Dinți, moluște: design în biominerale

Dinți, moluște: design în biominerale

Mineralele create de diverse forme de viață prezintă o structură moleculară optimizată. În loc să indice o evoluție convergentă, provin ele din previziuni divergente?

Două lucrări recente explorează structura cristalină a biomineralelor, care se găsesc în orice, de la cochilii de moluște la dinții din gura noastră. Aceste structuri sunt fascinante pentru proprietățile lor rafinate, dar subiectul biomineralizării permite și compararea puterii explicative a designului asupra evoluției darwiniene. …

Structurile din interiorul biomineralelor sunt atât de rafinat optimizate, încât inginerii le studiază pentru a găsi idei despre cum să creeze materiale superioare, dar, pe de altă parte, s-ar putea întreba de ce un designer inteligent ar folosi mecanisme atât de diferite pentru a obține proprietățile dorite de rezistență și rezistență la rupere. În diverse creaturi.Este aceasta dovadă a evoluției convergente sau previziune?

Dinții umani

„Structura ascunsă a smalțului dinților”, scris de șapte oameni de știință în Comunicarea naturiiMulți dintre noi s-ar putea să nu acorde prea multă atenție dinților noștri până când nu mergem la dentist, dar este destul de remarcabil că aceste ustensile naturale, supuse unor forțe severe de mușcătură și măcinare și atacuri chimice aproape Autorii lucrării cu acces deschis au găsit cu siguranță dinte. email fascinant: în fiecare zi, pentru mulți oameni poate dura o viață.

Smaltul dentar este cel mai puternic tesut mineralizat în corpul uman. Proprietățile sale mecanice remarcabile combină duritatea și rigiditatea extreme cu rezistența excepționalăcare îi permite să reziste la sute de cicluri masticatorii cu forțe de mușcătură de până la 770 N, în mediul dur al cavității bucalecare suferă de asemenea fluctuații extreme de pH și temperatură în interiorul corpului uman. În ciuda faptului că nu se remodelează sau repara, durează zeci de ani fără defecțiuni catastrofale. [Emphasis added.]

Ce înseamnă 770 N? Un newton (N) este forța care produce o accelerație de un metru pe secundă pe secundă pe o masă de un kilogram. Aceasta este o forță netrivială. Acum înmulțiți-o cu 770 pentru a lua în considerare ce duc dinții dvs. prin!

Ca și capul unui ciocan, smalțul este porțiunea exterioară a dintelui care se confruntă cu acest mediu dur. Spre deosebire de os, pe care organismul îl poate repara, smalțul trebuie să suporte acest tratament pentru viață. Desigur, oamenii de știință au fost dornici să exploreze modul în care supraviețuiește. Un rezumat al lucrării despre. Cantitatea de uzură care ar scoate multe materiale artificiale din funcțiune în mult mai puțin timp. Phys.org explică modul în care echipa a folosit metode avansate de imagistică numite cartografierea contrastului imagistic dependent de polarizare (PIC) pentru a afla ce face biomineralele atât de durabile.

Smaltul dintilor este organizate în tije cu lungime de microni alcătuit din cristale lungi și subțiri de hidroxiapatită. [Pupa] Gilbert și grupul ei de la UW-Madison au aplicat cartografierea PIC la mai multe mostre de dinți umani și au măsurat orientarea fiecărui cristal în secțiunile transversale ale dintelui.

„În mare, am văzut asta nu a existat o singură orientare în fiecare tijă, ci o schimbare treptată a orientărilor cristalelor între nanocristalele adiacente”, spune Gilbert.

Ei au descoperit că este ușoară dezorientare dintre tije care împiedică propagarea fisurilor prin interfață, apoi au vrut să știe dacă gradul unghiului de dezinorientare face diferența.

„Am început să mă întreb, există un unghi de orientare greșită ideală „Experimentul de testare a acestei ipoteze nu a putut fi făcut la scară nanometrică și nici prin simulări”, își amintește Gilbert, „Experimentul de testare a acestei ipoteze nu a putut fi făcut la scară nanometrică și nici prin simulări”. așa că am început să mă gândesc, bine, avem încredere în evoluție. Dacă există un unghi ideal de dezinorientare, pun pariu că este cel din gura noastră.”

Gândirea evoluţioniştilor este că selecţia darwiniană tinde întotdeauna către un optim. Teoreticienii designului ştiu că acest lucru este un nonsens şi ar putea găsi observaţia plină de umor. Ideea de mestecat, totuşi, este că nanostructura smalţului dentar este optimizată pentru durabilitate. Funcţionează astfel. Ei bine, autorii s-au gândit la „cum poate fi aplicat materialelor sintetice.” Lucrarea conchide:

Asta asta structură, ascunsă anteriorcontribuie la realizarea smalțului extraordinar de rezistentașa cum este suportă sute de cicluri de masticație pe zi, cu sute de Newtoni de forță de mușcătură. Această structură previne eșecul catastrofal de smalț prin devierea fisurilor din interiorul tijelor și îl menține funcțional pentru întreaga noastră viață.

