Los científicos estudiaron la microestructura de los dientes para masticar corales del pez loro de cabeza empinada, en la foto, para conocer la poderosa mordida de este pez. (Crédito: Alex The Reef Fish Geek/Nautilus Scuba Club, Cairns, Australia)
Pero no pases por alto la poderosa boca del pez loro: sus resistentes dientes le permiten masticar el coral durante todo el día, para finalmente masticarlo y triturarlo mediante la digestión hasta convertirlo en arena fina. Así es: su «pico» crea playas. Un solo pez loro puede producir cientos de kilos de arena cada año.
Ahora, un estudio realizado por científicos -entre los que se encuentran los del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía- ha revelado una microestructura tejida en forma de cota de malla que da a los dientes del pez loro su notable mordida y resistencia.
La estructura natural que han observado también proporciona un modelo para crear materiales sintéticos ultraduraderos que podrían ser útiles para componentes mecánicos en la electrónica y en otros dispositivos que se someten a movimientos repetitivos, abrasión y tensión por contacto.
Matthew Marcus, un científico que trabaja en la Fuente de Luz Avanzada (ALS) del Laboratorio de Berkeley -una fuente de rayos X conocida como fuente de luz de sincrotrón que fue integral en el estudio de los peces loro- quedó intrigado con los peces loro durante una visita en 2012 a la Gran Barrera de Coral frente a la costa de Australia.
Ver una animación de esta imagen. Esta imagen, generada a partir de datos de tomografía microcomputada de rayos X recogidos en la Fuente de Luz Avanzada del Laboratorio de Berkeley, muestra una vista de un cuarto del pico de un pez loro. La estructura más densa, parecida al esmalte (enameloide) se muestra en amarillo y verde, y el tejido óseo (dentina) detrás de cada diente y el hueso circundante se muestra en cian y azul. (Berkeley Lab)
Un vídeo sobre la vida marina que vio en un barco turístico le recordó el papel de los peces loro en la descomposición del coral en arena fina. Se alimentan principalmente de los pólipos y las algas que viven en la superficie de los esqueletos de coral, y ayudan a limpiar los arrecifes. La dureza de los dientes de los peces loro medida cerca de la superficie de mordida es de unas 530 toneladas de presión por pulgada cuadrada, lo que equivale a una pila de unos 88 elefantes africanos, comprimida en una pulgada cuadrada de espacio.
«Me recordaron que se trata de un pez que tritura corales todo el día, y que es responsable de gran parte de la arena blanca de las playas», dijo Marcus. «Pero, ¿cómo puede este pez comer coral y no perder sus dientes?»
De vuelta al ALS, Marcus preguntó a Pupa Gilbert -una biofísica y profesora del Departamento de Física de la Universidad de Wisconsin-Madison que estudia cómo los seres vivos producen minerales- si estaba interesada en estudiar los dientes del pez loro.
Gilbert dijo que «respondió con entusiasmo» al desafío. Dirigió un equipo internacional en el estudio, recibiendo picos de peces loro de colaboradores de la Polinesia Francesa. Sus colaboradores de la Universidad Técnica de Nanyang, en Singapur -Ali Miserez, profesor asociado que estudia materiales biológicos con propiedades únicas, y su grupo- realizaron las mediciones mecánicas para el estudio. Gilbert llevó a cabo la mayor parte de los estudios estructurales para entender cómo funcionan los dientes de los peces loro.
Marcus fue el primer autor de este último estudio, dirigido por Gilbert y publicado en línea el 20 de octubre en la revista ACS Nano. Gilbert ya había incluido a Marcus en uno de sus estudios centrado en el nácar, el recubrimiento iridiscente y resistente a las fracturas conocido como nácar que recubre el interior de las conchas de algunos moluscos. El nácar ha inspirado el trabajo de R&D para imitar sus propiedades de resistencia utilizando materiales sintéticos.
Este y otros estudios similares se han basado en una técnica conocida como mapeo PIC (contraste de imágenes dependiente de la polarización), que Gilbert inventó y sigue desarrollando en el ALS. En el mapeo PIC, la polarización de los rayos X se gira para permitir el análisis y la visualización de la orientación de los cristales a nanoescala en el nácar y otros biominerales.
«El ALS es el primer lugar donde se realizó el mapeo PIC», dijo Gilbert. «Se puede entender de un vistazo cómo está orientado cada nanocristal en una imagen determinada».
Añadió: «Si se observa un diente, o un hueso, o la concha de un molusco, o un trozo de coral, esto es superinteresante. Te dice cómo están dispuestos los nanocristales unos con respecto a otros. Puedes ver estas hermosas imágenes que se ven mejor que el arte abstracto, y aprender cómo se forman y funcionan los biominerales.»
