En tand med et twist: Forskere knækker koden til narhvalens snoede stødtand

Narhvalens lange, hvide og snoede stødtand er ikke magisk. Men lidt gådefuld er den alligevel. For eksempel er videnskaben endnu ikke sikker på, hvad narhvalen bruger den til.

Men nu har et forskerhold ved hjælp af avancerede 3-D røntgenteknikker fundet ud af, hvordan stødtanden får sin karakteristiske struktur.

Det viser sig, at tanden ikke indeholder én spiral, men to. Udvendigt drejer strukturen venstre om, mens indersiden vender modsat – som en slags biologisk modvægt, hvor to modsatrettede kræfter mødes i midten. Opdagelsen er netop offentliggjort i Nature Communications.

Forskere har længe vidst, at den venstredrejede form må afspejle en særlig organisering af de mineraliserede kollagenfibriller – de mikroskopiske byggesten, der giver tanden styrke – men præcis hvordan denne organisering fungerer, har det været umuligt at kortlægge i tre dimensioner.

Indtil nu.

De virkelig store maskiner

For at se, hvordan byggestenene er orienteret inde i tanden, kombinerede forskerne flere røntgenbilled-teknikker, især en særlig 3D-røntgenteknik kaldet tensor-tomografi. Teknikken fungerer ved at sende kraftige røntgenstråler gennem tanden og analysere, hvordan strålingen spredes af de mineraliserede kollagenfibriller i nanoskala.

Narhvalens stødtand er faktisk den venstre hjørnetand, som vokser gennem kæben og læben og kan blive mere end to meter lang. Til forskel fra mennesketænder har den ingen emalje, men består af dentin på indersiden og cement på ydersiden.

Fordi narhvaltanden både er stor og har en meget kompleks struktur, måtte forskerne anvende de største teknologiske skydevåben i brug. De kombinerede kapaciteten fra tre enorme synkrotroner (partikelaccelerator-røntgenkilder) − MAX IV i Sverige, Swiss Light Source i Schweiz og ESRF i Frankrig − for at opnå tilstrækkelig opløsning og kraft til at kortlægge hele tandens indre i tre dimensioner på atomar, nano- og mikroskala.

Analyserne afslørede et fascinerende mønster: Mens byggestenene primært er orienteret langs tandens længdeakse, afviger de systematisk i små vinkler og skaber en snoet struktur. I det ydre cement danner fibrillerne en venstredrejende spiral, mens de i den indre dentin danner en højredrejende spiral.

Mere indviklet end hidtil antaget

De to modsatrettede strukturer mødes i overgangen mellem dentin og cement – en kompleks biologisk grænse, som nu viser sig at være endnu mere indviklet end hidtil antaget.

Denne dobbelte spiral giver stødtanden gunstige mekaniske egenskaber. Strukturen er langt mere stabil over for bøjning og vridning end både en enkelt spiral eller en lige stang ville være. Det er en arkitektur, der også ses i andre biologiske materialer, som skal modstå store kræfter.

"Ingen har tidligere udført så avanceret et eksperiment af denne type. Vi har kun kunnet gøre det ved at samarbejde på tværs af flere discipliner – nemlig kemi, fysik, materialevidenskab og biologi. Uden samarbejdet med biologerne fra Grønlands Naturinstitut ville vi ikke have været i stand til at fortolke resultaterne," siger Adrian Rodriguez-Palomo, studiets førsteforfatter og postdoc ved Institut for Kemi på Aarhus Universitet.

For at gøre dette tværfaglige foretagende muligt samlede projektet grupper fra Aarhus Universitet, Chalmers Tekniske Universitet og Grønlands Naturinstitut i samarbejde med synkrotronfaciliteterne.

Vækstlag afslører stabilitet

Bemærkelsesværdigt nok viser studiet, at den dobbelte spiralstruktur bevares på tværs af tandens årlige vækstlag – som årringe i træer, men med en konstant drejning. Det tyder på, at den venstredrejede vækst er genetisk programmeret og forbliver stabil gennem hele dyrets liv, der kan strække sig over ca. 80 år.

Opdagelsen løser ikke kun et århundreder gammelt naturvidenskabeligt mysterium om et af havets mest ikoniske dyr. Den giver også ny indsigt i, hvordan naturen konstruerer avancerede materialer med ekstreme mekaniske egenskaber – viden, der på længere sigt måske kan inspirere til design af nye kompositmaterialer inden for blandt andet konstruktion og medicin.

Og så stopper forskerholdets undersøgelser ikke der:

"Da hvaler kan leve i op til 80 år, danner deres tænder en slags historisk optegnelse over skiftende miljøforhold gennem dyrets levetid. Og fordi Nordatlanten for tiden gennemgår meget hurtige forandringer, er det oplagt at undersøge, om vi kan spore disse ændringer i narhvaltandens hårde væv. Så det er vi i gang med nu," siger lederen af forskningsprojektet, professor Henrik Birkedal fra Institut for Kemi på Aarhus Universitet.

Hvad bruger narhvalen sin stødtand til?

De fleste forskere mener i dag, at narhvalens stødtand primært fungerer som et seksuelt signal, da det typisk er hanner, der besidder én.

Men stødtandens rolle har været genstand for debat, delvist fordi en meget lille andel af hunner også udvikler stødtænder − og nogle hanner gør ikke.

Nogle forskere har foreslået, at stødtanden måske kan registrere temperatur, saltindhold og kemiske ændringer i vandet. Det har marinebiologer i Grønland dog ikke fundet bevis for i narhvalens adfærd.

Andre foreslår, at stødtanden kan være et jagtredskab − men hvis det var tilfældet, ville det være logisk, at de fleste hunner også havde stødtænder. Og der er intet tegn på, at hunner uden stødtænder sulter.

Endelig er det muligt, at mandlige narhvaler bruger deres stødtænder i kampe med hinanden. Man har fundet enkelte narhvaler med stykker af stødtand indlejret i deres kroppe, men ingen egentlige beviser for stødtandskamp som normal adfærd.

I øvrigt er narhvalen det eneste dyr med stødtænder, der normalt kun har én. Normalt, fordi nogle mandlige narhvaler udvikler to stødtænder.

Det er også den eneste stødtand i naturen, der er lige.

Og lidt matematik

Strengt taget er narhvalstødtanden ikke en spiral, men en helical kurve på en kegleform – en slags konisk helix. I modsætning til en klassisk spiral i et enkelt plan, snor strukturen sig tredimensionalt rundt om tandens længdeakse. Men fordi stødtanden visuelt ligner en spiral, bruger den videnskabelige artikel (og denne pressemeddelelse) ordet spiral – fuldt ud vidende, at nogle matematikere måske vil løfte et øjenbryn.