自然界那么多元素，为什么非要用钙做骨头？

本文来自微信公众号：果壳（ID：Guokr42），作者：小刀，编辑：麦麦、窗敲雨，原文标题：《啪唧一摔，骨头就折。老祖宗怎么就没换个材料造人呢？》，题图来自：视觉中国

如果要给人类对未来的执念列个名单，机械金属骨骼必须拥有姓名。从漫威系列中的钢铁侠到《攻壳机动队》中拥有“机械义体”的少佐，他们以钢铁合金取代人类现有的钙质骨骼，成为超级人类。

作为一个曾经从单车上做抛物线落体、直接 pia pia 摔裂 7 根肋骨的人，不禁想追问一句：自然界那么多元素，为什么非要用钙做骨头，金银硅镍不香吗？如果是金元素作为骨骼的主要成分，摔倒不就是闹着玩儿的事了嘛。

如果摔了不会骨折，那就可以随随便便摔了。日常对话：

“今天您摔了吗？”

“在摔，勿cue。”

人类为什么选择了钙质骨骼？这得回到数亿年前，从故事的开端说起。

骨骼崛起：说好的一起软呢？

在几十亿年的漫长演化中，生命究竟是在哪一刻首次拥有了骨骼，我们至今还无法给出确切的答案。但至少在 6.35亿~5.41亿年前的埃迪卡拉时期，只有极小部分生物拥有骨骼，其余的大多数家伙仍是软绵绵的。它们躺在海底，不擅长移动，各自以微生物席为食，彼此并不打扰。

埃迪卡拉时期生物群复原图 | Ryan Somma

这样的岁月静好，随着寒武纪到来而被打破。此时，地球变暖，海底植物增加，氧气大量积累。这为地球提供了更多的食物和更适宜的环境，催生了体积更大、能够快速移动、更耗氧的动物。生命种类和形态的暴涨，带来了所谓的“寒武纪生命大爆发”。

随之而来的，是物种之间愈发激烈的竞争。狩猎者与猎物之间的角逐大量出现，攻守双方都得加紧“升级装备”。例如，它们需要更先进的视觉系统，精准定位对方。全身绵软的状态，也无法满足迅速行动的需求。

有的生物则在此时发展了挖洞躲避的能力，如已经灭绝的加拿大虫 Canadaspis，这让它们能向下开发生存空间 | Claire H. / Wikimedia

它们必须把自己支棱起来，用硬构造支撑身体。就这样，为了吃到和防止被吃，骨骼成为了演化之路无可避掉的一环。

制造骨骼：谁是“天选之子”？

骨骼演化是一个漫长的过程，但我们不妨将数千数万年的历史，浓缩到寒武纪海底一只小虫子的身上——就强行给它取名“托尼”好了。不论作为捕或被捕的一方，想要在寒武纪这个修罗场里活下来，托尼都必须让自己硬起来，它的出路之一是生物矿化——沉积矿物，制造坚硬的身体结构。

不知道托尼长什么样子，但在寒武纪早期，大部分小虫子都长得恍恍惚惚，例如这个在云南澄江生物群发现的云南火把虫（Facivermis yunnanicus）| Franz Anthony

生物矿化在很久之前就已经发生，但其马力全开还是在寒武纪。此时气温上升，冰川融化，海水侵蚀海边的沉积岩，将岩块中的钙、铁、钾等金属离子带到海水中，这为托尼们提供了丰富的矿物质原料。

但要用哪一类矿物质，托尼还有很多选择。

选择一：沙粒碎片和植物残骸

如果托尼要求不高，可以用分泌物将沙粒碎片（如云母）和植物残骸黏在身上。虽然手法凑合，工艺粗糙，但也不失为一种早期的外骨骼（外壳）造型。

寒武纪早期，将云母片黏起来作为“外壳”的小虫子 Onuphionella durhami | Signor & McMenamin

选择二：铁化合物

如果托尼是个真·头铁的小虫子，可以选择铁质外骨骼。例如鳞角腹足蜗牛，不仅脚上覆盖硫化铁鳞片，躯体还有三层外壳，从外而内分别是硫化铁壳、有机角质层和钙质壳。

必须拥有图片的鳞角腹足蜗牛（Chrysomallon squamiferum）| Kentaro Nakamura et al.

