Mit einem Knall wurden die Knochen gebrochen. Warum haben unsere Vorfahren die Materialien, aus denen der Mensch erschaffen wurde, nicht verändert?

Wenn wir eine Liste der Zukunftsbesessenheiten der Menschheit erstellen würden, müssten mechanische Metallskelette einen Namen haben. Von Iron Man in der Marvel-Serie bis hin zum Major mit einer „mechanischen Prothese“ in „Ghost in the Shell“ verwenden sie Stahllegierungen, um die vorhandenen Kalziumknochen der Menschen zu ersetzen und zu Supermenschen zu werden.

Als jemand, der einmal einen parabolischen Sturz vom Fahrrad hatte und sich dabei sieben Rippen brach, kann ich nicht anders, als zu fragen: Warum müssen wir bei so vielen Elementen in der Natur Kalzium zum Aufbau von Knochen verwenden? Sind Gold, Silber, Silizium und Nickel nicht beliebter? Wenn Gold der Hauptbestandteil von Knochen wäre, wäre ein Knochenbruch ein Kinderspiel.

Wenn Sie sich bei einem Sturz keine Knochen brechen, können Sie ganz normal fallen. Tägliches Gespräch:

„Bist du heute gestürzt?“ „Ja, gib mir kein Stichwort.“

Warum haben sich die Menschen für Kalziumknochen entschieden? Dies muss Hunderte Millionen Jahre zurückreichen und am Anfang der Geschichte beginnen.

Bone Rise: Was ist aus der Vereinbarung geworden, dass wir gemeinsam weich werden?

In der langen Evolution über Milliarden von Jahren können wir noch immer keine eindeutige Antwort auf die Frage geben, wann das Leben erstmals Knochen entwickelte. Doch zumindest während der Ediacarium-Zeit vor 635 bis 541 Millionen Jahren besaß nur ein verschwindender Bruchteil der Organismen Knochen, und die meisten übrigen waren noch weich. Sie liegen auf dem Meeresboden, sind nicht sehr beweglich und ernähren sich von der Mikrobenmatte, ohne sich gegenseitig zu stören.

Rekonstruktion der Ediacara-Biota | Ryan Somma

Mit dem Beginn des Kambriums endeten diese friedlichen Tage. Zu dieser Zeit erwärmte sich die Erde, die Pflanzenwelt am Meeresboden vermehrte sich und es sammelte sich Sauerstoff in großen Mengen an. Dadurch stand der Erde mehr Nahrung und eine gastfreundlichere Umgebung zur Verfügung, was zur Entstehung größerer, schnellerer Tiere mit einem höheren Sauerstoffbedarf führte. Die plötzliche Zunahme der Arten und Formen des Lebens führte zur sogenannten „Kambrischen Explosion“.

Die Folge war ein immer heftigerer Wettbewerb zwischen den Arten. Es kommt immer häufiger zu Wettkämpfen zwischen Jägern und Beutetieren und sowohl Angreifer als auch Verteidiger müssen ihre Bemühungen, ihre Ausrüstung zu verbessern, beschleunigen. Sie benötigen beispielsweise fortschrittlichere Bildverarbeitungssysteme, um sich gegenseitig präzise zu orten. Der gesamte Körper ist in einem schlaffen Zustand und kann den Anforderungen einer schnellen Aktion nicht nachkommen.

Einige Organismen, wie beispielsweise der ausgestorbene Canadaspis, entwickelten zu dieser Zeit die Fähigkeit, Löcher zu graben, um sich zu verstecken, was ihnen ermöglichte, ihren Lebensraum nach unten auszudehnen. | Claire H. / Wikimedia

Sie müssen sich abstützen und ihren Körper auf harten Strukturen stützen. Auf diese Weise sind Knochen zu einem unvermeidlichen Teil der Evolution geworden, um essen zu können und zu verhindern, gefressen zu werden.

Making Bones: Wer ist der „Auserwählte“?

Die Evolution des Skeletts ist ein langwieriger Prozess, aber wir könnten genauso gut Tausende und Zehntausende Jahre Geschichte in einem kleinen Insekt auf dem Grund des Kambriums bündeln – und es zwangsweise „Tony“ nennen. Unabhängig davon, ob er der Jäger oder der Gefangene ist, muss Tony sich anstrengen, wenn er im Shura-Feld des Kambriums überleben will. Ein Ausweg ist die Biomineralisierung – die Ablagerung von Mineralien zur Schaffung einer harten Körperstruktur.

