Бивень нарвала закручен не ради красоты, а чтобы выдержать нагрузку

Нарвал таскает перед собой прямой на вид бивень длиной в два человеческих роста. На поверхности видна левая спираль, будто зуб проточили на токарном станке. Тонкий костяной прут такой длины должен ломаться от первого удара о край льдины. Не ломается. Материаловеды из Орхусского университета и Технологического университета Чалмерса решили выяснить, что держит эту конструкцию. Внутри бивня нашлась вторая спираль, невидимая снаружи и закрученная в обратную сторону. Дальше выяснилось, зачем она там нужна.

Клык, который вырос наружу через губу

Бивень нарвала вырастает из разросшегося левого верхнего клыка. У самцов он прорастает сквозь верхнюю губу и тянется вперёд, у самок остаётся спрятанным в челюсти почти всегда. Снаружи бивень покрывает тонкий слой цемента, тот же материал, что удерживает корень обычного зуба в кости. Под цементом лежит дентин, костная ткань, из которой состоит основной объём любого зуба.

Один слой закручен влево, другой вправо

Команда под руководством Хенрика Биркедаля просветила два бивня нарвалов-самцов на трёх ускорителях синхротронного излучения: MAX IV в Швеции, Swiss Light Source в Швейцарии и ESRF во Франции. Такая мощность позволила построить трёхмерную карту того, как в бивне уложены волокна минерализованного коллагена, микроскопических нитей, из которых строится любая кость.

Карта показала то, чего в зубе никто прежде не искал. Волокна в цементе закручены влево, повторяя видимую снаружи спираль. Волокна в дентине под ним закручены вправо, навстречу первым. Две противоположные спирали сходятся ровно на границе между слоями. Отдельно авторы измерили закрутку ещё на шести бивнях и получили тот же рисунок.

Почему встречные спирали не дают бивню сломаться

Один винт волокон в длинном тонком стержне работает как пружина только в одном направлении. При изгибе или скручивании в другую сторону он охотно раскручивается и рвётся. Два винта, закрученные навстречу друг другу, держат стержень с обеих сторон сразу.

Такая сборка устойчивее к изгибу и кручению, чем один слой волокон или прямой пучок, пишут авторы работы. Первый автор статьи Адриан Родригес-Паломо сравнивает решение с инженерными: встречные спирали используют в шестах для прыжков и в опорах ветряных турбин, чтобы конструкция гнулась под нагрузкой, но не разрушалась сразу. По его словам, раньше учёные не видели, чтобы природа собирала такую же схему в цельном зубе настолько крупного масштаба.

Распиленная половина бивня сама раскручивается

Есть деталь, которая выдаёт эту скрытую борьбу двух спиралей напрямую. Если бивень распилить пополам вдоль оси, свободные половинки сами перекручиваются больше чем на пол-оборота, от основания к кончику. Так наружу выходит внутреннее напряжение, которое обычно держит в равновесии встречная закрутка дентина и цемента.

Чтобы измерить эту разницу точными числами, дентин вырезали на образцы вдоль оси бивня и поперёк неё и погнули каждый на испытательном стенде. Образцы вдоль оси гнулись и трескались постепенно, с видимым сопротивлением. Поперечные ломались сразу и без предупреждения. Жёсткость вдоль оси оказалась почти на две трети выше, чем поперёк. Такая разница слишком велика для случайного разброса образцов.

Спираль заложена задолго до первого удара об лёд

Бивень растёт всю жизнь нарвала, а живут они больше восьмидесяти лет. Авторы сверили годовые кольца роста в дентине, похожие на кольца на спиле дерева, и увидели, что рисунок закрутки не меняется ни в одном слое. Спираль не подстраивается под то, как зверь плавает или бьётся об лёд. Она заложена с самого начала роста зуба.

Как именно клетки собирают из волокон коллагена сразу два встречных винта, авторы не знают. Сам механизм формирования такой структуры в растущем зубе остаётся открытым вопросом, пишут они. Образцов было немного, и это обычная плата за работу с редким и трудно добываемым материалом вроде бивня нарвала.

Бивень, который на льду выглядит рискованно тонким прутом, оказывается зубом с инженерным расчётом внутри. Видимая снаружи левая спираль решает лишь верхний слой этой задачи. Настоящая работа, которая держит бивень целым, спрятана глубже, во встречной правой спирали дентина.