehmen (zumal das Material prinzipiell erschließbar, weil in Salzform vorliegend ist!). Bei Metallen wäre das nicht möglich, weil ein einmal entstandenes Metallgitter biochemisch nicht mehr beeinflussbar ist. Falls also in irgendeiner exotischen Biosphäre tatsächlich Metallausscheidung in großem Stil ablaufen sollte, dann würde es entweder in Gestalt winziger Körnchen ausgeschwitzt werden oder es schält sich als dünne Metallfolie von der Haut ab, ohne massivere Panzer zu bilden.
@Monod
Als ich hier schrieb, dass die Meinung eines Exobiologen interessant wäre, hatte ich an Dich gedacht. Irgendwie hatte ich noch im Hinterkopf, dass Du Dich damit beschäftigst. Neben Deiner jetzigen Erklärung (die ich mir aber erst noch "erarbeiten" muss) fand ich auch Farins Erklärung recht einleuchtend. Was aber zutreffen könnte, muss ich dem Abgleich der Experten überlassen. Jedenfalls: es freut mich, Dich zu lesen :-)
@ WolfgangK:
Die Freude ist ganz meinerseits :-)
"... fand ich auch Farins Erklärung recht einleuchtend."
Farins Erklärung bezog sich auf den Ionentransport (was auch ein Thema für sich ist ...). Das eigentliche Problem entsteht, wenn die Metallionen bis zur Elementform reduziert werden und die dann vorhandenen Atome miteinander in Verbindung gebracht werden müssen. Hier versagt die Biochemie, weil die benötigten Energien zum Aufbau von Metallbindungen nicht vorhanden sind. In der Metallurgie führt man ausreichend Wärme zu, so dass das Metall schmilzt und nach dem Erstarren spontan als Metallgitter kristallisiert. Dieser Weg scheidet für Organismen aus. Die chemische Reduktion von Metallionen im Reagenzglas (z.B. bei solch labilen Verbindungen wie z.B. Silberchlorid) führt stets zu amorphen pulverförmigen Metallansammlungen, aber niemals zu massiven Metallbrocken. (Silber schlägt sich als schwarzer Belag auf dem Reagenzglas nieder und muss erst erhitzt werden, damit sich ein Metallspiegel auf der Glasoberfläche bildet!)
Am Beispiel von Quecksilber lässt sich sehr schön zeigen, dass auch ohne Vorhandensein eines kristallinen Metallgitters die Biochemie überfordert ist. Quecksilberverbindungen sind mit wenigen Ausnahmen (HgS und Hg2Cl2) Gifte der Abteilung 1, weil sie wasserlöslich sind und damit als Ionenform der Biochemie zugänglich - mit verheerenden Folgen für die Enzymaktivität! Elementares Quecksilber hingegen ist, wenn es als Flüssigkeit eingenommen wird, ungiftig und passiert anstandslos den Magen-Darm-Kanal, ohne vom Körper aufgenommen zu werden. Das liegt daran, dass Quecksilber als halbedles Metall von der Magensäure nicht angegriffen wird. Ebenso versagen die Verdauungsenzyme bei dem Versuch, Quecksilberatome aus dem Flüssigkeitsverbund herauszulösen. Warum? Weil die Metallbindung dadurch charakterisiert ist, dass die frei beweglichen Außenelektronen den entstehenden Abstoßungsdruck zwischen den nunmehr positiv geladenen Rumpfatomen kompensieren. Im Unterschied zur Ionenbindung haben wir es hier aber nicht mit einer gerichteten Anziehung zwischen positiven und negativen Ionen (also Atomen mit über- oder unterzähligen Elektronen) zu tun, sondern mit positiv geladenen Metallionen, deren Zusammenhalt sich über die in den Zwischenräumen befindenden freien Elektronen konstituiert. Die Elektronen bilden gewissermaßen den Kitt, der das Ganze zusammenhält.
