CÙNG TABLET PLAZA TÌM HIỂU VẤN ĐỀ TRÊN NHÉ
Trong tự nhiên, động vật có hai dạng bộ xương phổ biến: Có bộ xương ngoài cứng như nhiều động vật nhuyễn thể. Trong trường hợp này, bộ xương chủ yếu bao gồm canxi cacbonat, hoặc giống như con người và các động vật có xương sống khác, thành phần chính của xương trong trường hợp này là canxi photphat, hay chính xác hơn là hydroxyapatite .
Bất kể động vật sử dụng dạng xương nào để tồn tại, vật liệu chính mà nó sử dụng là canxi.
Vậy câu hỏi đặt ra là tại sao động vật lại chọn canxi thay vì các kim loại khác khi chúng tiến hóa?
Như chúng ta đã biết, hàm lượng canxi trong vỏ Trái Đất không phải là nguyên tố kim loại nhiều nhất, hàm lượng nhôm và sắt nhiều hơn nó và canxi không phải là vật liệu kim loại duy nhất được cơ thể con người sử dụng - cơ thể chúng ta chứa đầy kim loại khác nhau.
Tuy nhiên, tất các các loài động vật lại chỉ chọn canxi làm nguyên liệu cho các cấu trúc phòng thủ và hỗ trợ cơ thể.
1. Canxi giúp xương chắc khỏe nhưng không phải là lựa chọn tốt nhất
Nhiều người có thể nghĩ rằng xương của chúng ta rất mỏng manh nên họ hy vọng khoa học tiên tiến sẽ chế tạo được một bộ xương bằng thép để tăng sự cứng cáp.
Trên thực tế, các hợp chất canxi như xương và hydroxyapatite có độ bền kéo là 150 MPa (đơn vị đo áp suất trong hệ đo lường quốc tế, 1 Pa = 1 N/m²) độ biến dạng đến hỏng là 2% và độ bền đứt gãy là 4 MPa(m).
Khoảng 35% thành phần của xương người là chất hữu cơ, 65% còn lại là canxi photphat và một lượng rất nhỏ canxi cacbonat. Những chất này quyết định độ chắc khỏe của xương.
Nếu hydroxyapatite dày đặc như thép, nó sẽ mạnh hơn nhiều so với thép, người ta đã tính toán rằng độ bền của xương người là gấp năm lần so với thép.
Lý do tại sao xương bị gãy nằm ở việc xương không hoàn toàn đặc, chúng bao gồm các cấu trúc hình ống và rỗng.
Cấu trúc này chịu được áp lực tốt hơn trong khi vẫn giữ được trọng lượng nhẹ và thực tế là xương của chúng ta chỉ chiếm khoảng 1/6 trọng lượng cơ thể nên việc chạy bộ sẽ tiết kiệm năng lượng hơn so với xương có cấu trúc đặc.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng năng lượng kích hoạt của phản ứng oxi hóa khử sắt tương tự như năng lượng ATP mà cơ thể cần để tạo ra hydroxyapatite, nhưng nếu cơ thể xây dựng một bộ xương bằng thép và tồn tại ở dạng giống như hydroxyapatite, thì nó có thể nặng gấp 3 đến 5 lần so với bộ xương hiện tại, và điều đó sẽ gây ra nhiều bất lợi cho sinh hoạt.
Nhìn chung, rất khó để tìm thấy những vật liệu xây dựng xương tuyệt vời như hợp chất canxi trong tự nhiên, nhưng theo công nghệ hiện tại của chúng ta, trong số các vật liệu được sản xuất công nghiệp, xương hiện nay chắc chắn không phải là lựa chọn tốt nhất cho cơ thể.
Trong số đó, hợp kim titan có thể đạt được trọng lượng và thể tích tương tự như xương, nhưng chúng sẽ có các thông số tốt hơn xương. Ví dụ, ứng suất của hợp kim titan cao hơn 1,3 lần so với xương có cùng trọng lượng và độ bền của nó gấp 5 lần xương.
Điều quan trọng nhất là độ bền kéo của hợp kim titan đạt tới 500 MPa, nếu chúng ta có khung xương hợp kim titan, chúng ta có thể chịu đựng một cơ thể nặng hơn và lớn hơn, theo ước tính, về cơ bản chúng ta sẽ không cần tế bào để sửa chữa xương.
Ngoài ra, vật liệu sợi carbon hiện được sử dụng rộng rãi trong các bộ phận giả và các lĩnh vực khác để giúp con người định hình lại cơ thể cũng chứng minh được rằng nó có thể mang lại kết quả tốt hơn cho con người so với xương hiện có.
