X射线揭示独角鲸长牙内部的螺旋结构新秘密

独角鲸是一种齿鲸，以其独特的直线螺旋状长牙而闻名。中世纪时，许多人误以为这些长牙是独角兽的角，具有神奇的治愈功效。尽管这一说法早已被推翻，但独角鲸的长牙至今仍是加拿大和格陵兰地区广受欢迎的纪念品。科学家们对其独特结构同样保有浓厚兴趣。近日，发表在《自然·通讯》期刊上的一篇新论文揭示，独角鲸长牙并非只有单一的左旋螺旋，其内部还存在一个方向相反的右旋螺旋。

因纽特传说中流传着这样一个故事：一名女子在用鱼叉击中独角鲸后，被绳索拖入海中，最终化身为这种动物。她那盘成扭结的发髻，也随之变成了那根螺旋状的长牙。事实上，这根长牙是雄性独角鲸左侧上颌的犬齿，在其两三岁时便开始穿透嘴唇生长，最长可达1.5至2米。部分雄性个体可能会长出两根长牙，极少数情况下则完全不发育长牙。

学界普遍认为，这些长牙最有可能是通过性选择演化而来，作为社会地位的象征。它们对于生存显然并非不可或缺——雌性通常不会发育长牙，即便发育，也要小得多且螺旋更少，但雌性的寿命通常比雄性更长。然而，长牙的确切功能至今仍存在相当大的争议。

研究人员观察到，独角鲸在狩猎时会用长牙击晕北极鳕鱼。长牙也可能被用作争斗中的武器，尽管这一行为尚未被直接观察到，但曾有独角鲸被发现体内嵌有同类的长牙。长牙中数以百万计的神经末梢表明，独角鲸或许能借此感知水温或盐度的变化。

科学家们已知，独角鲸长牙始终保持左旋方向，其结构由牙本质构成，外覆一层薄薄的牙骨质，中心则是一个髓腔。牙本质和牙骨质由矿化了羟基磷灰石纳米颗粒的微观胶原纤维束组成。长牙宏观上的螺旋形态，正是由这些纤维束的排列方式所决定的，这一结构同时也决定了长牙的材料力学特性。一个尚待解答的问题是：这种螺旋结构是否同样存在于微观和纳米尺度。

此前，从未有人在原子、纳米和宏观尺度上对长牙的内部三维结构进行系统映射。为此，这篇最新论文的研究人员对两头雄性独角鲸的长牙和头骨标本进行了分析，综合运用了多种成像技术：X射线计算机断层扫描、扫描X射线衍射、扫描小角X射线散射与张量断层扫描，以及双折射显微镜。这项研究先后在瑞典、瑞士和法国三个大型同步辐射装置上预约机时完成。研究人员还开展了标准形态学测量和机械三点弯曲测试。

结果显示，胶原纤维束和羟基磷灰石纳米颗粒均沿长牙纵轴方向排列，在所有尺度上均呈现出高度一致的各向异性。但在这一排列方向上存在微小的系统性小角度偏差，正是这些偏差共同形成了螺旋结构。牙骨质层构成已知的左旋螺旋，而牙本质则形成右旋螺旋。

这种双螺旋结构正是长牙具有卓越刚度和强度的奥秘所在——柔性纤维与刚性矿物基质的协同作用，使长牙能够承受弯曲、扭转等强力而不发生断裂。这一结构还使独角鲸长牙能够笔直生长，而非像大象象牙那样弯曲。研究团队还在牙骨质中发现了一种更为精细的底层微观结构，即向外辐射延伸的胶原纤维束，他们计划在后续研究中借助微束和纳米束实验对其作进一步分析。

"由于鲸类动物的寿命可长达80年，其牙齿实际上记录了动物一生中环境条件变化的历史信息。"论文共同作者、丹麦奥胡斯大学的亨里克·比尔克达尔表示，"北大西洋目前正经历极为剧烈的变化，因此研究能否从独角鲸长牙的硬组织中追溯这些变化，显然具有重要意义。这也是我们目前正在推进的工作。"

DOI：Nature Communications，2026. 10.1038/s41467-026-75689-z

Q&A

Q1：独角鲸的长牙到底有什么用？

A：独角鲸长牙的功能目前仍有争议。已有观察记录显示，独角鲸会用长牙击晕北极鳕鱼以便捕食。长牙中数以百万计的神经末梢，还可能帮助它们感知水温或盐度的变化。此外，也有人推测长牙可用于同类之间的争斗，但这一行为尚未被直接目击。学界目前较为一致的看法是，长牙主要通过性选择演化而来，是雄性社会地位的象征。

Q2：独角鲸长牙的双螺旋结构是怎么发现的？

A：研究人员对两头雄性独角鲸的长牙和头骨标本进行了分析，综合运用了X射线计算机断层扫描、扫描X射线衍射、扫描小角X射线散射与张量断层扫描等多种成像技术，并先后在瑞典、瑞士和法国三个大型同步辐射装置上完成实验。结果发现，牙骨质层形成左旋螺旋，而牙本质则形成方向相反的右旋螺旋，从而揭示出双螺旋这一此前未知的内部结构。

Q3：独角鲸长牙的双螺旋结构有什么特别之处？

A：双螺旋结构赋予了独角鲸长牙出色的刚度和强度。柔性胶原纤维束与刚性羟基磷灰石矿物基质相互配合，使长牙能够承受强力弯曲和扭转而不断裂。这一结构还使长牙能够笔直生长，而非像象牙那样弯曲。此外，由于长牙忠实记录了动物一生的环境变化信息，科学家希望未来能从中追溯北大西洋的气候与环境演变历史。