Группа исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружила, что делает зубы глубоководной рыбы-дракона прозрачными. Эта уникальная адаптация, которая помогает маскировать рыбу-дракона от добычи, является результатом того, что их зубы имеют необычно кристаллическую наноструктуру, смешанную с аморфными областями. Полученные данные могут вдохновить исследователей на разработку прозрачной керамики.
Исследователи подробно изложили свои выводы в статье, опубликованной 5 июня в журнале Matter.
Глубоководные существа развили некоторые удивительные приспособления, такие как биолюминесценция, глаза, которые могут видеть при слабом освещении, и рты, которые могут поглощать гораздо более крупную добычу. У некоторых видов, таких как глубоководная рыба-дракон (Aristostomias scintillans), зубы прозрачные.
«Это адаптация, которая, насколько нам известно, еще не была подробно изучена», - сказала Одри Веласко-Хоган, аспирант по материаловедению в Инженерной школе Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего и первый автор исследования.. «Изучая, почему эти зубы прозрачны, мы можем лучше понять глубоководные организмы, такие как рыба-дракон, и приспособления, которые они развили, чтобы жить в окружающей среде».
Прозрачные зубы, наряду с темным телом, делают стрекоз практически невидимыми для их добычи, объяснил Веласко-Хоган. Из-за этого камуфляжа стрекозы являются одними из главных хищников морских глубин, несмотря на то, что они маленькие (около 15 сантиметров в длину) и относительно медлительные.
Они проводят большую часть своего времени, сидя с открытыми челюстями, ожидая, что что-то появится. Их зубы всегда обнажены, поэтому важно, чтобы они были прозрачными, чтобы не отражать и не рассеивать биолюминесцентный свет. от окружающей среды», - сказал Веласко-Хоган.
Чтобы разгадать тайну маскировки зубов рыбы-дракона, исследователи визуализировали и проанализировали наноструктуру зубов, используя комбинацию электронной микроскопии, сфокусированного ионного пучка и тестов наноиндентирования. Они обнаружили, что зубы обладают уникальными характеристиками как во внешнем эмалево-подобном слое, так и во внутреннем слое дентина.
Эмальподобный слой состоит из нанокристаллов гидроксиапатита, структурированных таким образом, что свет не рассеивается и не отражается от поверхности зубов. Слой дентина также устроен по-своему. В нем отсутствуют микроскопические каналы, называемые дентинными канальцами, которые придают зубам человека и других животных их цвет. Отсутствие канальцев также отвечает за прозрачность зубов стрекозы.
«Как правило, зубы не имеют наноструктуры. И они, как правило, имеют микромасштабные особенности, такие как дентинные канальцы. С точки зрения материалов действительно интересно видеть, что зубы стрекозы имеют архитектуру, которую мы не видим у других», Веласко - сказал Хоган.
«Я также нахожу захватывающим фундаментальное сходство между материалами в лаборатории и в природе», - добавила она. «Экспериментально мы знаем, что сделать материал прозрачным можно, уменьшив размер его зерна, чтобы сделать его наноструктурным. Так что увидеть, как природа добивается прозрачности, - интересная параллель».
Междисциплинарная командная работа
Веласко-Хоган был частью междисциплинарной группы исследователей, которые первыми подробно изучили зубы стрекозы. Веласко-Хоган сделал снимки зубов, охарактеризовал их прозрачность и изучил их механические свойства. Она работала под руководством Марка Мейерса, профессора кафедры наноинженерии, машиностроения и аэрокосмической инженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего.
«Моя группа всегда ищет новые материалы в природе для изучения», - сказал Мейерс, чьи исследования сосредоточены на биомимикрии. «И междисциплинарное сотрудничество является ключевой частью нашей работы. Когда мы объединяем ученых из разных областей, мы можем продвигать знания в наших областях таким образом, что одна лаборатория не может сделать в одиночку».
Они сотрудничали с Дмитрием Дехейном, морским биологом из Института океанографии Скриппса в Калифорнийском университете в Сан-Диего, который занимается исследованиями биолюминесценции и биомимикрии. Дехейн предложил идею исследования, собрал образцы, провел эксперименты по визуализации и охарактеризовал прозрачность зубов.
«Использование максимальной адаптации организмов к конкретной среде всегда было движущей силой технологических инноваций, и рыба-дракон не является исключением», - сказал Дехейн.«Очевидно, что по-прежнему существует широкое вдохновение для сбора информации о стрекозе и природе в целом, и этот перехват между биологией и инженерией посредством биомимикрии, несомненно, является прибыльным путем для устойчивых инноваций».
Команда также привлекла лабораторию Эдуарда Арцта, директора Института новых материалов имени Лейбница (INM) в Саарбрюккене, Германия. Маркус Кох, руководитель отдела физической аналитики INM, проанализировал наноструктуру зубов с помощью специального электронного микроскопа. Биргит Нотдурфт, техник отдела физической аналитики INM, провела высокоспециализированную подготовку образцов.