Hajar tappar tänder hela livet och ersätter dem i ett slags oändligt roterande Rolodex, medan människor förstås bara får våra två set. Bävers tänder växer som bekant hela livet och måste slitas ner för att förhindra skador.
Ny forskning dyker upp i Interface Focus har nu placerat ett annat djur i den självvässande uppsättningen, Schistocerca gregaria, ökengräshoppan.
Ulrike G. K. Wegst, forskningsdocent i fysik vid Northeastern University, har upptäckt att exoskelett av gräshoppor bygger upp koncentrationer av zink i underkäken, vilket härdar deras "spadeformade mundelar" - enligt forskningen - i förhållande till den omgivande nagelbanden.
En gräshoppas exoskelett består av kitin, ett fibröst material som inte liknar cellulosa som finns i växter och som är vanligt för både insekter och marint liv som kräftdjur.
Ett djurs kitin varierar beroende på användning. I vissa delar av kroppen behöver den flexibilitet – t.ex. runt käkarna som måste öppnas och stängas – och i andra behöver den betydande hårdhet.
Forskningen genomfördes i samarbete med biologen Oliver Betz, från universitetet i Tübingen, och Peter Cloetens, från European Synchrotron, och undersökte hur zinkhärdade delar av gräshoppornas underkäkar skärper sig när de används.
Gräshoppans käftar är inte olik mänskliga käkar, eftersom en uppsättning överlappar den andra uppsättningen något, även om gräshoppor öppnar och stänger horisontellt.
När de två halvorna rinner förbi varandra skärper de härdade kanterna varandra.
Wegst, som är specialiserad på materialvetenskap, identifierade en uttalad "zinkkant"-beklädnad längs underkäken genom användning av en synkrotron - en sorts partikelaccelerator - som använde "monokromatisk energiröntgenstrålning."
Fördelen med synkrotronljus ligger i dess intensitet:"Vi kan reducera spektrumet till en mycket smal energi. Faktum är att vi kan göra det monokromatiskt," säger Wegst, "så jag kan fortfarande ha tillräckligt med energi för att avbilda, men jag kan också placera denna energi exakt."
Material absorberar röntgenstrålar differentiellt, och tack vare synkrotronens snäva stråle kunde forskarna använda en subtraktiv avbildningsprocess för att "mäta mängden zink å ena sidan", säger Wegs, och "enklare se hur det är fördelat. i tre dimensioner."
Genom att bygga en tredimensionell modell av gräshoppornas käkar kunde Wegst sedan identifiera hur de hårdare framkanterna på gräshoppornas underkäkar skär bort det mjukare kitinet runt dem när de användes, och därmed bibehålla en skarpare kant.
"Vad jag försöker få fram här i min framkant är en hög hårdhet" som kan stå emot mycket nötande, träartade material, säger Wegst. Att "se till att skäreggarna förblir vassa så länge som möjligt", fortsätter hon, kan uppnås "genom att en av dessa kanter skaver mot den andra. Så varje gång den skär något skärper den sig också."
Men slitage är oundvikligt, trots denna "mycket smarta mekanism", som Wegst kallar det. Så småningom kommer kanten att slitas ner – men, konstaterar Wegst, gräshoppan fäller regelbundet sitt exoskelett och växer tillbaka sitt kitinösa yttre skal och de hårda, zinkberikade mundelarna.
Föreställ dig att du använder en trubbig kniv istället för en vass, säger Wegst. "Det kostar mer energi att skära, så för ett djur som behöver äta och bevara energi är en effektiv skärmekanism faktiskt en strategi för att överleva. Om jag har trubbiga skärverktyg — och jag får min nya kniv om sex veckor — Jag kanske svälter emellan."
"Djuret som har den självskärpande mekanismen har en fördel", fortsätter hon, "men det är också dyrt" för gräshoppan att konsumera så mycket zink som den behöver och distribuera den genom de rätta områdena i exoskelettet. "Det är en balans som organismen verkar vara påfallande," bibehåller en effektiv distribution "bara i de områden där [zinken] behövs mest."
Hur zinken når underkäken, och hur gräshopporna konsumerar tillräckligt av det, förblir öppna frågor för vidare forskning.
Även om de kan finnas där ute, säger Wegst att "vi inte har sett någon annan art än ... där vi har ett liknande arrangemang av skäreggar i förhållande till varandra."
Men Wegst förutser också att biomimetiska designidéer kommer upp ur denna forskning. Men det betyder inte att man designar en-till-en-kopior. Snarare innebär "biomimetik", säger hon, "att förstå funktionsprinciperna."
Den enkla principen att placera "resurser i specifika områden för att göra något skadetolerant, motståndskraftigt och bara långlivat", säger Wegst, "så länge min struktur behöver överleva", ger mycket att lära av.
Mer information: Ulrike G. K. Wegst et al, Desert locusts (Schistocerca gregaria ) livnär sig med självvässande, saxliknande mandibler, Interface Focus (2024). DOI:10.1098/rsfs.2023.0069
Tillhandahålls av Northeastern University
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av Northeastern Global News news.northeastern.edu.
