Бивень нарвала — это на самом деле левый клык, который прорастает через челюсть и губу и может достигать более двух метров в длину. В отличие от человеческих зубов, у него нет эмали: внутри он состоит из дентина, снаружи покрыт органическим цементом. Долгое время ученые знали, что бивень имеет левостороннюю спираль, но как именно устроены его микроскопические волокна, оставалось загадкой.
Команда исследователей решила эту задачу, используя самые мощные инструменты в мире. Они объединили возможности трех гигантских синхротронов — источников рентгеновского излучения — в Швеции (MAX IV), Швейцарии (Swiss Light Source) и Франции (ESRF). Специальная 3D-техника, называемая тензорной томографией, позволила заглянуть внутрь бивня и увидеть, как ориентированы его мельчайшие строительные блоки — минерализованные коллагеновые фибриллы.
Результат, опубликованный в научном журнале Nature Communications, оказался неожиданным. В бивне нарвала скрываются две противоположные спирали. Во внешнем слое (цементе) коллагеновые волокна закручены влево. Во внутреннем слое (дентине) — вправо.
Такая двойная структура придает бивню выдающиеся механические свойства. Он гораздо более устойчив к изгибу и скручиванию, чем если бы имел одну спираль или был прямым стержнем. Это пример того, как природа создает прочные материалы — аналогичный принцип встречается и в других биологических структурах, которые должны выдерживать большие нагрузки.
Никто раньше не проводил такого сложного эксперимента. Нам это удалось только благодаря междисциплинарному сотрудничеству между химиками, физиками, материаловедами и биологами.
Исследователи также обнаружили, что структура двойной спирали сохраняется в годичных слоях роста бивня (как кольца у деревьев) на протяжении всей жизни животного — до 80 лет. Это говорит о том, что спиральный рост запрограммирован генетически.
Открытие не только раскрывает вековую загадку одного из самых знаковых животных океана, но и дает инженерам новые идеи для создания композитных материалов с экстремальными механическими свойствами. Кроме того, бивни нарвалов, как и годичные кольца деревьев, могут хранить информацию об изменении климата: ученые уже планируют использовать их как «исторический архив» условий в Северной Атлантике.
Что касается функции бивня — ученые все еще спорят. Большинство исследователей сегодня считают, что он в первую очередь служит половым сигналом (бивни есть в основном у самцов). Но есть и другие гипотезы: датчик температуры и солености воды, орудие охоты или оружие для боев с сородичами. Окончательного ответа пока нет.
Ранее Наука Mail рассказывала, как дельфинам удается развивать огромную скорость за счет турбулентности.