Учёные выяснили, как улитки пережёвывают пищу и зачем нужны разные части их «ротового инструмента»

Их особые ротовые части помогают улиткам адаптироваться к широкому разнообразию пищи и мест обитания. Исследовательской группе из Зоологического института Кильского университета (CAU) и Центра естествознания (CeNak) Гамбургского университета впервые удалось биомеханически измерить механические характеристики зубов и вывести из этого различные функциональные взаимосвязи. Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences.

В мире существует более 80 000 видов улиток, как наземных, так и водных. Они адаптировались к своим местам обитания и источникам пищи, в том числе, за счёт адаптации своего зубного ряда — так называемой радулы. Этот ротовой инструмент состоит из хитиновой ленты, покрытой десятками или тысячами крошечных зубов, расположенных продольными и поперечными рядами. Как и почти все моллюски, улитки используют эту тёрку-язык для измельчения и обработки пищи. Их зубы мягче, чем субстрат, с которого они снимают пищу. «Тем не менее, мы выяснили в предыдущем эксперименте, что отдельные кончики зубов могут воздействовать на пищу и её субстрат с давлением до 4700 бар. Это очень высокое точечное давление приводит к быстрому износу зубов. Поэтому животные формируют несколько новых рядов зубов в день», — объясняет доктор Венке Крингс, научный сотрудник CeNak в Гамбурге.

Эксперименты демонстрируют разные функции зубов

Вместе с профессором Станиславом Н. Горбом и доктором Александром Ковалёвым из рабочей группы «Функциональная морфология и биомеханика» Зоологического института Кильского университета ей впервые удалось измерить характеристики зубов в биомеханическом эксперименте и описать разные функции для разных зубов радулы. Для этого кончики зубов нагружали до разрушения с помощью иглы, прикреплённой к датчику силы. Регистрировали силы, которые вызывали поломку зубов или разрушение радулы. «С помощью анализа сканирующим электронным микроскопом мы измерили площади излома, чтобы рассчитать физическое напряжение, которое могут выдержать структуры», — говорит Горб. Для этого использовали зубы улиток из существующих научных коллекций.

Оказалось, что некоторые типы зубов могут выдерживать значительно большее напряжение, чем другие. Это говорит о том, что разные области радулы имеют разные функции. Одни зубы служат для соскабливания пищи с поверхности, другие — для её сбора. Этот результат также подтверждается дополнительными исследованиями материальных свойств зубов: «Зубы видов из некоторых местообитаний значительно твёрже, чем из других, что показывает, насколько сильно механические свойства радулы коррелируют со свойствами субстрата и пищи», — говорит Крингс.

У некоторых улиток эти региональные различия обусловлены отложениями железа. Однако у изученных здесь видов, как и у большинства улиток в целом, железа не обнаружено. Структуры состоят из хитин-белкового композита, поэтому должны быть другие причины наличия механических градиентов. Плотность и расположение хитиновых волокон, а также степень задубления зубов, стабилизирующего молекулярную сеть материала, должны быть дополнительно исследованы в будущем.

Неожиданный результат биомеханики: зубы стабилизируют друг друга

Исследователи столкнулись с особыми сложностями в экспериментах: поскольку некоторые зубы улиток имеют размер всего 0,05–0,10 миллиметра, определение материальных свойств методологически сложно даже с современными технологиями. «Но наша рабочая группа специализируется на характеристике мельчайших биологических структур, поэтому изучаемые здесь зубы даже довольно крупные в сравнении», — объясняет Ковалёв. Во многих международных исследованиях до сих пор изучали структуры радулы только в сухом состоянии из-за методологической сложности, хотя улитка всегда держит свой язык влажным во время еды.

Поэтому команда из Гамбурга и Киля разработала экспериментальную установку, чтобы впервые изучить зубы в сухом и влажном состоянии — с неожиданным результатом. Вода сильно меняет механические свойства биологических материалов: влажные материалы значительно мягче сухих и обычно легче разрушаются. Однако для разрушения влажных зубов улиток потребовалось больше силы. «Во влажном состоянии зубы радулы гибкие, и их крепление в связке радулы эластичное. Таким образом, зубы опираются друг на друга и стабилизируют всю структуру», — объясняет Горб. «Такие эксперименты — не слепой обзор природы, а основа для понимания разнообразных адаптаций организмов к своей среде».

На основе этого исследования, в котором впервые успешно использовали биомеханические методы для изучения механической функции радулы и, следовательно, пищевых адаптаций улиток, возможны дальнейшие экспериментальные подходы, чтобы докопаться до эволюции улиток. Кроме того, эти биомеханические данные могут способствовать разработке специальных захватных устройств в робототехнике.