科学家发现,澳洲淡水龙虾红螯螯虾(Cherax quadricarinatus)的牙齿被一种搪瓷所覆盖,与脊椎动物的有惊人类似处,这两种磷酸钙物质的显微结构非常相似,淡水小龙虾却独立地发育了这种极其坚硬的物质,因为会使它的牙齿特别坚硬。
就硬度而言,釉质设定了一个独特标准,这个标准几乎不被其他任何生物材料所达到。在脊椎动物和淡水小龙虾的进化过程中,都发展了彼此独立的釉质结构。在人和其他脊椎动物中,牙冠外层的硬度和强度是由于磷酸钙微小晶体,这种晶体也会使骨骼坚固。虽然釉质的组成和结构已使其非常坚固,淡水小龙虾还是进化产生了一种高度矿化的颌骨防护层,与脊椎动物釉质非常相似。
淡水小龙虾的颌骨是表皮的一部分,而表皮基本上由甲壳素纤维网状系统组成。外壳因为无序碳酸钙而特别坚硬,这种无序碳酸钙术称为无定形碳酸钙。然而,在淡水小龙虾的颌骨上,甲壳素的柔软复合材料和无定形碳酸钙被一层薄薄的物质所覆盖,这一薄层物质就像人类的牙釉质,主要由结晶磷酸钙组成。值得注意的是,无脊椎动物外骨骼中很少发现这种构成性的磷酸钙。晶体的细长形状及其牙齿表面的垂直排列也很大程度地符合了人类牙釉质结构,产生类似的力学性能。该结构使材料非常坚固,同时对裂纹扩展具有高度抗性,使牙齿受到完美保护而免受破坏。另外,淡水小龙虾的釉质含有高水平的氟化物,这使釉质的水溶性更低;淡水小龙虾的栖息地特别重要,因为在盐水相比,含钙矿物更易溶于淡水中。
另一方面,淡水小龙虾一边生长一边一次次地更新角质层,并从甲壳素组织中溶出无定形碳酸钙,将其部分存储以便在新壳中再用,利用余下的角质层来脱换和重建昂贵的釉质。在这方面,淡水小龙虾先进于人类,它们以低代谢成本一次又一次地更新牙齿,而人类的釉质,尽管坚硬,却逐渐地磨损,也不能被替换。(生物谷bioon.com)
doi:10.1038/ncomms1839
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Enamel-like apatite crown covering amorphous mineral in a crayfish mandible
Shmuel Bentov, Paul Zaslansky, Ali Al-Sawalmih, Admir Masic, Peter Fratzl, Amir Sagi, Amir Berman, Barbara Aichmayer
Carbonated hydroxyapatite is the mineral found in vertebrate bones and teeth, whereas invertebrates utilize calcium carbonate in their mineralized organs. In particular, stable amorphous calcium carbonate is found in many crustaceans. Here we report on an unusual, crystalline enamel-like apatite layer found in the mandibles of the arthropod Cherax quadricarinatus (freshwater crayfish). Despite their very different thermodynamic stabilities, amorphous calcium carbonate, amorphous calcium phosphate, calcite and fluorapatite coexist in well-defined functional layers in close proximity within the mandible. The softer amorphous minerals are found primarily in the bulk of the mandible whereas apatite, the harder and less soluble mineral, forms a wear-resistant, enamel-like coating of the molar tooth. Our findings suggest a unique case of convergent evolution, where similar functional challenges of mastication led to independent developments of structurally and mechanically similar, apatite-based layers in the teeth of genetically remote phyla: vertebrates and crustaceans.