Warum haben aber Enzyme keine Chance, einzelne Metallionen aus dem Verbund herauszulösen? Weil die elektromagnetische Kraft hier ungerichtet wirkt. Es bietet sich für Enzyme kein Ansatzpunkt, um durch eine gezielte chemische Reaktion am Metallion anzusetzen. Etwas anderes ist es, wenn das Metallion mit einem Säurerest-Ion assoziiert ist. Hier gibt es eine klare Bindungsstelle, an der ein Enzym mit dem aktiven Zentrum ansetzen kann, um unter gleichzeitiger Anwesenheit von ATP die Bindung zu spalten. Allerdings liegen Metallsalze in wässriger Lösung ohnehin bereits in dissoziierter Form vor, so dass es in der Regel keines enzymatischen Aufwands bedarf, um die Ionen voneinander zu trennen.
Noch einmal zum Quecksilber: Metallisches Quecksilber ist wie gesagt ungiftig, aber Quecksilberdämpfe wiederum gelten als hochgiftig - obwohl diese ja auch elementares Quecksilber sind. Wie geht das? Ganz einfach. Quecksilberdampf besteht aus einatomigen Molekülen. Wird der Dampf eingeatmet, haben die Enzyme leichten Zugriff auf die einzelnen Atome und können sie - unter Abspaltung der zwei Außenelektronen - als zweiwertiges Metallion in die biochemischen Reaktionskreisläufe einbauen - mit den bekannten verheerenden Folgen für die Enzymaktivität.
Fazit: Wenn es nicht mal möglich ist, Metalle in flüssiger Form zu erschließen, weil die Metallbindung jeglicher Enzymaktivität unzugänglich bleibt, wie soll es dann möglich sein, über Enzymaktivität Metallbindungen aufzubauen, geschweige denn koordiniert wachsen zu lassen, so dass daraus funktionsfähige Körperteile entstehen - analog zu Knochen und Panzern?
@Monod
Ich bin nicht so ganz überzeugt. Es gibt ja z.B. bioresorbierbare Magnesiumlegierungen, die also vom Körper abgebaut werden.
http://www.organische-chemie.ch/chemie/2007jan/stents.shtm
(Genaue Zusammensetzung leider nicht angegeben, aber anscheinend schon metallisch.)
Insofern sind Metalle der Biochemie zugänglich. (Da auch Knochen immerhin mit Salzsäure abgebaut wird, sollte das auch für Metalle gehen, wenn der Körper entsprechende Strukturen hätte.)
Ich finde die Idee auch nicht abwegig, dass sich z.B. die Goldproduzierenden Bakterien im Laufe der Evolution mit einem Goldpanzer umgeben. Wenn sich dann mehrzellige Lebewesen daraus entwickeln würden, könnten daraus vielleicht schon auch größere Metallstrukturen entstehen - allerdings nicht aus massivmetall, sondern, wie du sagst, aus Metallteilchen in einer organischen Matrix.
@ MartinB:
Magnesium ist im Vergleich zu Quecksilber auch ein unedles Metall - kaan also über diverse Säuren gelöst und damit in Ionenform erschlossen werden. Das Problem ist ja nicht die Aufnahme von Metall (gelingt ja offensichtlich recht einfach, wie die Präsenz von Spurenelementen belegt), sondern die Anreicherung in elementarer Form und die Verknüpfung zu Metallbindungen, damit Metallstrukturen entstehen.
Im Körper wird z.B. Eisen in Gestalt von Eisen-Oxid-Hydroxid-Micellen im Protein Ferritin angereichert, also wiederum nicht in elementarer Form, sondern im Verbund mit Oxid- und Hydroxid-Ionen, so dass bei Bedarf das Eisen (III) Ion enzymatisch zum Eisen (II) Ion reduziert werden kann, um z.B. in Hämoglobin zum Sauerstofftransport verwertet werden zu können. Die Elementarform des Eisens wird tunlichst vermieden, weil der elektrisch neutrale Zustand gleichbedeutend ist mit Unverwertbarkeit - zumindest ist der Aufwand zur Re-Ionisierung des Eisens höher als die Aufrechterhaltung des ionisierten Zustands.
