研究人员发现了什么使深海龙鱼牙齿透明

由加州大学圣地亚哥分校领导的一个研究小组发现了使深海龙鱼的牙齿透明的原因。这种独特的适应性,有助于将龙鱼伪装成猎物,这是因为它们的牙齿具有异常结晶的纳米结构和非晶区域。该研究结果可为希望开发透明陶瓷的研究人员提供“生物吸入”。

研究人员在6月5日发表在Matter杂志上的一篇论文中详细介绍了他们的发现。

深海生物已经进化出一些令人着迷的适应性,例如生物发光,可以在低光下看到的眼睛,以及可以吞噬更大猎物的嘴巴。有些物种,如深海龙鱼(Aristostomias scintillans),有透明的牙齿。

“据我们所知,这是一项改编,尚未详细探讨,”加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院材料科学博士生,该研究的第一作者奥黛丽·韦拉斯科 - 霍根说。“通过研究为什么这些牙齿是透明的,我们可以更好地了解像龙鱼这样的深海生物以及它们在环境中生长的适应性。”

Velasco-Hogan解释说,透明的牙齿以及黑暗的身体使得龙鱼基本上对猎物不可见。由于这种伪装,龙鱼虽然体积小(长约15厘米)而且相对较慢,但却是深海的顶级捕食者之一。

“他们大部分时间都是坐在他们的下颚周围,等待一些东西来。他们的牙齿总是露出来,所以重要的是它们是透明的,这样它们就不会反射或散射来自环境的任何生物发光光,” Velasco-Hogan说。

为了解决龙鱼牙科伪装的奥秘,研究人员使用电子显微镜,聚焦离子束和纳米压痕测试的组合对牙齿的纳米结构进行成像和分析。他们发现牙齿的外釉质层和内牙本质层都具有独特的特征。

釉质状层由羟基磷灰石纳米晶体组成,其结构以防止光从牙齿表面散射或反射的方式。牙本质层也以其自己的特定方式构造。它缺乏称为牙本质小管的微观通道,这是人类和其他动物牙齿的颜色。没有小管也是使龙鱼牙齿透明的原因。

“通常,牙齿不是纳米结构的。它们往往具有微观特征,例如牙本质小管。从材料的角度来看,看到龙鱼牙齿具有我们在其他牙齿中看不到的结构非常有趣,”Velasco-Hogan说。

“我还发现,实验室和自然界中的材料之间存在着根本的相似性,这很有趣,”她补充道。“从实验上来说,我们知道制作材料透明的方法是减少其粒度,使其成为纳米结构。因此,要看到大自然如何实现透明度也是一个有趣的平行线。”

跨学科团队合作

Velasco-Hogan是跨学科研究团队的成员,他们是第一个详细研究龙鱼牙齿的研究人员。Velasco-Hogan对牙齿进行成像,对其透明度进行了表征,并研究了它们的机械性能。她在加州大学圣地亚哥分校的纳米工程和机械与航空航天工程系教授Marc Meyers的指导下工作。

“我的团队一直在寻找自然界中的新材料来研究,”迈尔斯说,他的研究主要集中在仿生学上。“跨学科合作是我们工作的重要组成部分。当我们将来自不同背景的科学家聚集在一起时,我们可以通过单个实验室无法单独完成的方式推进我们领域的知识。”

他们与加州大学圣地亚哥分校Scripps海洋研究所的海洋生物学家Dimitri Deheyn合作,他研究生物发光和仿生学。Deheyn提出了研究的想法,收集了标本,进行了成像实验,并对牙齿的透明度进行了表征。

“利用最终的适应生物显示特定的环境一直是技术创新的驱动力,龙鱼也不例外,”Deheyn说。“从龙鱼和大自然中总体上可以获得广泛的灵感,通过仿生学在生物学和工程学之间的这种拦截显然是可持续创新的有利途径。”

该团队还参与了德国萨尔布吕肯莱布尼茨新材料研究所(INM)主任Eduard Arzt的实验室。INM物理分析主管Marcus Koch用专业电子显微镜分析了牙齿的纳米结构。INM物理分析部门的技术人员Birgit Nothdurft对标本进行了高度专业化的准备。

这项工作得到了空军研究办公室(授予FA9550-15-0009和FA9550-10-1-0555),德国洪堡基金会和新兴科学技术倡议仿生学的支持。