独角鲸的獠牙是扭曲而神奇的数学奇迹

带獠牙的独角鲸在格陵兰西北部游泳。 图片来源：卡斯滕·埃格旺 

（神秘的地球uux.cn）据《大众科学》（劳拉·拜萨斯）：独角鲸（Monodon monoceros）的鲸牙可能并不算真正的魔法，但它们确实有一些数学上的魔法。它们的獠牙实际上由两个螺旋（或螺旋）组成，而不是一个。鲸牙的外部结构向左扭转，而内部结构则向相反方向扭转。

丹麦奥胡斯大学化学家亨里克·比尔克达尔告诉《大众科学》，“这些螺旋的手总是一样——就像所有人只有左手一样。”据我们所知，这是独一无二的。”

Birkedal 是一项详细介绍该发现的研究的合著者，该研究今天发表在《自然通讯》期刊上。 

水面上展示獠牙的独角鲸。图片来源：Mads Peter Heide-Jørgensen

虽然独角鲸鲸牙技术上是一颗长牙，但它们与我们的牙齿有很大不同。它们的牙齿内侧没有牙釉质（即人类牙齿的坚硬外层），而是有一种叫做牙本质的物质。它们的鲸牙外侧有一层称为骨质的薄层物质。

“在人类中，这会将（水泥）牙齿连接到下颌骨，”Birkedal 解释道。

鲸牙可以长到超过六英尺长，关于它们的使用仍有争议。大多数人认为这类物质是性信号，因为大多数（但不是全部）男性都有。它们还被目击玩耍、觅食，以及用獠牙进行其他非性趣事。

一些科学家认为，鲸牙可能是这些鲸鱼检测水温、盐度和化学变化或进行搏斗的一种方式。然而，证据不足。它很可能也不是狩猎工具，因为雌性也有獠牙是合理的。

独角鲸也是唯一拥有通常只有一颗而非两颗獠牙的动物，但有些雄性独角鲸已知会长出两颗。它也是唯一拥有直鲸牙而非弯曲鲸牙的动物。

一只独角鲸头部的特写，露出獠牙从嘴里伸出。图片：疯子彼得·海德-约根森。

研究人员早已知道，独角鲸鲸牙左手形状必然是由于矿化胶原纤维的特定排列，这些纤维赋予了牙齿的强度。这些牙科构建模块是如何组织的，至今仍是个谜，因为无法在三维中绘制出完整的地图。

在这项研究中，团队结合了多种X射线成像技术，特别是一种特殊的3D X射线技术——张量断层扫描。它通过通过牙齿发送强力X射线，然后分析它们如何从鲸牙中纳米尺度（或十亿分之一米）矿化胶原纤维散射。

由于独角鲸鲸牙体积庞大且结构极其复杂，团队需要使用最先进的技术工具。他们使用了来自三个来源的多个粒子加速器X射线源——瑞典的MAX IV、瑞士的瑞士光源和法国的欧洲同步辐射设施（ESRF）。这些庞大工具是它们获得足够分辨率和能量，在原子、纳米和微观尺度上绘制鲸牙内部全部三维图的唯一途径。

二维微观结构各向异性和取向截面比较。图片来源：Birkedal 等，《自然传播》。

“此前还没有人进行过如此先进的此类实验，”研究合著者阿德里安·罗德里格斯-帕洛莫在一份声明中说。“我们之所以能做到这一点，是因为跨越多个学科——主要是化学、物理、材料科学和生物学。如果没有与格陵兰自然资源研究所生物学家的合作，我们无法解读这些结果。”罗德里格斯-帕洛莫加入该项目时是瑞典查尔姆斯理工大学的博士生，随后在奥胡斯大学继续做博士后研究。

他们发现，虽然鲸牙的构成块主要沿鲸牙长度排列，但它们会系统性地以小角度断裂。这形成了一个扭曲的结构。在牙骨质部分，鲸牙纤维形成左旋螺旋状，而在牙本质内侧，牙齿形成右旋螺旋状。

这两条相对结构在牙本质与牙骨质的过渡点相遇。团队表示，这一复杂的生物边界比之前认为的还要复杂。

鲸牙的双螺旋结构赋予鲸牙更好的机械性能。这使鲸牙比单根螺旋或直杆更能抵抗弯曲和扭转。

团队还发现，双螺旋结构保存在鲸牙的一年生生长层中。这些类似于树轮，可用于评估独角鲸的年龄。双螺旋结构还带有恒定的扭曲，表明左手生长模式是遗传性的，并且在整个动物生命周期中保持稳定。独角鲸寿命可达80年。

除了解开这一自然科学谜团外，它还揭示了自然如何制造具有极端机械性能的先进材料。它可以帮助材料科学家设计建筑和医学领域的新材料。

像所有优秀的研究一样，它结尾留下了几个值得继续探究的问题。

“我们现在正在研究鲸牙的年度生长层分布模式，希望通过獠牙'绘制'独角鲸的生活史，从而洞察北极鲸鱼的生活条件，”Birkedal说。“此外，我们希望能调查颅骨中獠牙生长的地方，以更好地理解其形成过程。”