Gli scienziati hanno studiato la microstruttura dei denti che divorano i coralli del pesce pappagallo dalla testa a picco, qui raffigurato, per conoscere il potente morso di questo pesce. (Credit: Alex The Reef Fish Geek/Nautilus Scuba Club, Cairns, Australia)
Così, pensavate che il fantomatico squalo bianco divoratore di persone nel film “Jaws” avesse un morso potente.
Ma non trascurate la potente bocca del pesce pappagallo – i suoi denti robusti gli permettono di masticare il corallo tutto il giorno, alla fine masticandolo e macinandolo attraverso la digestione in sabbia fine. Proprio così: il suo “becco” crea le spiagge. Un singolo pesce pappagallo può produrre centinaia di libbre di sabbia ogni anno.
Ora, uno studio di scienziati – compresi quelli del Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell’Energia (Berkeley Lab) – ha rivelato una microstruttura intrecciata simile a una cotta di maglia che dà ai denti del pesce pappagallo il loro notevole morso e resilienza.
La struttura naturale che hanno osservato fornisce anche un modello per la creazione di materiali sintetici ultra-resistenti che potrebbero essere utili per i componenti meccanici nell’elettronica e in altri dispositivi sottoposti a movimento ripetitivo, abrasione e stress da contatto.
Matthew Marcus, uno scienziato dello staff che lavora all’Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab – una sorgente di raggi X nota come sorgente di luce di sincrotrone che è stata parte integrante dello studio sul pesce pappagallo – si è incuriosito del pesce pappagallo durante una visita del 2012 alla Grande Barriera Corallina al largo della costa dell’Australia.
Vedi un’animazione di questa immagine. Questa immagine, generata da dati di micro-tomografia a raggi X raccolti al Berkeley Lab’s Advanced Light Source, mostra una vista di un quarto del becco di un pesce pappagallo. La struttura più densa, simile allo smalto (enameloide) è mostrata in giallo e verde, e il tessuto osseo (dentina) dietro ogni dente e l’osso circostante è mostrato in ciano e blu. (Berkeley Lab)
Un video sulla vita marina che ha visto su una barca da crociera gli ha ricordato il ruolo dei pesci pappagallo nello scomporre il corallo in sabbia fine. Si nutrono principalmente dei polipi e delle alghe che vivono sulla superficie degli scheletri dei coralli, e aiutano a pulire le barriere coralline. La durezza dei denti del pesce pappagallo misurata vicino alla superficie mordente è di circa 530 tonnellate di pressione per pollice quadrato – equivalente a una pila di circa 88 elefanti africani – compressi in un pollice quadrato di spazio.
“Mi è stato ricordato che questo è un pesce che sgranocchia il corallo tutto il giorno, ed è responsabile di gran parte della sabbia bianca sulle spiagge”, ha detto Marcus. “Ma come può questo pesce mangiare il corallo e non perdere i suoi denti?”
Tornato all’ALS, Marcus ha chiesto a Pupa Gilbert – una biofisica e docente del Dipartimento di Fisica dell’Università del Wisconsin-Madison che studia come gli esseri viventi producono minerali – se era interessata a studiare i denti del pesce pappagallo.
Gilbert ha detto che “ha risposto con entusiasmo” alla sfida. Ha guidato un team internazionale nello studio, ricevendo becchi di pesce pappagallo da collaboratori della Polinesia francese. I suoi collaboratori della Nanyang Technical University di Singapore – Ali Miserez, un professore associato che studia materiali biologici con proprietà uniche, e il suo gruppo – hanno eseguito misure meccaniche per lo studio. Gilbert ha effettuato la maggior parte degli studi strutturali per capire come funzionano i denti dei pesci pappagallo.
Marcus è stato il primo autore di quest’ultimo studio, guidato da Gilbert e pubblicato online il 20 ottobre sulla rivista ACS Nano. La Gilbert aveva precedentemente incluso Marcus in uno dei suoi studi che si concentrava sulla madreperla, il rivestimento iridescente e resistente alla frattura noto come madreperla che riveste l’interno di alcune conchiglie di molluschi. La madreperla ha ispirato il lavoro di R&D per imitare le sue proprietà di resistenza usando materiali sintetici.
Questo e altri studi simili si sono basati su una tecnica nota come PIC (polarization-dependent imaging contrast) mapping, che Gilbert ha inventato e continua a sviluppare all’ALS. Nella mappatura PIC, la polarizzazione dei raggi X viene ruotata per consentire l’analisi e la visualizzazione dell’orientamento dei cristalli su scala nanometrica in madreperla e altri biominerali.
“L’ALS è il primo posto dove è stata fatta la mappatura PIC”, ha detto Gilbert. “Si può capire a colpo d’occhio come è orientato ogni nanocristallo in una data immagine.”
Ha aggiunto: “Se stai guardando un dente, o un osso, o un guscio di mollusco, o un pezzo di corallo, questo è super interessante. Ti dice come i nanocristalli sono disposti l’uno rispetto all’altro. Puoi vedere queste bellissime immagini che sembrano meglio dell’arte astratta, e imparare come i biominerali si formano e funzionano.”