Nun könnte man einwenden, dass es doch möglich wäre, dass Metalle in elementarem Zustand in der Zelle angereichert und dann mittels Exocytose ausgeschieden werden. Das würde aber bedeuten, dass der Ionenhaushalt des Gesamtorganismus in großem Stil eine Leckage aufweist, die durch einen ebenso großen Zustrom von Metall-Ionen ausgeglichen werden müsste. Weiterhin wäre durch den Metallverlust via Exocytose nichts gewonnen, da sich die Metallpartikel in den Zellzwischenräumen quasi als Abfall ansammeln, der nicht in den Gesamtmetabolismus integriert ist. Nebenwirkung dieser zunehmenden Verstopfung könnte u.a. die Blockierung interzellulärer Stofftransporte sein, die langfristig gewebeschädigend wirkt.
Geschieht die Exocytose an der Außenhaut (bzw. -membran) des Organismus, ergibt sich ebenfalls kein nützlicher Effekt, weil sich die Partikel ablösen würden. Da die Metallpartikel elektrisch neutral sind, ergibt sich keine Affinität zu Membranstrukturen - sie werden folglich nicht gebunden und unterliegen der mechanischen Abtragung. Eine Panzerung kann gar nicht heranwachsen, da die Metallpartikel voneinander isoliert sind. Damit sich eine Metallbindung konstituieren kann, müssen die Partikel nicht nur an einer Stelle konzentriert werden, sondern es muss darüber hinaus die Abstoßung der äußeren Elektronenhülle überwunden werden, damit sich die Rumpfatome zu einem Metallgitter zusammenfinden. Beide Voraussetzungen sehe ich in einem Organismus nicht als gegeben an.
Auch die Goldproduzierenden Bakterien können (unter der Präsenz von unter natürlichen Bedingungen nicht vorhandenem Gold (III) chlorid!) nur Partikel produzieren, die nach und nach an die Umgebung abgegeben werden, damit sie das Zellinnere nicht zum Platzen bringen - von einer Panzerung keine Spur ...
schade eigentlich, denn ein vergoldetes Bakterium wäre doch ganz hübsch anzusehen ...
@Monod
Ich sehe vollkommen ein, dass es für die heute lebenden Zellen nicht ohne weiteres möglich wäre, Metalle herzustellen und sinnvoll einzubauen. Ich bin mir allerdings nicht ganz so sicher, dass das ein prinzipielles Problem ist und nicht eins, das sich eben einfach evolutionär nicht gestellt hat und deswegen auch nicht gelöst wurde.
"Das würde aber bedeuten, dass der Ionenhaushalt des Gesamtorganismus in großem Stil eine Leckage aufweist, die durch einen ebenso großen Zustrom von Metall-Ionen ausgeglichen werden müsste. "
Meinst du damit, dass man - weil man ja Metall-Ionen aus dem Meerwasser holt - entsprechend viele Elektronen irgendwoher bekommen müsste? Daran hatte ich noch gar nicht gedacht - aber vielleicht (mehr wilde Spekulation) könnte man ja passend dazu OH--Ionen aus dem Meerwasser filtern und die zu H2O weiterverarbeiten.
"Da die Metallpartikel elektrisch neutral sind, ergibt sich keine Affinität zu Membranstrukturen - sie werden folglich nicht gebunden und unterliegen der mechanischen Abtragung."
Da habe ich wiederum Zweifel - Implantate werden ja auch vom Körper fest eingebaut; im Idealfall kann z.B. Knochen direkt an ein implantat heranwachsen. Da die meisten Metalle auf der Oberfläche ja eine Oxidschicht haben, können sich dort organische Moleküle auch direkt anlagern - das passiert ja auch mit einigen Proteinen.