Biominerale în moluște

Filul Mollusca, care datează de la explozia cambriană, conține exemple rafinate de biomineralizare. Unele dintre cele mai frumoase scoici dintre toate, inclusiv nautilusul cu camere cu geometria lui Fibonacci Series-Ratio de Aur, precum și melci, stridii și scoici se potrivesc. acest grup.O echipă de șase oameni de știință care scrie în PNAS a căutat „să ne extindă înțelegerea macroscopicului” morfospațiul posibilelor forme de cochilie de moluște până la nivelul posibilelor ultrastructuri care le încapsulează.” Evoluția a cântărit foarte mult în mintea lor.

Cojile de moluște sunt un sistem model clasic de studiat relaţiile formaţie-structură-funcţie în materialele biologice De obicei, fiecare înveliș constă dintr-un număr dintr-un număr de proces de morfogeneză a țesuturilor biomineralizate. ultrastructuri foarte mineralizatefiecare caracterizat de a arhitectura mineralo-organică 3D specifică. În mod surprinzător, în unele cazuri, în ciuda lipsei unui set de instrumente biochimice reciproce pentru biomineralizare sau dovezi de omologiescoici din diferite specii care au evoluat independent conţine conţin motive ultrastructurale similare.

De remarcat este încrederea autorilor pe conceptul de morfospatii, dezvoltat de regretatul David Raup, un paleontolog darwinian care a participat la reuniunea de oameni de știință ID de la Pajaro Dunes din 1993. În amintirile sale despre Raup, Paul Nelson a respectat deschiderea lui Raup la criticile evoluției. și „curajul său de a se angaja într-o discuție atentă cu cei cu puncte de vedere diferite”.

Este regretabil că acești oameni de știință nu au urmărit acel aspect al caracterului lui Raup.În gândirea lor darwiniană strictă, asemănările biominerale dintre scoici, nautiloizi și melci trebuie să se datoreze evoluției convergente, motive. Creaturile „descoperă” aceste motive printre ceea ce este termodinamic. posibil în morfospațiul construcțiilor minerale, având în vedere materialele disponibile. Echipa spune:

În operele clasice ale lui Raup, parametrizare elegantă Această lucrare a permis o analiză matematică a formelor cochiliei de moluște și explorarea teoretică a limitelor evoluţiei lor și, astfel, a oferit perspective asupra de ce numai anumite morfologii există în naturăla moluște și alte specii. De exemplu, similare morfologie spirală observat la receptaculitide și briozoare, în ciuda metodelor foarte diferite de creștere, reflectă o constrângere arhitecturală privind fabricarea unei spirale în creștere cu unități constrânse fizic.

Constrângerile, însă, nu pot explica frumusețea unei carapace de nautilus. Nu există nimic despre o constrângere care poate forța un design elegant. Este ca și cum ai spune că autostrăzile constrâng ce mașini sunt posibile. „Ei bine, da, dar…” Poate că dimensiunile unei autostrăzi constrâng lățimea unei mașini, dar nu există mult mai mult în designul unei mașini decât o serie de constrângeri?

Povestirea evoluționistă nu trebuie să ne preocupe acum. Mai interesante sunt faptele despre aceste minerale minunate construite de organisme vii: în acest caz, moluște. Este reconfortant să auzim perle rare de înțelepciune în lucrare, cum ar fi acest rând în discuția finală: „Biomineralizarea și morfogeneza cochiliei de moluște este un proces extracelular care continuă” sub control genetic si este orchestrată de la distanță de țesutul celular„Ei adaugă,“ The distincție principală între creşterea diverselor biomineralizate structurile din natură sunt forțele motrice stabilite de organisme că până la urmă în cele din urmă reglementate nuclearea, manipula forma, și asambla componentele minerale.” Adică, o fac nu se auto-organizeze, nici constrângerile legilor fizice nu proiectează cochiliile.Cochiliile sunt conduse de un cod genetic.

Cu siguranță merită să ne întrebăm cum a ajuns acel cod acolo. Fiecare cod despre care știm care reglementează structuri complexe a fost conceput. Știința se va îmbunătăți atunci când constrângerile darwinismului vor fi ridicate.

Foto: Dinți umani din Peștera Qesem, Israel, cu o vechime între 200.000 și 400.000 de ani, de Israel Hershkovitz, Universitatea din Tel Aviv, via Eurek Alert!

Leave a Comment

Adresa ta de email nu va fi publicată.