Выловив из глубин океана иглозубую рыбу Aristostomias scintillans, биологи вместе с материаловедами разгадали секрет прозрачности ее зубов. Оказалось, что те состоят из наноразмерных структур, что позволяет им пропускать свет и одновременно обеспечивает очень высокую прочность.
Aristostomias scintillans
© Audrey Velasco
Глубоководные рыбы из семейства стомиевых живут там, куда не проникает солнечный свет, на отметках не менее 300 метров. Большинство стомиевых способно заглатывать добычу больше своего собственного тела, многие имеют привлекающие жертв светящиеся органы, а некоторые, например Aristostomias scintillans, еще и прозрачные зубы. При очень слабом свете прозрачные, то есть невидимые в воде, зубы дают заметное преимущество: жертва до последнего не замечает раскрытой под углом 100 градусов и стремительно приближающейся пасти. Тело хищника имеет черный цвет, так что заметить его часто удается лишь при смыкании челюстей вокруг: до этого видны только огоньки, ошибочно принимаемые за свечение мелких и съедобных беспозвоночных организмов.
Зубная эмаль у большинства животных непрозрачна, поэтому зубы Aristostomias scintillans должны были как-то отличаться на микроскопическом уровне. Материаловеды и биологи изучили прозрачные рыбьи зубы со всех сторон, сфотографировав под обычным микроскопом, просканировав эмаль с помощью электронной микроскопии и определив их химический состав инфракрасной и рентгеновской спектроскопией. Кроме того, ученые изучили состав выделяемых при нагреве зубов газов и определили механические свойства эмали, чтобы выяснить, как прозрачность сочетается с прочностью.
Последнее интересно уже не столько биологам, сколько инженерам. Прозрачный, но прочный (твердый и не раскалывающийся) материал востребован всюду: это и покрытие для экранов гаджетов, и остекление кабины пилотов, и иллюминаторы космических кораблей. Материал должен также быть по возможности дешевым, и с этой точки зрения прозрачный рыбий зуб, выращиваемый из доступных веществ без экстремальных температур или давлений, является весьма многообещающим примером для подражания.
Исследователи выяснили, что прозрачные зубы, как и обычные, состоят в основном из гидроксиапатита — минерала, который составляет половину массы костей и свыше 95% массы зубной эмали у абсолютного большинства животных. Гидроксиапатитовая масса также пронизана белковыми трубочками из коллагена, основного компонента соединительной ткани. Секрет прозрачности кроется не в химическом составе, а в организации структуры на микроскопическом уровне. Гидроксиапатитовая часть прозрачного зуба состоит из смеси наноразмерных (всего 20 нм в диаметре) гранул в эмали и еще более тонких стержней внутри дентина, внутреннего слоя зуба.
© Velasco-Hogan et al. / Matter
Такие наностержни уже практически не рассеивают свет. Расчеты ученых показали, что собранная из этих стержней структура оказывается практически идеально прозрачной — ее коэффициент рассеяния составляет меньше 10-4(как у большинства сортов стекла). Добавление к гидроксиапатитовым частицам коллагеновых волокон диаметром около 60 микрометров (60 000 нанометров) несколько портит картину, но, так как доля гидроксиапатита намного выше, зуб остается прозрачным. Как отмечают авторы открытия, обычно зубы животных сформированы гораздо более крупными и потому непрозрачными частицами, а глубоководные рыбы в процессе эволюции научились делать уникальный и не имеющий аналогов наноматериал.
При этом прочность и твердость его не уступают зубам пираньи — рыбы, известной своими мощными челюстями, прожорливостью и агрессивностью. Взрослая пиранья легко перекусывает кевларовое волокно и стальную проволоку, не говоря уж об употребляемой в пищу органике. Исследователи надеются, что их результаты не только помогут понять эволюцию глубоководных рыб, но и окажутся полезны на практике.
Статья опубликована в журнале Matter
Источник: chrdk.ru