Aber ich gebe zu, es ist vermutlich schwieriger, als ich dachte.
"... aber vielleicht (mehr wilde Spekulation) könnte man ja passend dazu OH--Ionen aus dem Meerwasser filtern und die zu H2O weiterverarbeiten."
Na ja, die OH-Ionen schwirren ja auch nicht einfach so im Meerwasser herum ... nein, ich denke, dass die Metall-Ionen im Meerwasser mit Säurerest-Ionen assoziiert sind und daher mit diesen zusammen aufgenommen werden. Insofern sehe ich da kein Problem hinsichtlich des Ladungsausgleichs. Mir ging es bei dem Nachschub eher um die Zufuhr weiterer Metall-Ionen, um den Verlust infolge von Exocytose auszugleichen. Üblicherweise werden Metall-Ionen so lange es geht im Metabolismus recyclet. Allfällige Endprodukte werden als Salz ausgeschieden. Im Fall einer kontinuierlichen Metallabgabe in Elementform ergeben sich zum einen erheblich höhere Ausscheidungsmengen als in Salzform und zum anderen bleibt die Entsorgung der Säurerest-Ionen ungeklärt - hier müssten wiederum geeignete Kationen gefunden bzw. zugeführt werden, die diese binden und als Salz abführen (Spontan fällt mir dazu nur das Ammonium-Ion als Ausweg ein. Allerdings müsste auch dieses via Ammoniak zugeführt werden, was in wässriger Lösung allerdings schwierig ist, weil dieses im Vergleich zu z.B. Magnesium eine höhere Affinität zu z.B. Chlorid oder Sulfat hat, so dass auch hier Ammonium nur als Salzlösung zu bekommen ist. Das Problem verschiebt sich somit nur!). Ein Organismus mit kontinuierlicher Metallausscheidung wäre also zum einen in seinem Ionenhaushalt instabil und zum anderen im Hinblick auf die Verfügbarkeit von Spurenelementen unökonomisch. Die Selektion würde hier also ansetzen und einen Trend zu Metall-Ionen-Recycling auslösen, der im Wesentlichen darauf hinausläuft, was wir bereits kennen.
"Da die meisten Metalle auf der Oberfläche ja eine Oxidschicht haben, können sich dort organische Moleküle auch direkt anlagern - das passiert ja auch mit einigen Proteinen."
Richtig. Aber die Implantate kommen ja als Fremdkörper in den Organismus hinein und wachsen nicht aus dem Organismus heraus. Wenn also der Organismus Metalle abscheidet, werden sie entweder schnell wieder oxydiert, so dass sie in den Metabolismus wieder integriert werden - oder sie bilden keine Oxide (z.B. bei Edelmetallen) und organische Moleküle können sich nicht anlagern - die Metallpartikel sind damit draußen im eigentlichen Wortsinn. Magnesium ist ein sehr unedles Metall und damit gegenüber Wasser und diverse organische Säuren sehr reaktiv, so dass es im Körper recht schnell erodiert (siehe Dein Beispiel aus dem Link!). Folglich wird es chemisch abgebaut und in Gestalt von Mg(OH)2 dem Metabolismus zugänglich ("bioresorbierbar"). Der umgekehrte Weg ist allerdings von vornherein verbaut.
"zum anderen bleibt die Entsorgung der Säurerest-Ionen ungeklärt - hier müssten wiederum geeignete Kationen gefunden bzw. zugeführt werden"
Aber das war doch jetzt meine Idee - man zieht statt Co3-- oder ähnlichem direkt OH--Ionen aus dem Wasser und metabolosiert die zu H2O. Oder man entzieht dem CO3++ zwei Elektronen etwa so:
2CO3-- ergibt 2CO2 + O2 + 4Elektronen
Dafür gibt es antürlich im Moment keinen Prozesspfad, weil das im Körper so nicht gebraucht wird.
