Учёные выяснили, почему у нарвалов, единственных в природе, вырастает идеально прямой бивень, но так и не знают точно – зачем

Нарвалы. Изображение ИИ

Как природа добивается такого феномена, как идеально ровный бивень у нарвалов? При длине до трёх метров он сохраняет прямоту линии, хотя и закручен в левую спираль. У слонов бивни вырастают из верхних резцов, у кабанов – из клыков: и те, и другие зубы, достигая больших размеров, загибаются. Бивень нарвала – верхний левый клык, который прорастает сквозь губу, и он, единственный в природе, – ровный. Международная группа учёных под руководством Орхусского университета (Дания) разгадала эту загадку, используя методы 3D-рентгеновской томографии на трёх европейских синхротронах (своего рода «турбо-версиях» медицинского компьютерного томографа). Оказалось, что структура бивня устроена из двух слоев – внешнего и внутреннего, закручивающихся в противоположные стороны, – так компенсируется изгиб и сохраняется ровность роста. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications. А на GoArctic можно больше узнать о нарвалах – какими особенностями обладают и как еще помогвют науке.

Учёные из Орхусского университета, Технологического университета Чалмерса (Швеция) и Гренландского института природных ресурсов для решения вопроса применили передовую технику рентгеновской томографии: «просветили» бивень и построили трёхмерную карту его внутренней структуры – от наноразмерных коллагеновых волокон до макроскопических спиралей. Оказалось, бивень нарвала состоит из слоёв тканей двух типов: внутреннего – дентина и наружного – цемента. В цементе микроскопические коллагеновые волокна закручены в левую спираль, а в дентине – в правую. Эти две противоположные спирали работают как противовесы, гася напряжение. Исследователей удивила разгадка «инженерной» работы природы при строении бивня – при этом его левая спираль становится видимой из-за того, что внешний слой сильнее влияет на форму, а внутренний – работает как скрытый стабилизатор. Такая конструкция сделала бивень значительно более устойчивым к изгибам и скручиванию, чем если бы он был просто прямым стержнем или имел одну спираль.

Трехмерное представление ориентации минерализованных коллагеновый фибрилл (MCF) бивня нарвала и схематическое изображение наноструктурного строения бивня со спиралями противоположных знаков. Источник: nature.com

Внутри бивня исследователи обнаружили еще годовые кольца, похожие на древесные, по которым можно определять возраст нарвалов – а живут они до 80 лет. Интересно, что точная функция бивня до сих пор остаётся предметом дискуссий. Его прямота, по предположениям учёных, может быть связана с тем, что эта форма не мешает в процессе кормления. Еще одно предположение – роль в половом отборе: считается, что самцы используют бивни для демонстрации доминирования и привлечения самок. Но бивни есть и у некоторых самок, поэтому версия не кажется окончательной.

А открытие двухслойной структуры трехметрового зуба нарвала имеет и практическое значение. Понимание того, как природа создаёт прямые, прочные и гибкие структуры из спиральных элементов, может вдохновить на создание новых композитных материалов для строительства, медицины и других областей. В решении загадки «морского единорога» принимали участие химики, физики, биологи и материаловеды, получившие очередной урок того, как природа решает инженерные задачи на молекулярном уровне. 

Исторические представления о нарвалах как «морских единорогах», использование бивней в культуре и схема строения – с цементом и дентином: а) Иллюстрация самца нарвала с бивнем (автор: Уко Гортер). б) Иллюстрации из «Музея Вормиана» (1655) Оле Ворма: Концептуализация «морского единорога», основанная на наблюдениях за черепами с бивнями; следует отметить, что, хотя рисунок черепа у Ворма напоминает настоящие черепа, изображение «морского единорога» сильно отличается от нарвала и вряд ли основано на наблюдениях. в) Культурное значение бивней нарвала: Датское коронационное кресло (1671) в замке Розенборг (Копенгаген, Дания) и г) деталь одной из ножек кресла, изготовленной из бивня нарвала, вырезанной вручную по его естественной левой спирали. (e) Поверхностное изображение черепа одного из самцов нарвала, использованных в этом исследовании, полученное с помощью рентгеновской компьютерной томографии, и (f) полупрозрачное 3D-изображение с сегментированными черепом, мозгом, зубом и бивнем. (g) 3D-изображение поперечного среза бивня, полученное с помощью рентгеновской компьютерной томографии с более высоким разрешением, показывающее концентрические слои роста, пульповую камеру, дентин и цемент, и (h) фрагмент бивня с левосторонней спиралью. Источник: nature.com