Die Biomineralisierung fand schon vor langer Zeit statt, erreichte jedoch ihr volles Potenzial im Kambrium. Zu dieser Zeit steigen die Temperaturen, die Gletscher schmelzen und das Meerwasser erodiert das Sedimentgestein an der Küste, wodurch Metallionen wie Kalzium, Eisen und Kalium aus dem Gestein ins Meerwasser gelangen, was Tony und anderen reichhaltige mineralische Rohstoffe liefert.

Aber Tony hat immer noch viele Möglichkeiten, wenn es um die Art der zu verwendenden Mineralien geht.

Option 1: Sandfragmente und Pflanzenreste

Wenn Tony nicht zu anspruchsvoll ist, kann er das Sekret verwenden, um Sandfragmente (z. B. Glimmer) und Pflanzenreste an seinem Körper festzukleben. Obwohl die Technik mittelmäßig und die Verarbeitung grob ist, handelt es sich dennoch um eine frühe Exoskelettform (Schalenform).

Im frühen Kambrium klebte Onuphionella durhami, ein kleines Insekt, Glimmerplatten zu einer „Schale“ zusammen. Signor & McMenamin

Option 2: Eisenverbindungen

Wenn Tony ein wirklich zäher kleiner Käfer ist, kann er sich für ein Exoskelett aus Eisen entscheiden. So sind beispielsweise bei der Schuppenhornschnecke nicht nur die Füße mit Eisensulfidschuppen bedeckt, sondern auch der Körper besteht von außen nach innen aus drei Schichten äußerer Schalen: einer Eisensulfidschale, einer organischen Kutikula und einer Kalziumschale.

Unverzichtbares Bild von Chrysomallon squamiferum | Kentaro Nakamura et al.

Option 3: Kieselsäure

Tony könnte sich auch zu einer Lebensform der ersten Generation auf Siliziumbasis entwickeln, indem er Siliziumdioxid zum Bau eines Exoskeletts verwendet, ähnlich wie Radiolarien.

Radiolarienfossilien | Shan Chang, Qinglai Feng, Lei Zhang

Option 4: Calciumverbindungen

Allerdings sind die oben genannten Beispiele selten und die gängigste Wahl sind nach wie vor Kalziumverbindungen. Denn für einen gewöhnlichen kleinen Käfer wie Tony gibt es bei der Auswahl von Mineralien viele praktische Faktoren zu berücksichtigen:

Erstens muss der Gehalt dieses Elements in der Umgebung hoch genug sein; Zweitens müssen Organismen in der Lage sein, sie auf zellulärer Ebene zu transportieren, zu regulieren und zu nutzen, um Biomineralien zu produzieren.

Als sich die Knochen erstmals entwickelten, waren in der Meeresumwelt Kalziumionen in Hülle und Fülle vorhanden und fast alle Zellen sind in der Lage, den Kalziumspiegel im Organismus zu regulieren. Kalzit und Aragonit sind die in der Natur am häufigsten vorkommenden Kalziumkarbonatmineralien und damit die Hauptquelle der Biomineralisierung. Für Tony und andere sind sie die erste Wahl bei der Herstellung von Exoskeletten.

An dieser Stelle können wir die Frage beantworten, dass unsere Insektenvorfahren zu Beginn der Evolution versuchten, verschiedene Mineralien zum Bau von Exoskeletten zu verwenden. Doch möglicherweise waren es die damalige Meeresumwelt und die Mechanismen in den meisten Organismen, die den Kalziumknochen zum größten Gewinner machten.

Kleine fossile Muscheln aus dem frühen Kambrium waren die schweren Panzer (Exoskelette) von Tony | Präkambriumforschung

Die Biomineralisierung ist ein komplexer Prozess, der die Ausfällung und das Wachstum von Mineralien beinhaltet und die Beteiligung verschiedener Proteine ​​erfordert. Im Laufe der Evolution ist es sehr schwierig, Mineralien zu verändern. Es ist wie eine große Fabrik, die plötzlich auf die Produktion anderer Produkte umstellt. Die gesamte zugehörige Ausrüstung muss angepasst und ersetzt werden, was zu kostspielig ist.

Die Knochenbildung ist mittlerweile so gut an die Umwelt angepasst, dass kein Grund besteht, sie zu verändern. Kalziumknochen wurden nicht nur von Anfang an zum König, sondern auch zum „Auserwählten“, der lange anhielt.

Skelett-Offenbarung: Härte ist der königliche Weg zum Erfolg

Die Lichtwahrnehmung des Lebens führte zur Entstehung und Entwicklung des Sehvermögens, das wie der erste Dominostein fiel und die kambrische Explosion des Lebens auslöste. Das Erscheinen der Knochen ist wie die Verwandlung des Hulk, der aus dem Boden aufsteigt und einen kraftvollen Durchbruch auf dem Weg der Evolution darstellt. Diese beiden sind das Ergebnis der Evolution und werden wiederum zur treibenden Kraft der Evolution, die die Entstehung weiterer Arten vorantreibt.