"werden sie entweder schnell wieder oxydiert, so dass sie in den Metabolismus wieder integriert werden - oder sie bilden keine Oxide"
Nein, so ist das nicht. Korrosionsbeständige Metalle (von den Edelmetallen abgesehen) wie Al oder Ti bilden an der Oberfläche immer Oxidschichten - die sind nur Diffusionsbarrieren für Sauerstoff, so dass sich die Korrosion selbst stoppt. Nichtrostende Stähle machen das auch (mit Chromoxid). Nicht alles, was oxidiert, wird also gleich dabei abgebaut.
Bei den korrosionsbeständigen Mg-Legierungen ist das mit Sicherheit auch so - das Oxid ist also da. (Die biokorrodierbaren Legierungen sind ja extra so gemacht, dass der Mechanismus nicht auftritt; auch wenn die Zusammensetzung nicht herqausgegeben wird kann man davon ausgehen, dass die eine nicht-dichte Oxidschicht bilden oder eine, die abplatzt. Es ist ja nicht jede Mg-Legierung biokorrodierbar.)
Anscheinend geht also beides - entweder beständig oder biokorrodierbar.
Beides gleichzeitig geht vermutlich auch - wenn man Osteoblasten auf metallflächen loslassen könnte, würde deren Salzsäure bestimmt auch ausreichen, Metall abzubauen, das passiert nur im Körper nicht.
Ich sehe völlig ein, dass du recht damit hast dass das Hantieren der Ionen sicherlich schwieriger wäre, als es im Moment bei Verwendung von Keramiken ist (die ja vermutlich so entstanden sind, dass der Körper erstmal ein Ionen-Depot anlegen wollte - der evolutionäre Pfad wäre also verbaut).
Trotzdem halte ich eine Metall-Produktion nicht für völlig unmöglich - aber da Metalle eben nicht so vorteilhaft sind, wie man vielleicht denkt, sind dann die zusätzlichen Hürden einfach zu hoch.
@ MartinB:
Ich habe gerade nicht viel Zeit, deshalb nur ganz kurz:
Zum Ionenausgleich: Könnte funktionieren, aber damit hätte man nur das Problem des Ionenüberschusses gelöst, der mit der Metallaufnahme verbunden ist - aber immerhin!
Zur Oxidschicht: Die entsteht nur, wenn bereits massive Metallkörper da sind. In statu nascendi liegt das Metall aber nicht als Masse vor, sondern als einatomiges Partikel - mithin also als Staub, der nicht zu einem Körper heranwächst und damit keine Oxidschicht um sich herausbilden kann. Wenn also das Metall oxidiert, dann als ganzes Partikel, womit es sich allerdings in Gänze wieder als potenzielles Metabolit verwandelt.
Metallabbau gelingt offenbar recht leicht - zumindest bei unedlen Metallen - Metallaufbau hingegen nicht, allenfalls Metallausscheidung in Form von atomaren Partikeln.
@Monod
Guter Punkt mit der Oxidschicht - da muss ich mir wohl noch was einfallen lassen :-)
@MartinB und Monod Vielleicht der Einsatz besonders korrisonsbeständiger Metalle ( Edelmetalle). Die von s.s.t. genannte Bakterien Cupriavidus scheiden ja Gold aus. Angenommen es gäbe solch einen Prozess im Körper und das von den Bakterien ausgeschieden Gold würde verbaut werden können, dann wäre doch das Problem der Oxydation gelöst.
@roel
Ja, das stimmt - ich hoffe aber immer noch auf eine Mg-Variante als Alternative, weil Gold so selten ist.
@MartinB Hier Zusatzinfos zu Magnesium im Automobilbau: http://www.bmbf.de/de/4764.php Im VW-Käfer wurden übrigens über die Jahre verschiedenste Legierungen eingesetzt, der Text vom Link den ich einfügen wollte ist urheberrechtlich geschützt, daher google Suchbegriffe: +kaeferclub-siegerland +tech-mag +magnesium
@roel
Ja, den text hatte ich auch gefunden.