Trong tự nhiên, động vật có hai dạng bộ xương phổ biến: Có bộ xương ngoài cứng như nhiều động vật nhuyễn thể. Trong trường hợp này, bộ xương chủ yếu bao gồm canxi cacbonat, hoặc giống như con người và các động vật có xương sống khác, thành phần chính của xương trong trường hợp này là canxi photphat, hay chính xác hơn là hydroxyapatite .
Bất kể động vật sử dụng dạng xương nào để tồn tại, vật liệu chính mà nó sử dụng là canxi.
Vậy câu hỏi đặt ra là tại sao động vật lại chọn canxi thay vì các kim loại khác khi chúng tiến hóa?
Như chúng ta đã biết, hàm lượng canxi trong vỏ Trái Đất không phải là nguyên tố kim loại nhiều nhất, hàm lượng nhôm và sắt nhiều hơn nó và canxi không phải là vật liệu kim loại duy nhất được cơ thể con người sử dụng - cơ thể chúng ta chứa đầy kim loại khác nhau.
Tuy nhiên, tất các các loài động vật lại chỉ chọn canxi làm nguyên liệu cho các cấu trúc phòng thủ và hỗ trợ cơ thể.
1. Canxi giúp xương chắc khỏe nhưng không phải là lựa chọn tốt nhất
Nhiều người có thể nghĩ rằng xương của chúng ta rất mỏng manh nên họ hy vọng khoa học tiên tiến sẽ chế tạo được một bộ xương bằng thép để tăng sự cứng cáp.
Trên thực tế, các hợp chất canxi như xương và hydroxyapatite có độ bền kéo là 150 MPa (đơn vị đo áp suất trong hệ đo lường quốc tế, 1 Pa = 1 N/m²) độ biến dạng đến hỏng là 2% và độ bền đứt gãy là 4 MPa(m).
Khoảng 35% thành phần của xương người là chất hữu cơ, 65% còn lại là canxi photphat và một lượng rất nhỏ canxi cacbonat. Những chất này quyết định độ chắc khỏe của xương.
Nếu hydroxyapatite dày đặc như thép, nó sẽ mạnh hơn nhiều so với thép, người ta đã tính toán rằng độ bền của xương người là gấp năm lần so với thép.
Lý do tại sao xương bị gãy nằm ở việc xương không hoàn toàn đặc, chúng bao gồm các cấu trúc hình ống và rỗng.
Cấu trúc này chịu được áp lực tốt hơn trong khi vẫn giữ được trọng lượng nhẹ và thực tế là xương của chúng ta chỉ chiếm khoảng 1/6 trọng lượng cơ thể nên việc chạy bộ sẽ tiết kiệm năng lượng hơn so với xương có cấu trúc đặc.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng năng lượng kích hoạt của phản ứng oxi hóa khử sắt tương tự như năng lượng ATP mà cơ thể cần để tạo ra hydroxyapatite, nhưng nếu cơ thể xây dựng một bộ xương bằng thép và tồn tại ở dạng giống như hydroxyapatite, thì nó có thể nặng gấp 3 đến 5 lần so với bộ xương hiện tại, và điều đó sẽ gây ra nhiều bất lợi cho sinh hoạt.
Nhìn chung, rất khó để tìm thấy những vật liệu xây dựng xương tuyệt vời như hợp chất canxi trong tự nhiên, nhưng theo công nghệ hiện tại của chúng ta, trong số các vật liệu được sản xuất công nghiệp, xương hiện nay chắc chắn không phải là lựa chọn tốt nhất cho cơ thể.
Trong số đó, hợp kim titan có thể đạt được trọng lượng và thể tích tương tự như xương, nhưng chúng sẽ có các thông số tốt hơn xương. Ví dụ, ứng suất của hợp kim titan cao hơn 1,3 lần so với xương có cùng trọng lượng và độ bền của nó gấp 5 lần xương.
Điều quan trọng nhất là độ bền kéo của hợp kim titan đạt tới 500 MPa, nếu chúng ta có khung xương hợp kim titan, chúng ta có thể chịu đựng một cơ thể nặng hơn và lớn hơn, theo ước tính, về cơ bản chúng ta sẽ không cần tế bào để sửa chữa xương.
Ngoài ra, vật liệu sợi carbon hiện được sử dụng rộng rãi trong các bộ phận giả và các lĩnh vực khác để giúp con người định hình lại cơ thể cũng chứng minh được rằng nó có thể mang lại kết quả tốt hơn cho con người so với xương hiện có.