Una storia sul narvalo con un colpo di scena inaspettato

Lunga fino a due metri e avvolta in una perfetta spirale: La zanna del narvalo rientra tra le strutture più insolite del regno animale. Un team di ricerca internazionale, che vede la partecipazione dell’Istituto Paul Scherrer PSI, ha infine decifrato per la prima volta come questa struttura elicoidale sia organizzata all’interno del dente – con un colpo di scena incredibile. Infatti, la struttura di dimensioni nanometriche di questa spirale si avvolge non solo in una direzione, ma addirittura in due direzioni opposte.

Re Federico III di Danimarca conosceva la vera origine degli unicorni e, nel XVII secolo, inviò una spedizione in Groenlandia per indagare a fondo sul prezioso corno. Infatti, la mitica creatura vive proprio lì, nelle acque artiche, e non ha gli zoccoli, ma le pinne. La spedizione ebbe successo e così fu che il sovrano danese si fece realizzare un trono decorato dal "corno dell'unicorno", a simboleggiare il suo prestigio e la sua potenza nel panorama europeo. Tutto ciò, sebbene il leggendario corno non sia un vero corno, bensì un "semplice" dente.

Bisogna tuttavia dire che si tratta di un dente che nel regno animale è piuttosto unico. Infatti, mentre altri denti lunghi, come. ad esempio, le zanne degli elefanti, quelle dei trichechi o anche gli incisivi dei castori, presentano una curvatura, il dente del narvalo maschio cresce a forma di vite, sviluppandosi diritto verso l’avanti. In genere è il canino superiore sinistro che cresce avvolgendosi in un'elegante spirale in senso antiorario, perfora il labbro superiore e può raggiungere i due metri di lunghezza, arrivando talvolta fino alla metà della lunghezza del corpo dell'animale.

È proprio questa crescita insolita ad aver suscitato la curiosità di un team di ricerca internazionale e interdisciplinare. Con l’ausilio dei più moderni metodi a raggi X, i ricercatori hanno voluto scoprire se la direzione di rotazione della spirale visibile fosse già organizzata nella disposizione dei suoi mattoni costitutivi, della dimensione di pochi nanometri.

I risultati hanno portato a una svolta inaspettata. Infatti, i mattoni costitutivi della zanna formano due strutture elicoidali controrotanti, una in senso orario e una in senso antiorario, che si incastrano tra loro, creando una struttura estremamente stabile.

Le ricerche sono state condotte presso tre impianti di sincrotrone che si trovano in Europa: la Sorgente di luce di sincrotrone Svizzera SLS, presso l'Istituto Paul Scherrer PSI di Villigen, il MAX IV Laboratory a Lund (Svezia) e l'European Synchrotron Radiation Facility ESRF (Laboratorio Europeo di Radiazione di Sincrotrone) a Grenoble (Francia). I ricercatori riportano ora i loro risultati sulla rivista specializzata Nature Communications.

Un dente come il cemento armato

L'animale è antico e lo stesso può dirsi del suo dente: i denti dei narvali crescono per tutta la vita e possono raggiungere senza problemi un’età di circa 70 anni. Tuttavia, lo scopo preciso per il quale gli animali utilizzano i loro vistosi denti rimane ancora oggetto di speculazioni. Molti indizi suggeriscono che questi denti svolgano un ruolo principalmente nella scelta del partner. Occasionalmente è stato anche osservato come i narvali utilizzino i loro denti in un giocoso "duello di spada" con altri esemplari della propria specie; pertanto si può dire che la riproduzione e l’interazione sociale sono le ipotesi più probabili.

Sebbene finora poco si sappia sulla loro utilità, adesso si conosce invece molto di più sulla struttura interna di questi denti unici. "Come le ossa o altri denti del regno animale, anche la zanna del narvalo è un materiale composito complesso, la cui struttura include i minuscoli nanoelementi costitutivi per arrivare fino alla forma visibile dell’intero dente", afferma Marianne Liebi, ricercatrice presso l'Istituto Paul Scherrer PSI e coautrice dello studio.

I materiali compositi non svolgono un ruolo importante solo in natura. Un classico esempio tratto dalla nostra vita quotidiana è costituito dal cemento armato: nel cemento armato, la percentuale di calcestruzzo, una miscela di cemento e sabbia, resiste a grandi pressioni, mentre una rete di acciaio garantisce resistenza alla trazione e stabilità. "Anche la zanna del narvalo deve essere allo stesso tempo dura e flessibile», spiega Liebi. "Solo così la zanna può resistere alle potenti forze della corrente durante il nuoto."

All’interno della zanna del narvalo predomina un materiale familiare: la dentina, ovvero la stessa sostanza che costituisce il nucleo dei nostri denti. All’esterno, la zanna è circondata da uno strato più sottile di cosiddetto cemento dentale, un tessuto che negli altri mammiferi si trova normalmente solo nella radice del dente. Entrambi i tessuti contengono sottili fibre di collagene, che vengono rinforzate da minuscoli cristalli minerali. In effetti, queste fibre agiscono come un'armatura interna, mentre i cristalli minerali conferiscono al materiale la sua durezza, in modo del tutto analogo a ciò che avviene nel cemento armato.

