Как распределение ионов магния и железа в зубной эмали меняет ее свойства, и чем бобры отличаются от кроликов и других грызунов.

Пугающий звук бормашины известен практически всем. В отличие от акул, у которых зубы обновляются в течение всей их рыбьей жизни, у человека и большинства млекопитающих они меняются только один раз – с молочных на коренные. Хотя вот у грызунов зубы растут всю жизнь. Связано это с тем, что, как бы банально это не звучало, но грызуны грызут, чем и стачивают равномерно свои зубы. Чтобы эти животные не остались без основного инструмента к существованию, природа дала им механизм постоянного роста зубов, компенсирующий истирание. Но что делать тем, кому зубы даются один раз и на всю жизнь? Исследователи с факультета материаловедения и инженерии Северо-Западного университета определили, какие элементы повышают стойкость зубной эмали и выяснили, почему бобры могут расправляться с деревьями не хуже бензопилы.

Фото: Steve/Flickr.

Уникальную прочность, но и желтый цвет зубам бобра придают железосодержащие минералы. Фото: Billy Liar/Flickr.

Прочные зубы помогают бобрам эффективно валить деревья для собственных нужд. Фото: Malcolm /Flickr.

Зубная эмаль – самая твердая ткань в нашем организме. Основу ее составляют тонкие длинные нити из гидроксиапатита. Толщина одной такой нити всего лишь 50 нанометров, а длина в тысячу раз больше. Для наглядности, если бы у березы высота была в тысячу раз больше диаметра ствола, то дерево имело бы высоту порядка километра. Тысячи таких нитей объединяются в пучки, но все равное еще очень тонкие – в двадцать раз тоньше волоса. Эти пучки располагаются в определенном направлении, образуя нечто вроде армирующего каркаса зубной эмали, а пространство между ними заполняется кристаллическим гидроксиапатитом.  

Гидроксиапатит – это минерал, содержащий ионы кальция, фосфат и гидроксил ионы. И хотя эмаль практически полностью состоит из минеральной основы, даже очень маленькие количества других ионов могут сильно менять ее свойства. Например, если часть кальция, пусть даже самую малую, заменят ионы магния, эмаль станет больше подвержена действию кислот. Попросту говоря, она будет быстрее растворяться. Тот же эффект вызовет замена фосфат-ионов на карбонат. А вот если фосфат-ионы заменят ионы фтора – эмаль заметно улучшит свои свойства. Именно по этому в состав зубной пасты входят фторсодержащие вещества.  

Откуда во рту берется кислота, которая так губительно действует на зубы и почему вредно есть сладкое, хотя оно совсем не кислое? Дело в том, что во рту живут бактерии, и хоть для организма они и не представляют угрозы, но навредить зубной эмали могут. Остатки сахара служат пищей для этих бактерий. Все было бы хорошо, если бы эти самые микроорганизмы не перерабатывали сахар в молочную кислоту, тем самым повышая кислотность среды. Чем более кислая среда – тем быстрее будет разрушаться зубная эмаль. Да-да, тот самый кислотно-основной баланс. Бобры сладким, насколько известно, не злоупотребляют, однако природа все равно наградила их дополнительным механизмом, который делает их зубы крепче. Все суть заключается в тех самых ионах, которые меняют свойства эмали.  

Исследователи взяли образцы эмали зубов мыши, кролика, крысы и бобра и подвергли их тщательному анализу на сложнейшем оборудовании. Они буквально атом за атомом изучили строение нитей, из которых состоит эмаль, и выяснили интересную вещь. Оказывается, что на прочность и сопротивляемость действию кислот главным образом влияет аморфное вещество, которое содержит минералы, богатые железом или магнием. Несмотря на то, что доля такого вещества крайне мала, оно кардинально меняет защитные свойства эмали. Например, эмаль с зубов бобра оказалась в шесть раз более устойчива к кислоте, чем зубная эмаль кролика. Все это за счет соединений железа, в основном ферригидрита. Он придает не только химическую стойкость, но и повышает механическую прочность зубной эмали. Можно сказать что да, у бобра действительно железные зубы!  

Однако, почему же еще не сделали зубную пасту с железосодержащими минералами? Пусть нам не нужно грызть осиновые ветки, но сократить посещения стоматологов было бы весьма приятно. Если вы посмотрите на зубы бобра, то увидите, что они далеко не белые – желтого, или даже коричневого цвета. Это абсолютно здоровые крепкие зубы, а цвет им придают как раз соединения железа. С человеческой точки зрения не очень эстетично, но бобры, кажется, не очень переживают по этому поводу. 

Фото: Steve/Flickr, Billy Liar/Flickr, Malcolm /Flickr

По материалам:  Northwestern Univercity