Знакомый многим звук бормашины вызывает определенные ассоциации. В отличие от акул, чьи зубы обновляются на протяжении всей жизни, у человека и большинства млекопитающих зубы меняются лишь один раз — с молочных на постоянные. Однако у грызунов зубы растут постоянно. Это связано с тем, что, как бы это ни звучало банально, грызуны грызут, тем самым равномерно стачивая свои зубы. Чтобы эти животные не остались без основного инструмента для выживания, природа наделила их механизмом постоянного роста зубов, который компенсирует их износ. Но что же делать тем, кто получает зубы один раз и на всю жизнь? Исследователи из факультета материаловедения и инженерии Северо-Западного университета определили, какие элементы повышают прочность зубной эмали, и выяснили, почему бобры способны справляться с деревьями не хуже бензопилы.
Зубная эмаль является самой твердой тканью в организме человека. Ее основу составляют тонкие длинные нити из гидроксиапатита. Толщина одной такой нити составляет всего 50 нанометров, а длина в тысячу раз больше. Для наглядности, если бы высота березы была в тысячу раз больше ее диаметра, то дерево достигало бы высоты около километра. Тысячи таких нитей объединяются в пучки, которые, несмотря на свою тонкость, в двадцать раз тоньше человеческого волоса. Эти пучки располагаются в определенном направлении, образуя своего рода армирующий каркас зубной эмали, а пространство между ними заполняется кристаллическим гидроксиапатитом.
Гидроксиапатит — это минерал, содержащий ионы кальция, фосфата и гидроксила. Несмотря на то что эмаль почти полностью состоит из минеральной основы, даже незначительные количества других ионов могут существенно изменить ее свойства. Например, если часть кальция, даже в малом количестве, заменить ионами магния, эмаль станет более уязвимой к кислотам. Проще говоря, она будет быстрее растворяться. Тот же эффект наблюдается при замене фосфат-ионов на карбонат. Однако если фосфат-ионы заменить ионами фтора, эмаль значительно улучшит свои характеристики. Именно поэтому в состав зубной пасты входят фторсодержащие вещества.
Откуда же берется кислота, которая так пагубно влияет на зубы, и почему сладкое, хотя и не кислое, вредно? Дело в том, что во рту обитают бактерии, которые, хоть и не представляют угрозы для организма, могут нанести вред зубной эмали. Остатки сахара служат пищей для этих микроорганизмов. Все было бы хорошо, если бы эти бактерии не перерабатывали сахар в молочную кислоту, повышая кислотность среды. Чем более кислая среда, тем быстрее разрушается зубная эмаль. Да-да, это тот самый кислотно-основной баланс. Бобры, насколько известно, не злоупотребляют сладким, но природа все равно наделила их дополнительным механизмом, который делает их зубы прочнее. Все дело в тех самых ионах, которые изменяют свойства эмали.
Исследователи проанализировали образцы эмали зубов мышей, кроликов, крыс и бобров с использованием сложного оборудования. Они изучили строение нитей, из которых состоит эмаль, и обнаружили интересный факт. Оказывается, на прочность и устойчивость к кислотам в основном влияет аморфное вещество, содержащее минералы, богатые железом или магнием. Несмотря на то что доля такого вещества крайне мала, оно кардинально меняет защитные свойства эмали. Например, эмаль зубов бобра оказалась в шесть раз более устойчива к кислоте, чем эмаль кролика. Это достигается благодаря соединениям железа, в основном ферригидриту. Он не только придает химическую стойкость, но и увеличивает механическую прочность зубной эмали. Можно сказать, что у бобра действительно «железные» зубы!
Однако почему до сих пор не создали зубную пасту с железосодержащими минералами? Пусть нам и не нужно грызть осиновые ветки, но сократить визиты к стоматологу было бы весьма приятно. Если вы посмотрите на зубы бобра, то заметите, что они далеко не белые — имеют желтоватый или даже коричневый оттенок. Это абсолютно здоровые и крепкие зубы, а цвет им придают именно соединения железа. С человеческой точки зрения это не очень эстетично, но, похоже, бобры не слишком переживают по этому поводу.