@MartinB jetzt für mich abschließend meine Gedanken. Der Aufbau eines Knochensystems aus Metall, das noch dazu wächst, sehe ich u.a. aus den von Monod gebrachten Argumenten als sehr schwierig, wenn nicht sogar unmöglich an. Es gibt theoretisch 3 Möglichkeiten die bisher genannten Probleme zu umgehen.
1. Aufbau eines Knochensystems unter Verwendung von Metallverbindungen. Diese Metallverbindungen (z.B. Oxyde) werden dann später, evtl. im ausgewachsenen Zustand, durch Reduktion wieder in Metall umgewandelt.
2. Aufbau eines hohlen Knochensystems. Die Hohlräume werden später, wiederum evtl im ausgewachsenen Zustand, z.B. durch bakterielle Metallausscheidungen aufgefüllt.
3. Aufbau eines Knochensystems nur mit Hilfe von Edelmetallen, um die Oxydation zu umgehen, aber hier sehe ich das Wachstum als Problem an.
@roel
Ich denke, letztlich wird es immer auf einen Verbund hinauslaufen, also Metallplättchen im Nanometerbereich, eingebettet in eine organische Matrix.
Das halte ich für denkbar - allerdings haben Metalle hier keine großen Vorteile mehr und die bisher gefundenen Nachteile:
Probleme mit dem Ionenaushalt
Probleme mit der Oxidation (Nanoteilchen haben ein gigantisches Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis)
Probleme, einen evolutionären Pfad dahin zu finden (Welchen Vorteil hat es, eine metallische Ausscheidung zu bilden?)
Massive Metalle sind vermutlich noch schwerer zu realisieren.
Vielleicht gibt es ja irgendwo eine Übergangsmetall-katalysierte (Bio-)Reaktion bei der die Stufe Me(0) durchlaufen wird. Bei einer oberflächlichen Suche habe ich allerdings nichts in dieser Richtung gefunden.
@ MartinB:
"Ich denke, letztlich wird es immer auf einen Verbund hinauslaufen, also Metallplättchen im Nanometerbereich, eingebettet in eine organische Matrix."
Das wäre allerdings äußerst unökonomisch, weil die Metallionen zuerst aufwändig reduziert und ausgelagert und danach noch vor Oxydation geschützt werden müssen, damit sie sich als Metall in der Matrix halten können. Zudem ist zu bedenken, dass Metallionen eine biochemische Schlüsselrolle spielen, dass also ein Wertstoff in nicht geringen Mengen unter hohem Energieaufwand unverfügbar gehalten wird. Von der Struktur und Zusammensetzung der organischen Matrix hängt es dann ab, ob und inwiefern sich diese Auslagerung im Hinblick auf die biologische Fitness langfristig auszahlt, denn Lebewesen mit potenziell korrosionsanfälligen Hartteilen sind unter Selektionsdruck wahrscheinlich labiler als solche, die mit chemisch stabileren Keramiken aus Karbonat oder Phosphat zurechtkommen und auf den Aufwand der Metallauslagerung verzichten.
Metallproduktion, -ausscheidung und -einlagerung in eine organische Matrix ist ein Prozedere, das Energie verbraucht, die anderswo fehlt, und andererseits keinen erkennbaren evolutionären Nutzen nach sich zieht. Die gefundenen Lösungen für Hartteile bei Tieren (Knochen aus Phosphat, Schalen aus Karbonat bzw. Silikat (bei Kieselalgen) sowie Panzer aus Chitin) ergeben sich quasi nebenbei aus dem üblichen Metabolismus, in dem Ionen miteinander kombiniert werden bzw. Polysaccharide aufgebaut werden (Chitin). In keinem dieser Fälle entsteht z.B. ein Ionenungleichgewicht, das über Alternativwege ausgeglichen werden müsste. Es wäre also viel Aufwand für nichts, das auch einfacher zu haben wäre. Daher hat sich diese Variante, falls es sie in der Frühzeit jemals gegeben haben sollte, nicht etablieren können. Und es erscheint mir unwahrscheinlich, dass solche Wege in anderen Biosphären beschritten werden.