Wir bewegen uns immer weiter auf dem Weg der Skelettierung. Die Schalen heutiger Insekten wie Heuschrecken und Kakerlaken, von Krebstieren wie Krabben und Garnelen, von Gastropoden wie Schnecken und von Muscheln wie Venusmuscheln sind ihre Exoskelette.

Fast zeitgleich erfolgte auch die Evolution des inneren Skeletts und es entstand der Zweig der Wirbeltiere. Mit der Unterstützung der Wirbelsäule begannen große Wirbeltiere ihre Reise an Land. Nachdem das Leben das Meer verlassen hatte, erkundete es Milliarden von Jahren lang das Land, kooperierte, jagte und erwürgte sich gegenseitig, und nach wiederholtem Massenaussterben entwickelte es sich schließlich zum Menschen mit aufrechter Wirbelsäule.

Im Jahr 2014 entdeckten Paläontologen auf der Insel Neufundland 550 Millionen Jahre alte Spurenfossilien. Die weichen und unbeweglichen Ediacara-Tiere hinterließen darauf unregelmäßige Spuren ihrer Aktivitäten. Wir sehen sie scheinbar stolpern und tappen, weil sie keine harte Schale haben, die sie stützt. Da sich ihr Nervensystem nicht weiterentwickelt hat, können sie ihre Umgebung nicht wahrnehmen oder ihre Nachbarn grüßen.

Fossilien aus der Ediacara-Zeit. Da nur wenige Organismen aus dieser Zeit Exoskelette besaßen, war es fast unmöglich, andere weiche Tiere zu erhalten. Bei den heute noch existierenden Fossilien handelt es sich daher hauptsächlich um Spurenfossilien, die Überreste oder Relikte dokumentieren, die die aktiven Organismen der Urzeit hinterlassen haben. Calla Carbone und Gut M. Narbonne

1,2 Meter über dieser Fossilienschicht werden die Spuren auf den Sedimentgesteinen regelmäßig und dicht angeordnet. Es gibt eine gewundene Spurlinie, die nach einem bestimmten Knoten plötzlich gerade wird.

Paläontologen spekulieren, dass es sich dabei um die Spuren der Aktivitäten eines kleinen Insekts im Kambrium handeln könnte. Es kann sein, dass es plötzlich ein Raubtier entdeckt und schnell flieht, oder es kann sein, dass es vom Raubtier weggezerrt wird. Dieser gerade Abdruck ist wahrscheinlich nur auf das Vorhandensein harter Knochen zurückzuführen. In wiederholten Strangulationen, Selbstverbesserungen und Durchbruchsbemühungen ist dies die lange Reise des Lebens in der Evolutionsgeschichte.

Kratzer von kambrischen Arthropoden | Calla Carbone und Gut M. Narbonne

Niemand kann genau berechnen, welcher Länge diese 1,2 Meter entsprechen; Darüber hinaus ist es schwierig, sich allein auf Grundlage fossiler Belege ein Gesamtbild der Skelettevolution zu verschaffen. Doch können wir vorsichtig davon ausgehen, dass in diesen 1,2 Metern Leben mit Knochen in großer Zahl aufgetaucht ist und sich weiterhin vermehrt hat – und einer ihrer Nachkommen hat gerade diese Zeile getippt.

Denken Sie darüber nach: Vor 540 Millionen Jahren stellte sich ein kleines Insekt einem mächtigen Gegner und baute sich ein Skelett, wobei es sich dem Schicksal unterwarf. Auch heute noch freuen wir uns auf das Auftauchen mechanischer Skelette in der Science-Fiction-Welt und möchten diese gerne zum Bau von Stahlrahmen verwenden, die den Rumpf in den riesigen Wellen stützen und uns die Kontrolle über unser Schicksal geben.

Mechanische Skelette sind zu einem gängigen Schauplatz in Science-Fiction-Werken geworden | „Geist in der Muschel“

Die ferne Vergangenheit und die unvorhersehbare Zukunft scheinen sich hier zu überschneiden.

Verweise

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https://www.nature.com/articles/d41586-020-02985-z [Zugriff am 15. Januar 2021].

[9] Wikipedia. 2020. „Kambrium.“ Zuletzt geändert am 12. September 2020.

https://en.wikipedia.org/wiki/Cambrian.

Autor: Xiaodao

Herausgeber: Mai Mai, Regen, der ans Fenster klopft