Ed è stata proprio questa complessa architettura a rappresentare la vera sfida dello studio. "Le fibre di collagene e i cristalli minerali si trovano su scala nanometrica, mentre la spirale del dente diventa visibile solo su lunghezze dell’ordine dei centimetri e dei metri", spiega Marianne Liebi. Per collegare i due elementi e rendere visibile la struttura elicoidale dalla scala nanometrica alla forma macroscopica del dente, il team di ricerca ha fatto ricorso a una speciale tecnica a raggi X: la tomografia tensoriale.

Con "Dipingere con i numeri" per arrivare alle spirali

I raggi X si conoscono anche quando si va dal dentista: rendono visibili i denti, poiché questi assorbono la radiazione in misura maggiore rispetto al tessuto circostante. Nell’immagine si riconosce, in un certo senso, l’ombra del dente.

Con la radiazione di sincrotrone proveniente dai tre grandi impianti di ricerca europei è tuttavia possibile rilevare molto di più. Se questi speciali raggi X incontrano delle strutture disposte in modo regolare nel materiale, subiscono una diffusione e generano dei modelli caratteristici. "A partire da questi modelli possiamo calcolare come sono orientate le fibre di collagene mineralizzate di dimensioni nanometriche, all’interno del materiale», spiega Adrian Rodriguez-Palomo, primo autore dello studio. Ha aderito al progetto come dottorando presso la Chalmers University of Technology in Svezia e ha successivamente proseguito questo lavoro come ricercatore postdoc presso l’Università di Aarhus in Danimarca.

Con la tomografia tensoriale, il dente viene ruotato nel fascio della radiazione di sincrotrone e scansionato punto per punto. Così facendo, da milioni di punti di misurazione si crea un'immagine tridimensionale della sua architettura interna, dai minuscoli elementi costitutivi dell'ordine dei nanometri per arrivare fino alla forma macroscopica dell'intero dente.

Ma quando il team ha iniziato ad analizzare l'enorme quantità di dati, lo attendeva un dato sorprendente: nell'immagine non sono stati in grado di riconoscere... un bel nulla. "Questo ci ha lasciati piuttosto perplessi", ricorda Marianne Liebi. I test meccanici avevano infatti suggerito che la forma a spirale dovesse già riflettersi nelle fibre di collagene e nei cristalli minerali. "Ma invece di una struttura elicoidale abbiamo trovato solo un pattern uniforme."

La soluzione è emersa solo quando il team ha fatto, per così dire, un passo indietro. Invece di prendere in considerazione i singoli minuscoli pixel nel set di dati tridimensionale, si sono concentrati sul loro orientamento spaziale. "Quando abbiamo confrontato l’orientamento di questi punti l’uno rispetto all’altro, si è delineata una tendenza direzionale», ricorda Palomo. "A quel punto non dovevamo far altro che collegare i punti tra loro, come nel gioco per bambini “Dipingi con i numeri" e improvvisamente la struttura è diventata visibile: due spirali intrecciate una con l'altra."

Dalla nanoscala alla struttura elicoidale macroscopica

Uno sguardo più attento ai dati ha rivelato anche dove si nascondono queste due spirali all'interno del dente. Lo strato esterno del dente, il cosiddetto cemento dentale, forma una struttura elicoidale sinistrorsa, mentre, al suo interno, le strutture di collagene mineralizzate nella dentina seguono una spirale in direzione opposta.

Questa architettura controrotante non è una coincidenza, ma una sofisticata costruzione della natura. Due strutture elicoidali incrociate conferiscono alla zanna una stabilità straordinaria, simile a quello che succede con le fibre ritorte in una corda. Le due strutture elicoidali rendono la zanna particolarmente resistente alla torsione e alle sollecitazioni meccaniche. E sono proprio queste strutture a conferire al dente anche la sua esclusiva forma sinuosa, offrendo così una svolta sorprendente perfino a un antico mito.

Lo studio è stato finanziato dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione europea nell’ambito del programma Marie Skłodowska-Curie. Esso fa parte del progetto di ricerca "Narwhal tusks – a tale with a twist" (Le zanne del narvalo: una storia con un colpo di scena), finanziato dal NordForsk (un’organizzazione che fa capo al Consiglio dei ministri nordico e che finanzia e agevola la cooperazione nella ricerca). Sotto la guida di Henrik Birkedal dell’Università di Aarhus, in Danimarca, un team internazionale e interdisciplinare sta studiando non solo la struttura del dente del narvalo, ma anche come la sua crescita sia correlata alle condizioni ambientali e climatiche. In base alle sue strutture di crescita, simili agli anelli di accrescimento annuali di un albero – è possibile trarre conclusioni sulle condizioni ambientali del passato nella zona artica, ad esempio sul clima e sulla disponibilità di cibo. Nel corso della sua vita, che dura quasi un secolo, ogni maschio di narvalo scrive, se così si può dire, la propria storia ambientale nella sua zanna.