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科学家揭开海獭之谜!海獭吃东西为什么不会坏牙齿?来源:中国科普博览 海胆,一种全身布满硬刺的棘皮动物,看这一身自带反伤的装甲,在野外估计没有哪只捕食者敢随便触碰。殊不知,可爱的海獭根本不怕,这是它的主食之一,吃起来“贼香”。 正在吃海胆的海獭 (图片来源:noaa) 海胆的刺,也就是外骨骼,主要由碳酸钙组成,通常为文石形式。文石(Aragonite)是一种碳酸钙(CaCO₃)的晶体形式,与方解石(Calcite)同为碳酸钙的两种不同晶体结构。文石的莫氏硬度为3.5到4,略高于方解石。因为文石具有高硬度和强韧性,所以它能够提供海胆良好的保护。 不只是海胆,文石广泛存在于海洋生物的壳中,如蛤蜊、牡蛎和贻贝等,而这些生物都是海獭的食物。当然,这些也是人类的食物,只是人不会咬破壳吃肉,毕竟把牙咬坏了就得不偿失了。 正在吃贝类的海獭 (图片来源:PA) 每次看到海獭一口咬崩掉蛤蜊的壳吃肉,就感觉自己的牙齿一阵幻痛,听到嘎嘣嘎嘣的声音总觉得自己的牙要崩坏了。 对于人类来说,人的牙齿主要由牙釉质、牙本质、牙髓构成。当牙齿垂直作用于硬壳时,牙釉质会承受很大的压缩应力。由于咀嚼动作的复杂性,牙齿表面还会承受一定的剪切应力,这些力会引起牙釉质的微观结构破坏。反复咀嚼硬壳会导致牙釉质的疲劳损伤,逐渐积累的微小裂纹会扩展,最终导致牙釉质破裂。 研究表明,频繁咀嚼坚硬食物(如坚果壳、冰块)的人,其牙齿损伤率更高。另外,动物实验和人类临床观察均显示,高应力作用下的牙釉质容易发生裂纹和剥落。 享受海胆大餐的海獭 (图片来源:pinterest) 为什么海獭的牙没被咬崩掉呢? 2014年,科学家从冷冻的海獭标本中取得了它的犬齿和第一磨牙,然后将牙齿的根部嵌入环氧树脂中,并切割纵向部分以暴露出Hunter-Schreger带(HSB)。HSB是哺乳动物牙釉质中的一种显微结构特征。 科学家将牙冠横截面切割并抛光至1微米的光洁度,确保表面平整光滑。然后,他们将样本放置在机械测试平台上,使用钨硬质合金的维氏宏压痕仪垂直向下按压釉质,逐渐增加载荷,直到牙齿表面出现一个扇贝状的崩裂。 在实验过程中,科学家们记录了每次崩裂所需的峰值力(PF),以及从压痕点到牙齿边缘的关键崩裂尺寸(h)。通过对12个实验崩裂进行测量,他们发现崩裂尺寸(h)在0.16到0.79毫米之间,而所需的峰值力(PF)在53到605牛顿之间。 通过线性回归分析,可以看出海獭牙釉质的斜率与人类牙釉质无显著差异,但截距显著更高,表明海獭牙釉质的韧性是人类牙釉质的2.8倍。 (图片来源:参考文献2) 最终科学家们还绘制了力量-位移图,并计算了海獭牙釉质的韧性。结果显示,海獭牙釉质的韧性为2.8 MPa m^0.5,显著高于人类牙釉质(约1.0 MPa m^0.5),其牙釉质韧性快是人类的3倍了。 很明显,海獭牙釉质的坚韧性远超人类牙釉质。这主要归功于海獭牙齿中的HSB结构。HSB的交错排列能够有效地分散和吸收应力,防止裂纹沿单一方向扩展,从而增强牙齿的韧性。 a中海獭牙釉质的层层叠叠的交错结构;c在电镜下可以看到牙釉质的密集圆形棱柱结构 (图片来源:参考文献2) 科学家们通过显微镜观察发现,海獭牙釉质中的HSB几乎延伸到牙齿表面,这使得所有的崩裂都涉及交错结构,进一步提高了牙齿的抗裂性,牙自然不容易崩。 而在人类牙齿中,只有较大的崩裂才会涉及HSB,这也是人类牙齿的抗崩裂性较低的原因之一。 海獭还会利用工具开壳 工具使用在动物界并不常见,但在某些物种中,这种行为带来了显著的适应性优势。海獭就是这样一个例子。它们不只牙口好,还会利用石头等工具敲开坚硬的贝壳,从中获取食物。 2023年,在加利福尼亚中部沿海区域,科学家捕捉了196只海獭,并为它们安装了无线电标签,方便跟踪它们的活动,记录每只海獭在觅食时使用工具的情况。而且还定期对海獭进行牙齿检查,评估它们的牙齿损伤情况和牙本质暴露比例。 正在用石头开壳的海獭 (图片来源:参考文献1) 首先,使用工具频率高的雌性海獭能够获取更大、更坚硬的猎物。工具使用频率超过90%的雌性海獭获取的猎物硬度比不使用工具的个体高197%。雄性海獭的工具使用频率与猎物硬度之间没有显著关联,这可能是因为雄性海獭本身体型较大,咬合力更强。 其次,工具使用频率高的海獭牙齿损伤较少。工具使用频率超过50%的个体的牙齿损伤减少了19%(雌性)和16%(雄性)。当然也有一些例外,在1%到6%的个体里,它们的牙齿损伤反而增加,这可能是因为这些个体处理的猎物更硬。 把石块放在胸口协助开壳的海獭 (图片来源:Hakai Magazine) 由此可见,工具使用对南部海獭的觅食和牙齿健康都有着重要影响。使用工具不仅可以帮助海獭获取更多、更坚硬的猎物,还能减少牙齿损伤,保持牙齿健康。 牙口好,脑子聪明,这就是海獭不会咬崩牙的原因。 参考文献: 1、Chris J. Law et al. ,Tool use increases mechanical foraging success and tooth health in southern sea otters (Enhydra lutris nereis).Science384,798-802(2024).DOI:10.1126/science.adj6608 2、Ziscovici C, Lucas P W, Constantino P J, et al. Sea otter dental enamel is highly resistant to chipping due to its microstructure[J]. Biology Letters, 2014, 10(10): 20140484. 来源: 中国科普博览
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