Una técnica basada en los rayos X, conocida como mapeo PIC, muestra el tamaño y la orientación de las fibras en la parte posterior (izquierda), el medio (centro) y la punta (derecha) de la capa enameloide del diente mordedor de un pez loro. El ángulo de orientación de los cristales está codificado por colores (gráfico en la parte inferior). (Crédito: Berkeley Lab)
En este último estudio, Gilbert, Marcus y Miserez querían ver cómo la fina estructura cristalina de los dientes de los peces loro contribuye a su increíble fuerza. Los investigadores fueron capaces de visualizar la orientación de los cristales individuales, lo que mostró su estructura intrincadamente tejida.
La fluorapatita, el mineral responsable de la estructura cristalina de los dientes de los peces loro, contiene calcio, flúor, fósforo y oxígeno.
El estudio demostró que los cristales de fluorapatita que dan fuerza a los dientes de los peces loro miden cada uno unos 100 nanómetros (milmillonésimas de metro) de ancho y varias micras (millonésimas de metro) de largo, y están ensamblados en haces entrelazados. Los haces disminuyen su diámetro medio de unas 5 micras a unas 2 micras hacia la punta de cada diente.
Aunque el esmalte dental de muchas especies diferentes de animales puede parecer similar a los microscopios convencionales, Gilbert señaló que estas imágenes pueden pasar por alto la orientación única de los cristales en la estructura del esmalte de los dientes. Y la orientación de los cristales, dijo, «cuenta una gran historia sobre cómo los diferentes dientes están especializados para diferentes funciones»
En el caso de los peces loro, las hileras de dientes en continuo crecimiento, que forman una estructura en forma de pico que sustituye constantemente los dientes más viejos y desgastados por otros nuevos, son también parte integral de su comportamiento de alimentación especializado. Sólo los quitones tienen dientes más duros que los peces loro, dijo Gilbert, y ningún otro biomineral es más rígido que los dientes de los peces loro en su punta de mordida.
Esta animación 3D en falso color (ver animación más grande) muestra la disposición de las filas de dientes del pez loro. (Crédito: Berkeley Lab)
«Los dientes de los peces loro son los biominerales más geniales de todos», dijo Gilbert. «Son los más rígidos, entre los más duros, y los más resistentes a la fractura y a la abrasión jamás medidos». Los peces loro tienen unos 1.000 dientes situados en unas 15 filas, y cada diente está cementado a todos los demás y rodeado de hueso para formar un pico sólido -los dientes de los tiburones, por el contrario, no están interconectados de esta manera.
Las mediciones mecánicas del estudio, que se centraron en muestras de dientes de un pez loro de cabeza empinada (Chlorurus microrhinos), descubrieron que la dureza y la rigidez aumentan hacia la punta de cada diente. Los experimentos de mapeo PIC en el ALS revelaron que, a medida que la dureza y la rigidez aumentan, el diámetro de los haces de cristales se estrecha.
Además del estudio de mapeo PIC, que utilizó una herramienta conocida como microscopio electrónico de fotoemisión (PEEM) en el ALS, otros experimentos del ALS utilizaron una tecnología de imágenes en 3-D conocida como microtomografía de rayos X y otro método de rayos X conocido como microdifracción para analizar más a fondo las orientaciones de los cristales y las tensiones de los dientes.
Este gráfico (ver más grande) muestra que, a lo largo de la dirección de mordida, el enameloide de los peces loro es uno de los más rígidos de todos los biominerales, y junto con el enameloide de tiburón es más duro que otros dientes de vertebrados. (Crédito: ACS Nano, 10.1021/acsnano.7b05044)
«La característica de entretejido y las orientaciones de los cristales están completamente abiertas a ser exploradas para la producción de materiales sintéticos», dijo Gilbert. «Tejer es una de las cosas más antiguas que la gente ha aprendido a hacer. Se podría pensar en tejer cristales, ya que los cristales se vuelven flexibles cuando son muy delgados».
Ya hay muchos esfuerzos bien desarrollados para replicar la estructura del esmalte humano utilizando métodos de nanofabricación, señaló Gilbert.
Gilbert y Marcus sugirieron que los futuros experimentos en el ALS podrían centrarse en un conjunto separado de dientes (dientes faríngeos) que descomponen aún más los trozos de coral en las gargantas de los peces loro.
«El cielo es el límite en este momento», dijo Gilbert. «Esta primera observación de las propiedades mecánicas es emocionante, y ahora se puede trabajar mucho más en las propiedades estructurales».
La Fuente de Luz Avanzada es una Instalación de Usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.
También participaron en este estudio otros científicos de la Fuente de Luz Avanzada del Laboratorio de Berkeley y de la Universidad de Wisconsin-Madison, junto con investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur. El trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos, la Fundación Nacional de Ciencia y la Fundación Nacional de Investigación de Singapur.
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El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley aborda los desafíos científicos más urgentes del mundo mediante el avance de la energía sostenible, la protección de la salud humana, la creación de nuevos materiales y la revelación del origen y el destino del universo. Fundado en 1931, la experiencia científica del Laboratorio de Berkeley ha sido reconocida con 13 premios Nobel. La Universidad de California gestiona el Laboratorio de Berkeley para la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Para más información, visite www.lbl.gov.
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