@Monod
Ja, wahrscheinlich hast du letztlich recht - so langsam bin ich überzeugt, dass Metalle den Aufwand nicht lohnen.
Bei sowas wie Schalen gibt's dann ja auch immer fiese Bohrmuscheln etc., die sich mit Säuren durchfressen - obwohl da dann tatsächlich ein Goldpanzer ein Vorteil wäre (Hoffnungsschimmer?). Also vielleicht ein Panzer aus Goldplättchen mit etwas organischer Matrix (analog zur Perlmuttstruktur) für Muschelartige Lebwesen (die in goldreichem Wasser leben)? Oder sowas wie Kieselalgen, die sich aus den goldausscheidenden Bakterien entwickeln?
@ MartinB:
Ich denke, für diese Variante ist die Konzentration von Goldionen einfach zu dünn, um im Verlauf der Lebensspanne zu nennenswerten Goldausscheidungen zu führen. Solche Konzentrationen wie die, bei denen Cupriavidus Goldpartikel gebildet hat, treten in der Natur ja nirgends auf. Allenfalls in der Nähe von Black Smokern könnten sich vielleicht höhere Konzentrationen einstellen. Aber dann wären goldausscheidende Mikroben auf den dortigen Lebensraum beschränkt, wenn sie auf die Goldpartikel angewiesen wären, weil die viel geringere Konzentration von Goldionen im Meerwasser den Bedürfnissen nicht mehr genügen würde.
Eine denkbare Symbiose von Schalentieren mit solchen Mikroben würde wahrscheinlich ebenfalls auf sehr kleine und sehr spezielle Habitate beschränkt bleiben, um den Goldbedarf zu decken.
@Monod
Ja, da müsste man wohl einen Planeten mit sehr vielen Goldklumpen postulieren, damit sich das durchsetzen kann...
("Ich will aber Metalle"! Fuss-aufstampf!)
@MartinB & Monod
Bei fachspezifischen Kommentaren in dieser Tiefe sitze ich immer ganz anders auf dem Stuhl, quasi gefesselt. Das liegt wohl auch daran, dass ich mir solche Kommentare erst erarbeiten muss. Dabei kam mir auch irgendwann der Gedanke, den Monod so formuliert hat:
Wäre an Fossilien überhaupt feststellbar, wenn die Evolution eine solche (Metall-)Variante ausprobiert hätte? Wenn ja, dann dürfte das Fehlen solche Varianten ja eigentlich darauf hinweisen, dass es a priori von der Evolution gar nicht ausprobiert wurde.@ WolfgangK:
"Wäre an Fossilien überhaupt feststellbar, wenn die Evolution eine solche (Metall-)Variante ausprobiert hätte?"
Das dürfte sehr schwierig sein, da Edelmetalle wie Gold zu selten sind, als dass da eine nennenswerte Anreicherung im Organismus hätte stattfinden können, so dass goldhaltige Relikte mit großer Wahrscheinlichkeit nicht zu erwarten sind. Unedle Metalle hingegen unterliegen des oxydativen Abbaus, so dass allenfalls eine Anreicherung diverser Metallionen in Gestalt von Oxiden oder schwerlöslichen Salzen feststellbar ist. Aber diese wäre sehr unspezifisch, weil sie ebensogut aus dem Zerfall der Biomasse resultieren kann, die Metalle in ionisierter Form enthielt. Nach erfolgter Fossilisierung bleiben ohnehin entweder gar keine oder nur spärliche Relikte des ursprünglichen Biomaterials übrig, die dann verkieseln und somit die ursprüngliche chemische Zusammensetzung verfälschen.
@WolfgangK
Fossil erhalten könnte sich vermutlich allenfalls die Gold-Variante - andere Metalle wie Magnesium dürften ein paar Hundert Millionen Jahre nicht so gut in metallischer Form überstehen.
Ich gehe aber auch davon aus, dass diese Variante nicht ausprobiert wurde. Kernaussage des Artikels und auch der Diskussion ist ja, dass Metalle letztlich sooo toll nicht sind und dass deshalb der erhöhte Aufwand sich vermutlich nicht rechtfertigt. Das zusammen mit dem komplizierteren evolutionären Weg lässt mich vermuten, dass es nie probiert wurde. Aber wer weiß - die Evolution hat uns schon ganz andere Überraschungen präsentiert.
Geballte Kompetenz in doppelter Ausführung; was will man mehr. Jedenfalls einen (oder zweimal) herzlichen Dank :-)
Wie wär's mit Eisennieten in den Zellbausteinen?
@ sparc:
Hochinteressant! Archaeen sind stammesgeschichtlich sehr alt, so dass hier offenbar ein Relikt aus der Frühzeit erhalten ist, als die Evolution noch größere Spielräume hatte als später. Der Befund, dass Ferroplasma acidiphilum nur noch in extremen Habitaten zu finden ist, wo andere Mikroben keine Nische mehr finden, stützt meine Vermutung, dass solche Evolutionswege möglicherweise ausprobiert wurden, sich aber später nicht etablieren konnten, weil effizientere Methoden gefunden wurden, um in einer metallarmen Umgebung zu überleben. Immerhin haben wir hier nun doch ein Beispiel leibhaftig vor uns, wo elementares Eisen als molekülstabilisierender Baustein genutzt wird! Vielen Dank für den Link!
@sparc
Dem Dank von Monod schließe ich mich an, das ist echt cool - muss ich mir bei Gelegenheit mal näher anschauen.
@MartinB Zumindest die Bakteriophagen P2 und Φ92 benutzen eine Art Nadel zum Einbringen der DNA in eine Wirtszelle.
Aus http://www.scienceblogs.de/science_meets_society/2012/02/die-nadel-im-heuhaufen-ist-tatsachlich-eine-nadel.php
"Bei einer weiteren Röntgenstrukturanalyse konnten sie nun endlich die genaue Struktur der Nadelspitze herleiten und fanden zu ihrer Überaschung in beiden Varianten ein einzelnes Eisenatom, gebunden an sechs definierte Aminosäurereste, die zusammen eine perfekte Nadelspitze ausbildeten."
@roel
Ja, habe ich auch gelesen - aber einzelne Metallatome sind ja nichts ungewöhnliches, die gibt's auch im Chlorophyll oder Hämoglobin (und als Ionen sowieso, Kalzium, Natrium usw). Ungewöhnlich sind Metalle mit metallischer Bindung.
Test
Ich gestehe, ich habe nicht alle Kommentare gelesen. Ich bin (war) auch nur ein simpler Ingenieur. Dennoch traue ich mich zu der Frage: Ist Gold nicht auch ein Metall, wenn auch ein edles?
@Volker
Ja, ist es. Aber gibt's denn Gold in der Biologie?
Ich dachte etwa an Danziger Goldwasser, oder so. (schön rausgeredet, nicht?)
@Volker
Das musste ich erstmal googeln. Aber das Gold kommt da ja nicht biologisch rein, sondern technisch.
meiomei, entschuldigung, scusi, sorry,
dass ich Ihre Zeit vergoogled habe. Das sollte natürlich nur ein Scherz sein, war natürlich Quatsch, um nicht zuzugeben, dass ich "Biologie" überlesen, bzw. mit "Natur" verstanden hatte. Ich werde mich in Zukunft um mehr Ernsthaftigkeit bemühe.
Achso , null problemo.