Бивни нарвала — это извилистые, волшебные математические чудеса

Их единственный длинный зуб закручивается в противоположных направлениях.

Бивни нарвалов (Monodon monoceros), возможно, и не обладают магией в прямом смысле, но в них действительно есть математическое волшебство. Их бивень на самом деле состоит из двух спиралей (или геликоидов), а не из одной. Внешняя структура бивня закручена влево, а внутренняя — в противоположном направлении.

«Самое примечательное в том, что эти геликоиды всегда имеют одинаковую „рукость“ — примерно как если бы у всех [людей] были только левые руки», — рассказывает Popular Science Хенрик Биркедаль, химик из Орхусского университета (Дания). «Насколько нам известно, это уникальное явление».

Биркедаль — соавтор исследования, подробно описывающего это открытие, опубликованного сегодня в журнале Nature Communications.

Хотя бивень нарвала технически представляет собой один длинный зуб, он сильно отличается от наших зубов. Вместо эмали — твёрдой внешней оболочки человеческих зубов — внутри бивня находится материал под названием дентин. Снаружи бивень покрыт тонким слоем вещества, называемого цементом.

«У людей этот слой соединяет (цементирует) зуб в нижней челюсти», — поясняет Биркедаль.

Бивни могут достигать более двух метров в длину, и их назначение до сих пор вызывает споры. Большинство учёных полагают, что они служат половым сигналом, поскольку бивни есть у большинства, но не у всех самцов. Также наблюдали, как нарвалы играют, добывают корм и занимаются другими несексуальными делами с помощью своих бивней.

Некоторые исследователи предполагали, что бивень может помогать этим китам определять температуру, солёность и химические изменения в воде или использоваться для боёв. Однако убедительных доказательств этому нет. Также маловероятно, что это орудие охоты, иначе бивни были бы и у самок.

Нарвалы — единственные животные с бивнями, у которых обычно один бивень, а не два, хотя у некоторых самцов наблюдалось развитие второго бивня. Это также единственное животное с прямым бивнем, а не изогнутым.

Учёным давно было известно, что левосторонняя форма бивня нарвала возникает благодаря особой организации минерализованных коллагеновых фибрилл, которые придают зубу прочность. Однако то, как именно организованы эти строительные блоки зуба, оставалось загадкой, поскольку невозможно было составить их трёхмерную карту.

Для этого исследования команда объединила несколько рентгеновских методов визуализации, в частности особую 3D-рентгеновскую технику, называемую тензорной томографией. Она работает так: мощные рентгеновские лучи пропускают через зуб, а затем анализируют, как они рассеиваются на наноразмерных (миллиардная доля метра) минерализованных коллагеновых фибриллах внутри бивня.

Из-за больших размеров бивня нарвала и его чрезвычайно сложной структуры команде понадобились самые крупные из доступных технологических инструментов. Они использовали несколько рентгеновских источников на ускорителях частиц из трёх центров — MAX IV в Швеции, Швейцарский источник синхротронного излучения (SLS) в Швейцарии и Европейский центр синхротронного излучения (ESRF) во Франции. Эти огромные установки были единственным способом получить достаточное разрешение и мощность, чтобы составить карту всей внутренней структуры бивня в трёх измерениях — на атомном, нано- и микроуровне.

«Никто ранее не проводил столь сложного эксперимента такого типа», — заявил в пресс-релизе соавтор исследования Адриан Родригес-Паломо. «Мы смогли это сделать только благодаря сотрудничеству между несколькими дисциплинами — химией, физикой, материаловедением и биологией. Без сотрудничества с биологами из Гренландского института природных ресурсов мы не смогли бы интерпретировать результаты». Родригес-Паломо был аспирантом Технического университета Чалмерса в Швеции, когда присоединился к проекту, и продолжил свои исследования в качестве постдокторанта в Орхусском университете.

Они обнаружили, что хотя строительные блоки бивня ориентированы в основном вдоль его длины, они систематически отклоняются под небольшими углами. Это создаёт скрученную структуру. В цементной части фибриллы бивня образуют левостороннюю спираль, а во внутренней дентинной части зуба формируется правосторонняя спираль.

Эти две противоположные структуры встречаются в переходной зоне между дентином и цементом. Команда отмечает, что эта сложная биологическая граница оказалась даже более замысловатой, чем считалось ранее.

Двойная спиральная структура бивня придаёт ему лучшие механические свойства. Она делает бивни более устойчивыми к изгибу и скручиванию по сравнению с одинарной спиралью или прямым стержнем.

Команда также обнаружила, что структура двойной спирали сохраняется в годичных слоях роста бивня. Они похожи на древесные кольца и могут использоваться для определения возраста нарвала. Двойная спираль имеет постоянный угол закрутки, что указывает на то, что левосторонний характер роста закреплён генетически и остаётся стабильным на протяжении всей жизни животного. Нарвалы могут жить до 80 лет.

Помимо решения этой загадки естествознания, исследование даёт представление о том, как природа создаёт сложные материалы с экстремальными механическими свойствами. Это может помочь материаловедам в разработке новых материалов для строительства и медицины.

И, как и любое хорошее исследование, оно завершается несколькими вопросами, требующими дальнейшего изучения.

«Сейчас мы работаем над пониманием закономерностей годичных слоёв роста в бивне в надежде, что это позволит нам „нанести на карту“ историю жизни нарвала по его бивню и тем самым получить представление об условиях обитания китов в Арктике», — говорит Биркедаль. «Кроме того, мы надеемся исследовать место в черепе, где растёт бивень, чтобы лучше понять механизмы его формирования».

Laura Baisas “Narwhal tusks are twisty, magical mathematical marvels”

Перевод статьи «Narwhal tusks are twisty, magical mathematical marvels» автора Laura Baisas, оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык