Naukowcy badali mikrostrukturę zębów żrących koralowce papugoryby stromogłowej, na zdjęciu, aby dowiedzieć się o jej potężnym ukąszeniu. (Credit: Alex The Reef Fish Geek/Nautilus Scuba Club, Cairns, Australia)
Więc, myśleliście, że fikcyjny pożerający ludzi żarłacz biały z filmu „Szczęki” miał potężny zgryz.
Ale nie przeoczcie potężnego pyska papugoryby – jej wytrzymałe zęby pozwalają jej na żucie koralowców przez cały dzień, ostatecznie przeżuwając i mieląc je poprzez trawienie na drobny piasek. Zgadza się: to właśnie jej „dziób” tworzy plaże. Pojedyncza papugoryba może wyprodukować setki funtów piasku rocznie.
Teraz badania naukowców – w tym tych z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) Departamentu Energii – ujawniły mikrostrukturę przypominającą splot łańcuchowy, która nadaje zębom papugoryby ich niezwykły zgryz i odporność.
Naturalna struktura, którą zaobserwowali, stanowi również wzór do tworzenia ultra wytrzymałych materiałów syntetycznych, które mogłyby być użyteczne w komponentach mechanicznych w elektronice oraz w innych urządzeniach, które poddawane są powtarzającym się ruchom, ścieraniu i naprężeniom kontaktowym.
Matthew Marcus, pracownik naukowy pracujący w Berkeley Lab’s Advanced Light Source (ALS) – źródło promieniowania rentgenowskiego znane jako synchrotronowe źródło światła, które było integralną częścią badań nad papugorybami – zaintrygował się papugorybami podczas wizyty w 2012 roku na Wielkiej Rafie Koralowej u wybrzeży Australii.
Zobacz animację tego obrazu. Ten obraz, wygenerowany z danych rentgenowskiej tomografii mikrokomputerowej zebranych w Berkeley Lab’s Advanced Light Source, pokazuje widok jednej czwartej dzioba papugi. Gęstsza, podobna do szkliwa struktura (szkliwo) jest pokazana w kolorze żółtym i zielonym, a tkanka kostna (zębina) za każdym zębem i otaczająca kość jest pokazana w kolorze cyjanowym i niebieskim. (Berkeley Lab)
Wideo z życia morskiego, które oglądał na oceanicznej łodzi wycieczkowej przypomniało mu o roli papugorybów w rozbijaniu koralowców na drobny piasek. Biesiadują one głównie na polipach i glonach, które żyją na powierzchni szkieletów koralowców, i pomagają w oczyszczaniu raf. Twardość zębów papug mierzona w pobliżu powierzchni gryzącej jest około 530 ton ciśnienia na cal kwadratowy – odpowiednik stosu około 88 słoni afrykańskich – skompresowany do cala kwadratowego przestrzeni.
„Przypomniało mi się, że jest to ryba, która chrupie koral przez cały dzień i jest odpowiedzialna za wiele z białego piasku na plażach”, powiedział Marcus. „Ale jak ta ryba może jeść koralowce i nie tracić zębów?”
Powróciwszy do ALS, Marcus zapytał Pupę Gilbert – biofizyka i profesora na wydziale fizyki Uniwersytetu Wisconsin-Madison, który bada, jak żywe organizmy produkują minerały – czy jest zainteresowana badaniem zębów papugoryby.
Gilbert powiedziała, że „odpowiedziała entuzjastycznie” na wyzwanie. Prowadziła międzynarodowy zespół w badaniu, otrzymując dzioby papug od współpracowników w Polinezji Francuskiej. Jej współpracownicy z Uniwersytetu Technicznego Nanyang w Singapurze – Ali Miserez, profesor nadzwyczajny, który bada materiały biologiczne o unikalnych właściwościach, i jego grupa – przeprowadzili pomiary mechaniczne na potrzeby badania. Gilbert przeprowadził większość badań strukturalnych, aby zrozumieć, jak działają zęby papugoryby.
Marcus był pierwszym autorem najnowszego badania, prowadzonego przez Gilberta i opublikowanego 20 października w czasopiśmie ACS Nano. Gilbert wcześniej włączyła Marcusa do jednego ze swoich badań, które koncentrowały się na nacre, odpornej na złamania, opalizującej powłoce znanej jako masa perłowa, która pokrywa wnętrze muszli niektórych mięczaków. Nacre zainspirowało R&D do pracy nad naśladowaniem jej właściwości wytrzymałościowych przy użyciu materiałów syntetycznych.
Te i podobne badania opierały się na technice znanej jako PIC (polarization-dependent imaging contrast) mapping, którą Gilbert wynalazł i nadal rozwija w ALS. W technice PIC polaryzacja promieniowania rentgenowskiego jest obracana, co umożliwia analizę i wyświetlanie orientacji kryształów w nanoskali w gąbce i innych biominerałach.
„ALS jest pierwszym miejscem, w którym wykonano mapowanie PIC”, powiedział Gilbert. „Możesz zrozumieć na pierwszy rzut oka, jak każdy nanokryształ na danym obrazie jest zorientowany.”
Dodaje: „Jeśli patrzysz na ząb, kość, muszlę mięczaka lub kawałek koralowca, jest to bardzo interesujące. To mówi ci, jak nanokryształy są ułożone względem siebie. Można zobaczyć te piękne obrazy, które wyglądają lepiej niż sztuka abstrakcyjna, i dowiedzieć się, jak biominerały tworzą się i funkcjonują.”
Technika oparta na promieniowaniu rentgenowskim znana jako mapowanie PIC pokazuje rozmiar i orientację włókien z tyłu (po lewej), w środku (w środku) i na czubku (po prawej) warstwy szkliwa zęba papugi. Kąt orientacji kryształów jest oznaczony kolorem (wykres na dole). (Credit: Berkeley Lab)
W najnowszym badaniu Gilbert, Marcus i Miserez chcieli zobaczyć, jak drobna struktura kryształów zębów papug przyczynia się do ich niesamowitej siły. Naukowcy byli w stanie zwizualizować orientację poszczególnych kryształów, co pokazało ich misternie utkaną strukturę.
Fluorapatyt, minerał odpowiedzialny za strukturę krystaliczną zębów papug, zawiera wapń, fluor, fosfor i tlen.
Badania wykazały, że kryształy fluorapatytu, które nadają zębom papug ich siłę, mierzą około 100 nanometrów (miliardowych części metra) szerokości i kilka mikronów (milionowych części metra) długości, i są montowane w splecione wiązki. Wiązki zmniejszyć średnią średnicę od około 5 mikronów do około 2 mikronów w kierunku końcówki każdego zęba.
While szkliwa zębów z wielu różnych gatunków zwierząt może pojawić się podobne do konwencjonalnych mikroskopów, Gilbert zauważył, że te obrazy mogą przeoczyć unikalną orientację kryształów w strukturze szkliwa zębów. A orientacja kryształów, powiedziała, „opowiada wielką historię o tym, jak różne zęby są wyspecjalizowane do różnych funkcji.”
W przypadku papug, stale rosnące rzędy zębów, które tworzą strukturę przypominającą dziób, która stale zastępuje starsze, zużyte zęby nowymi, są również integralną częścią ich wyspecjalizowanego zachowania żywieniowego. Tylko chitony mają twardsze zęby niż papugoryby, powiedział Gilbert, i żaden inny biominerał nie jest sztywniejszy niż zęby papugoryby w ich końcówce gryzącej.
Ta trójwymiarowa animacja w fałszywych kolorach (zobacz większą animację) pokazuje układ rzędów zębów papugoryby. (Credit: Berkeley Lab)
„Zęby papug są najfajniejszymi biominerałami ze wszystkich”, powiedział Gilbert. „Są najsztywniejsze, wśród najtwardszych i najbardziej odporne na złamania i na ścieranie, jakie kiedykolwiek zmierzono”. Papugoryby mają około 1000 zębów usytuowanych w około 15 rzędach, a każdy ząb jest połączony cementem ze wszystkimi pozostałymi i otoczony kością, tworząc solidny dziób – zęby rekina, dla kontrastu, nie są połączone ze sobą w ten sposób.
Pomiary mechaniczne na potrzeby badania, które skupiło się na próbkach zębów papugoryby stromogłowej (Chlorurus microrhinos), wykazały, że twardość i sztywność wzrasta w kierunku czubka każdego zęba. Eksperymenty mapowania PIC w ALS ujawniły, że wraz ze wzrostem twardości i sztywności, średnica wiązek krystalicznych zwęża się.
Oprócz badań mapowania PIC, w których wykorzystano narzędzie znane jako fotoemisyjny mikroskop elektronowy (PEEM) w ALS, oddzielne eksperymenty ALS wykorzystały technologię obrazowania 3-D znaną jako mikrotomografia rentgenowska i inną metodę rentgenowską znaną jako mikrodyfrakcja do dalszej analizy orientacji kryształów i odkształceń zębów.
Ten wykres (zobacz większy) pokazuje, że wzdłuż kierunku gryzienia, szkliwo papugowców jest jednym z najsztywniejszych ze wszystkich biominerałów, a razem z szkliwem rekinów jest twardsze niż inne zęby kręgowców. (Credit: ACS Nano, 10.1021/acsnano.7b05044)
„Cecha splotu i orientacje kryształów są całkowicie otwarte do zbadania w celu produkcji materiałów syntetycznych”, powiedział Gilbert. „Tkactwo jest jedną z najstarszych rzeczy, które ludzie nauczyli się robić. Można by pomyśleć o tkaniu kryształów, ponieważ kryształy stają się elastyczne, gdy są bardzo cienkie.”
Już teraz, zauważył Gilbert, istnieje wiele dobrze rozwiniętych działań mających na celu odtworzenie struktury ludzkiego szkliwa przy użyciu metod nanofabrykacji.
Gilbert i Marcus zasugerowali, że przyszłe eksperymenty w ALS mogą skupić się na oddzielnym zestawie zębów (zęby gardłowe), które jeszcze bardziej rozbijają kawałki koralowców w gardłach papug.
„The sky’s the limit at this point,” powiedział Gilbert. „Ta pierwsza obserwacja właściwości mechanicznych jest ekscytująca, a teraz można wykonać o wiele więcej pracy nad właściwościami strukturalnymi.”
The Advanced Light Source jest DOE Office of Science User Facility.
W badaniu brali również udział inni naukowcy z Berkeley Lab’s Advanced Light Source i University of Wisconsin-Madison, wraz z badaczami z Nanyang Technological University w Singapurze. Praca była wspierana przez Departament Energii USA, Biuro Nauki, Narodową Fundację Nauki oraz Narodową Fundację Badań Naukowych w Singapurze.
# # #
Lawrence Berkeley National Laboratory zajmuje się najpilniejszymi wyzwaniami naukowymi na świecie, rozwijając zrównoważoną energię, chroniąc ludzkie zdrowie, tworząc nowe materiały oraz odkrywając pochodzenie i losy wszechświata. Założone w 1931 roku, Berkeley Lab zostało uhonorowane 13 Nagrodami Nobla. Uniwersytet Kalifornijski zarządza Berkeley Lab dla Biura Nauki Departamentu Energii USA. Więcej informacji można znaleźć na stronie www.lbl.gov.
Biuro Nauki Departamentu Energii jest największym pojedynczym podmiotem wspierającym badania podstawowe w dziedzinie nauk fizycznych w Stanach Zjednoczonych i pracuje nad rozwiązaniem niektórych z najbardziej palących problemów naszych czasów. Aby uzyskać więcej informacji, odwiedź stronę science.energy.gov.