I ricercatori dettagliano le loro scoperte in un articolo pubblicato il 5 giugno sulla rivista Matter.
Le creature marine profonde hanno sviluppato alcuni adattamenti affascinanti come la bioluminescenza, gli occhi che possono vedere in condizioni di scarsa luce e le bocche che possono inghiottire prede molto più grandi. Alcune specie, come il pesce drago d’altura (Aristostomias scintillans), hanno denti trasparenti.
“È un adattamento che, a nostra conoscenza, non è stato ancora esplorato in dettaglio”, ha affermato Audrey Velasco-Hogan, dottoranda in scienze dei materiali presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering e primo autore dello studio. “Studiando perché questi denti sono trasparenti, possiamo capire meglio gli organismi di acque profonde come il pesce drago e gli adattamenti che si sono evoluti per vivere nei loro ambienti.”
I denti trasparenti, insieme a un corpo scuro, rendono il pesce drago essenzialmente invisibile alla loro preda, ha spiegato Velasco-Hogan. A causa di questo camuffamento, i pesci drago sono tra i primi predatori del mare profondo nonostante siano piccoli (misurano circa 15 centimetri di lunghezza) e relativamente lenti.
“Passano la maggior parte del loro tempo seduti con le mascelle aperte, aspettando che arrivi qualcosa. I loro denti sono sempre esposti, quindi è importante che siano trasparenti in modo da non riflettere o disperdere alcuna luce bioluminescente dall’ambiente”, ha detto Velasco-Hogan.
Per risolvere i misteri del travestimento dentale del pesce drago, i ricercatori hanno immaginato e analizzato la nanostruttura dei denti utilizzando una combinazione di microscopia elettronica, fascio ionico focalizzato e test di nanoindentazione. Hanno scoperto che i denti hanno caratteristiche uniche sia nel loro strato esterno simile allo smalto che nello strato interno della dentina.
Lo strato simile allo smalto è costituito da nanocristalli di idrossiapatite strutturati in modo da impedire alla luce di disperdersi o riflettersi sulla superficie dei denti. Anche lo strato di dentina è strutturato in modo particolare. Manca di canali microscopici chiamati tubuli di dentina, che sono ciò che danno i denti degli esseri umani e di altri animali il loro colore. L’assenza di tubuli è anche responsabile della trasparenza dei denti del pesce drago.
“In genere, i denti non sono nanostrutturati. E tendono ad avere caratteristiche di microscala come i tubuli di dentina. Dal punto di vista dei materiali, è davvero interessante vedere che i denti di dragonfish hanno architetture che non vediamo in altri”, ha detto Velasco-Hogan.
“Trovo anche affascinante come ci siano somiglianze fondamentali tra i materiali in laboratorio e in natura”, ha aggiunto. “Sperimentalmente, sappiamo che il modo per rendere trasparente un materiale è riducendo la sua granulometria per renderlo nanostrutturato. Quindi vedere che è anche come la natura sta realizzando la trasparenza è un parallelo interessante.”
Lavoro di squadra interdisciplinare
Velasco-Hogan faceva parte di un team interdisciplinare di ricercatori che furono i primi a studiare i denti di pesce drago in dettaglio. Velasco-Hogan ha fotografato i denti, ne ha caratterizzato la trasparenza e ne ha studiato le proprietà meccaniche. Ha lavorato sotto la direzione di Marc Meyers, professore nei dipartimenti di nanoingegneria e Ingegneria meccanica e aerospaziale presso UC San Diego.
“Il mio gruppo è sempre alla ricerca di nuovi materiali in natura da studiare”, ha detto Meyers, la cui ricerca si concentra sulla biomimetica. “E le collaborazioni interdisciplinari sono una parte fondamentale del nostro lavoro. Quando riuniamo scienziati di diversa provenienza, possiamo far progredire le conoscenze nei nostri campi in modi che un singolo laboratorio non potrebbe fare da solo.”
Hanno collaborato con Dimitri Deheyn, un biologo marino presso la Scripps Institution of Oceanography presso UC San Diego che ricerca bioluminescenza e biomimetica. Deheyn suggerì l’idea per lo studio, raccolse i campioni, condusse esperimenti di imaging e caratterizzò la trasparenza dei denti.
“Sfruttare l’ultimo adattamento che gli organismi mostrano ad ambienti specifici è sempre stato un driver per l’innovazione tecnologica, e il dragonfish non fa eccezione a questo”, ha affermato Deheyn. “C’è chiaramente ancora un’ampia ispirazione da raccogliere dal pesce drago e dalla natura in generale, e questa intercettazione tra biologia e ingegneria attraverso la biomimetica è chiaramente un percorso redditizio per innovazioni sostenibili.”
Il team ha coinvolto anche il laboratorio di Eduard Arzt, direttore dell’Istituto Leibniz per i nuovi materiali (INM) di Saarbrücken, Germania. Marcus Koch, che è a capo di Analisi fisica presso INM, ha analizzato la nanostruttura dei denti con un microscopio elettronico specializzato. Birgit Nothdurft, un tecnico della divisione di analisi fisica presso INM, ha eseguito una preparazione altamente specializzata dei campioni.
Questo lavoro è stato sostenuto dall’Air Force Office of Research (sovvenzioni FA9550-15 – 0009 e FA9550-10-1-0555), la Fondazione tedesca Humboldt e la Biomimicry for Emerging Science and Technology Initiative.