Una tecnica basata sui raggi X conosciuta come PIC mapping mostra la dimensione e l’orientamento delle fibre sul retro (sinistra), al centro (centro), e sulla punta (destra) dello strato enameloide del dente mordente di un pesce pappagallo. L’angolo di orientamento dei cristalli è codificato a colori (grafico in basso). (Credit: Berkeley Lab)
In quest’ultimo studio, Gilbert, Marcus e Miserez hanno voluto vedere come la fine struttura cristallina dei denti dei pesci pappagallo contribuisca alla loro incredibile forza. I ricercatori sono stati in grado di visualizzare l’orientamento dei singoli cristalli, che hanno mostrato la loro struttura intricata.
La fluoroapatite, il minerale responsabile della struttura cristallina dei denti dei pesci pappagallo, contiene calcio, fluoro, fosforo e ossigeno.
Lo studio ha mostrato che i cristalli di fluoroapatite che danno ai denti dei pesci pappagallo la loro forza misurano ciascuno circa 100 nanometri (miliardesimi di metro) di larghezza e diversi micron (milionesimi di metro) di lunghezza, e sono assemblati in fasci intrecciati. I fasci diminuiscono in diametro medio da circa 5 micron a circa 2 micron verso la punta di ogni dente.
Mentre lo smalto dei denti di molte specie diverse di animali può apparire simile ai microscopi convenzionali, Gilbert ha notato che queste immagini possono trascurare l’orientamento unico dei cristalli nella struttura dello smalto dei denti. E l’orientamento dei cristalli, ha detto, “racconta una grande storia su come i diversi denti sono specializzati per funzioni diverse.”
Nel caso dei pesci pappagallo, le file di denti in continua crescita, che formano una struttura simile al becco che sostituisce costantemente i denti più vecchi e usurati con nuovi denti, sono anche parte integrante del loro comportamento alimentare specializzato. Solo i chitoni hanno denti più duri dei pesci pappagallo, ha detto Gilbert, e nessun altro biominerale è più rigido dei denti dei pesci pappagallo nella loro punta mordente.
Questa animazione 3-D a falsi colori (visualizza animazione più grande) mostra la disposizione delle file di denti del pesce pappagallo. (Credit: Berkeley Lab)
“I denti di pesce pappagallo sono i biominerali più cool di tutti”, ha detto Gilbert. “Sono i più rigidi, tra i più duri, e i più resistenti alla frattura e all’abrasione mai misurati”. I pesci pappagallo hanno circa 1.000 denti situati in circa 15 file, e ogni dente è cementato a tutti gli altri e circondato dall’osso per formare un becco solido – i denti di squalo, al contrario, non sono interconnessi in questo modo.
Le misure meccaniche per lo studio, che si è concentrato su campioni di denti di un pesce pappagallo dalla testa ripida (Chlorurus microrhinos), hanno scoperto che la durezza e la rigidità aumentano verso la punta di ogni dente. Gli esperimenti di mappatura PIC all’ALS hanno rivelato che all’aumentare della durezza e della rigidità, il diametro dei fasci di cristalli si restringe.
Oltre allo studio di mappatura PIC, che ha utilizzato uno strumento noto come microscopio elettronico a fotoemissione (PEEM) all’ALS, esperimenti separati dell’ALS hanno utilizzato una tecnologia di imaging 3-D nota come microtomografia a raggi X e un altro metodo a raggi X noto come microdiffrazione per analizzare ulteriormente gli orientamenti dei cristalli e le deformazioni dei denti.
Questo grafico (ingrandisci) mostra che, lungo la direzione del morso, l’enameloide del pesce pappagallo è uno dei più rigidi di tutti i biominerali, e insieme all’enameloide dello squalo è più dura di altri denti vertebrati. (Credit: ACS Nano, 10.1021/acsnano.7b05044)
“La caratteristica dell’intreccio e gli orientamenti dei cristalli sono completamente aperti per essere esplorati per la produzione di materiali sintetici”, ha detto Gilbert. “La tessitura è una delle cose più antiche che le persone hanno imparato a fare. Si potrebbe pensare di tessere i cristalli, poiché i cristalli diventano flessibili quando sono molto sottili.”
Già, ha notato Gilbert, ci sono molti sforzi ben sviluppati per replicare la struttura dello smalto umano usando metodi di nanofabbricazione.
Gilbert e Marcus hanno suggerito che gli esperimenti futuri all’ALS potrebbero concentrarsi su una serie separata di denti (denti faringei) che scompongono ulteriormente i pezzi di corallo nella gola dei pesci pappagallo.
“Il cielo è il limite a questo punto”, ha detto Gilbert. “Questa prima osservazione delle proprietà meccaniche è eccitante, e ora si può fare molto più lavoro sulle proprietà strutturali.”
L’Advanced Light Source è un DOE Office of Science User Facility.
Alla ricerca hanno partecipato anche altri scienziati del Berkeley Lab’s Advanced Light Source e della University of Wisconsin-Madison, insieme a ricercatori della Nanyang Technological University di Singapore. Il lavoro è stato supportato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti Office of Science, dalla National Science Foundation e dalla Singapore National Research Foundation.
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Lawrence Berkeley National Laboratory affronta le sfide scientifiche più urgenti del mondo facendo avanzare l’energia sostenibile, proteggendo la salute umana, creando nuovi materiali e rivelando l’origine e il destino dell’universo. Fondato nel 1931, l’esperienza scientifica del Berkeley Lab è stata riconosciuta con 13 premi Nobel. L’Università della California gestisce il Berkeley Lab per l’Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Per saperne di più, visita www.lbl.gov.
L’Office of Science del Dipartimento dell’Energia è il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più pressanti del nostro tempo. Per maggiori informazioni, visitate science.energy.gov.