Бивень нарвала оказался двойной спиралью: математическое чудо природы

Бивень нарвала всегда казался чем-то из области мифов. Длинный, закрученный, торчащий из головы кита, он больше похож на атрибут сказочного существа, чем на продукт эволюции. Но именно эволюция создала конструкцию, которая поразила учёных. На самом деле бивень — это зуб, который растёт у самцов (и изредка у самок) через верхнюю губу. Внутри он состоит из дентина, а снаружи покрыт цементом — тем же материалом, который в человеческом организме крепит зубы к челюсти. Однако его структура оказалась уникальной: внешний слой цемента закручен в левую спираль, а внутренний дентин — в правую. Две противоположные спирали работают как единый механизм, делая бивень устойчивым к изгибу и скручиванию значительно лучше, чем однородный стержень.

Чтобы разглядеть эту двойную спираль, исследователям пришлось использовать синхротроны — огромные ускорители частиц, способные просвечивать объект на наноуровне. Комбинация нескольких рентгеновских методов, включая тензорную томографию, позволила впервые построить трёхмерную карту внутренней архитектуры бивня. Наблюдения велись на трёх синхротронах: в Швеции, в Швейцарии и во Франции. Масштаб эксперимента уникален: до этого никто не пытался картировать столь крупный биологический объект с атомарным разрешением. Результат показал, что волокна коллагена, минерализованные и выстроенные вдоль оси зуба, систематически отклоняются на небольшие углы, формируя закрученную структуру.

Самое удивительное, что левая и правая спирали встречаются в точке перехода между дентином и цементом, образуя биологическую границу сложнее, чем считалось ранее. Причём эта двойная спираль сохраняется в годичных слоях роста бивня — аналогах годовых колец деревьев. Постоянство направления закручивания на протяжении всей жизни животного, которая может достигать восьмидесяти лет, указывает на то, что это свойство закреплено генетически и не меняется под влиянием среды. Для биологов это значит, что по структуре бивня можно будет восстанавливать историю жизни нарвала, словно по архиву, запечатлённому в зубной ткани.

Зачем нарвалу такая сложная конструкция — вопрос открытый. Наиболее распространённая версия: бивень служит половым сигналом, ведь он есть у большинства самцов. Наблюдения также фиксируют, как нарвалы используют бивни в играх, при кормёжке и во взаимодействии с сородичами. Однако вряд ли это оружие для охоты: если бы бивень играл решающую роль в добыче пищи, он был бы нужен и самкам. Некоторые исследователи предполагают, что бивень может воспринимать солёность, температуру и химический состав воды, но убедительных доказательств этому пока нет.

Это открытие не только закрывает давний вопрос о природе бивня, но и даёт инженерам готовый природный образец для создания сверхпрочных материалов. В строительстве и медицине могут пригодиться композиты, имитирующие встречные спирали. Кроме того, сам факт того, что столь сложная структура формируется по генетическому алгоритму, говорит о том, что природа умеет создавать высокотехнологичные конструкции без единого чертежа. Кто знает, возможно, бивень нарвала скрывает ещё не один секрет — исследователи уже собираются изучать место крепления бивня к черепу и годичные слои роста, чтобы понять, как именно формируется это уникальное образование.