Бивни нарвала раскрывают скрытую тайну легенды о единороге

Фото из открытых источников

Ученые просканировали бивни нарвала рентгеновскими лучами и обнаружили две спирали, закручивающиеся в противоположных направлениях — узор, которого никто не ожидал увидеть. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

У самца нарвала один зуб вырастает в штопор, который проходит насквозь через верхнюю губу. Зуб продолжает закручиваться в том же направлении на протяжении всей жизни животного. Разделив зуб пополам, две половинки сами собой разойдутся, распрямившись более чем на пол-оборота. Внутри зуба что-то испытывает значительное напряжение. До сих пор никто не знал, что это.

Хенрик Биркедал, химик из Орхусского университета в Дании, возглавил группу, которая занималась поиском источника этого напряжения. Работая с коллегами из Швеции и Франции, его команда сканировала бивни нарвалов мощными рентгеновскими лучами. Лучи были достаточно точными, чтобы составить карту расположения структур, состоящих всего из нескольких сотен атомов, внутри зуба.

Этот бивень вовсе не рог. Это зуб: левый клык прорастает через верхнюю губу самца нарвала и вырастает до более чем 2 метров в длину. Бивень продолжает скручиваться влево на протяжении всей жизни животного, которая может составлять 80 лет и более.

Этот медленный спиральный рост не похож ни на что другое в природе. В 1600-х годах искривленные белые бивни, прибывавшие в европейские торговые порты, убедили покупателей в том, что они нашли настоящие рога единорога. Король Дании Фредерик III настолько верил в этот миф, что приказал изготовить из них целый коронационный трон. Трон был завершен в 1671 году.

Нарвалы используют свои огромные зубы не только для распространения слухов. Они применяют их, чтобы оглушить мелкую рыбу перед тем, как съесть её. На видеозаписях с дронов также запечатлено, как нарвалы отмахиваются от своих бивней и играют ими, подобно тому, как другие животные используют лапы.

Их долгая жизнь и без того сопряжена с другими трудностями. Нарвалам приходится менять свои миграционные маршруты, поскольку арктический морской лед с каждым годом образуется позже.

Команда Биркедала предположила, что причина скручивания будет выглядеть как единая спираль внутри структурных элементов зуба. Эти строительные блоки состоят из коллагеновых нитей, в которые внедрены мельчайшие минеральные кристаллы — те же самые основные материалы, из которых состоит кость.

Механические испытания распиленных бивней уже показали, что спираль уходила глубоко. Расщепление бивня вдоль позволяло накопленному напряжению разъединить две половины более чем на пол-оборота, а иногда и дальше.

Группа исследователей направила рентгеновские лучи на тонкие срезы бивней в синхротронных установках в Швейцарии и Швеции, а также в Европейском центре синхротронного излучения во Франции.

Исследователи поворачивали каждый срез по точкам, создавая трехмерную карту расположения нитей внутри. Первые сканирования дали загадочный результат.

«Это нас очень озадачило, — сказала соавтор исследования Марианна Либи из Института Пауля Шеррера в Швейцарии. — Но вместо спирали мы увидели лишь упорядоченную структуру».

Ключевым моментом стало прекращение анализа каждой точки измерения по отдельности. Вместо этого команда сравнивала каждую точку с соседними.

«Когда мы сравнили ориентацию этих точек относительно друг друга, начала проявляться направленная тенденция», — сказал соавтор исследования Адриан Родригес-Паломо из Орхусского университета.. «Всё, что нам оставалось сделать, это соединить точки — как в детском наборе для рисования по номерам — и внезапно структура становилась видимой: две переплетенные спирали».

Две спирали направлены в противоположные стороны. Снаружи слой, называемый цементом, образует левостороннюю спираль. Цемент — это материал, который обычно покрывает корень зуба, и его спираль видна на поверхности клыка.

Под цементом, в основной массе дентина зуба, коллагеново-минеральные нити закручиваются по спирали в противоположном направлении, вправо. Дентин — это тот же материал, который находится под эмалью человеческого зуба.

Две спирали сходятся и смыкаются в месте соприкосновения цемента и дентина. Коллаген — это распространенный тканевой белок. Он также сохраняет древние пищевые следы внутри зубов, которым тысячи лет, хотя его никогда не находили в таком скрученном виде. Две переплетенные спирали действуют как арматура, встроенная в бетон.

«Как и кости или другие зубы в животном мире, бивень нарвала представляет собой сложный композитный материал, структура которого простирается от мельчайших наноразмерных строительных блоков до видимой формы всего зуба», — сказала Либи. «Бивень нарвала тоже должен быть одновременно твердым и гибким. Только тогда он сможет выдержать сильные гидродинамические силы, возникающие при плавании».

Исследователи проверили эту прочность напрямую. Они согнули образцы в форме стержней, вырезанные из бивня, в двух направлениях: вдоль и поперек.

Стержни, разрезанные вдоль бивня, сопротивлялись изгибу примерно на 63 процента сильнее, чем те, которые были разрезаны поперек. Они также гораздо дольше сохраняли свою целостность, прежде чем разрушиться.

Под микроскопом поперечные стержни ломались чисто, подобно тому, как разбивается керамическая тарелка. В отличие от них, продольные стержни разрывались медленно. Их волокна вырывались и направляли трещину вбок по мере её распространения.

Эта прочность помогает бивню выдерживать многолетнее сопротивление воды, возникающее при многократных ныряниях нарвала в поисках пищи.

Команда Биркедала изучала бивни всего двух взрослых самцов нарвалов. Оба животных принадлежали к популяции из Гренландии, которая, как ни удивительно, отличалась низким генетическим разнообразием для своего размера.

Более крупная выборка могла бы показать, развиваются ли две спирали на каждом бивне одинаково. Она также могла бы показать, следуют ли редкие двубивневые нарвалы, обитающие в Гренландии, той же схеме.

До сих пор никто не объяснил, как растущий зуб начинает закручиваться по спирали в одном направлении снаружи и в противоположном направлении внутри.

Исследователи предполагают, что ответ кроется на границе между двумя тканями. Для подтверждения этой идеи необходимо наблюдать за ростом бивня с самого начала. Пока никому не удалось этого сделать у дикого кита, способного прожить 80 лет.

На данный момент это открытие предоставляет инженерам работающую конструкцию, которую природа проверяла на протяжении миллионов лет.

Любой, кто занимается изготовлением буровых штанг или подвесных тросов, способных выдерживать скручивание, теперь имеет в своем распоряжении естественный чертеж, достаточно старый, чтобы породить миф о единорогах.