选择三：二氧化硅

托尼还可以成为硅基生命一代目，用二氧化硅打造外骨骼，例如放射虫。

放射虫类化石 | Shan Chang, Qinglai Feng, Lei Zhang

选择四：钙化合物

不过，上面所说的例子都少见，最主流的选择还是钙化合物。因为对于普通小虫子托尼来说，它在选择矿物质时，需要考虑诸多现实因素：

首先，这种元素在环境中的含量必须足够高；其次，有机体要能够在细胞层面运输、调控、利用它们，才能制作生物矿化物。

在骨骼演化之始的海洋环境中，钙离子含量丰富；而且几乎所有细胞都可以调控生物体内部的钙质水平。自然界存在最广泛的碳酸钙矿——方解石和霰石，因此成为生物矿化的主要来源，是托尼们制作外骨骼的首选。

至此可以回答，在演化之初，我们的虫子祖先尝试过用各种矿类来打造外骨骼。但可能是当时的海洋环境和大多数生物体内本身的机理，让钙质骨骼成为最大赢家。

寒武纪早期的小壳化石，是托尼们的重甲（外骨骼）| Precambrian Research

生物矿化是一个复杂的过程，涉及矿物质的沉淀和生长，需要各种蛋白质的参与。在演化进程中，更改矿物质非常困难，这就像一个大型工厂突然改做其它产品，所有相关的设备都必须调整和更换，成本太大。

到现在为止，骨骼的生成已经和环境非常契合，没有理由再做改变。钙质骨骼不仅出道即王者，还成为了长盛不衰的“天选之子”。

寒武纪生命大爆发，带有外骨骼的生物大量出现 | Carel Pieter Brest van Kempen

骨骼启示：硬才是王道霸业 

生命对光的感知，诱使视觉的出现和演化，这如同推翻的第一块多米诺骨牌，引爆寒武纪生命大爆发。骨骼的出现，则如同绿巨人浩克变身，拔地而起，撑起演化之路的强势突破。这两者是演化的结果，反过来又成了演化的动力，促使更多物种出现。

在骨骼化的道路上，我们越走越远。今天看到的昆虫如蝗虫和蟑螂、甲壳动物如螃蟹和虾、腹足动物如蜗牛、双壳动物如蛤蜊等，壳就是它们的外骨骼。

蝉在树上留下的外骨骼 | Sputniktilt / Wikimedia Commons

内骨骼的演化也几乎同时发生，出现了脊椎动物这一分支。有了脊椎的支撑，大型脊椎动物开启了对陆地的征途。在离开大海后，亿万年间，生命在陆地开拓、协作、追逐和相互绞杀，并在一次又一次的大灭绝后，最终演化出背骨直立的人类。

2014 年，古生物学家在纽芬兰岛发现了 5.5 亿年前的遗迹化石。软绵绵的不擅移动的埃迪卡拉动物们，在上面留下了无规则的活动痕迹。我们仿佛看到，它们由于没有硬壳支撑而跌跌撞撞地摸索，由于神经系统未演化，它们无法感知周围环境，亦无法与近邻打个招呼。

埃迪卡拉时期的化石。由于这一时期只有很少的生物拥有外骨骼，其他软绵绵的动物几乎不可能被保存下来，因而现存的化石主要是遗迹化石，它们记录了古生物活动时留下的遗迹或遗物 | Calla Carbone and Gut M. Narbonne

在这层化石上方 1.2 米处，痕迹变得有规律，密集地排布在沉积岩上。其中有一条弯弯曲曲的痕迹线，在某个节点后突然变得笔直。

古生物学家猜测，这可能是寒武纪一只小虫子留下的活动痕迹。它或许突然发现猎食者，迅速逃离；或者直接被捕食者拖走。这一条笔直的痕迹，很可能是因为有了硬的骨骼才可以留下。在一次次的绞杀中，自我升级，努力突围，这就是生命在演化史上的漫漫征途。

寒武纪节肢动物的抓痕 | Calla Carbone and Gut M. Narbonne

没有人能够精准推算，这 1.2 米对应着多长的时间；仅凭化石证据，也难以拼凑出骨骼演化的全貌。但我们可以谨慎地说，拥有骨骼的生命，就在这 1.2 米之间大量出现，不断繁衍——而它们的后代之一，刚刚敲下这行字。

想一想，5.4 亿年前的小虫子面对强大的对手，为自己打造了一副骨骼，让命运俯首；而今的我们，继续在科幻世界里期翼机械骨骼的出现，渴望用它筑起巨浪之中船体的钢骨之撑，拥有对命运的掌控。

机械骨骼已经成为了科幻作品里的常见设定 |《攻壳机动队》

遥远的过去和无可预想的未来，仿佛就在此交叠。

参考文献：

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https://www.nature.com/articles/d41586-020-02985-z [Accessed 15 Jan. 2021]. 

[9] Wikipedia. 2020. “Cambrian.” Last modified September 12, 2020. 

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

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