海胆，一种全身布满硬刺的棘皮动物，看这一身自带反伤的装甲，在野外估计没有哪只捕食者敢随便触碰。殊不知，可爱的海獭根本不怕，这是它的主食之一，吃起来“贼香”。
海胆的刺，也就是外骨骼，主要由碳酸钙组成，通常为文石形式。文石（Aragonite）是一种碳酸钙（CaCO₃）的晶体形式，与方解石（Calcite）同为碳酸钙的两种不同晶体结构。文石的莫氏硬度为 3.5 到 4，略高于方解石。因为文石具有高硬度和强韧性，所以它能够提供海胆良好的保护。
不只是海胆，文石广泛存在于海洋生物的壳中，如蛤蜊、牡蛎和贻贝等，而这些生物都是海獭的食物。当然，这些也是人类的食物，只是人不会咬破壳吃肉，毕竟把牙咬坏了就得不偿失了。
正在吃贝类的海獭。图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷
每次看到海獭一口咬崩掉蛤蜊的壳吃肉，就感觉自己的牙齿一阵幻痛，听到嘎嘣嘎嘣的声音总觉得自己的牙要崩坏了。
对于人类来说，人的牙齿主要由牙釉质、牙本质、牙髓构成。当牙齿垂直作用于硬壳时，牙釉质会承受很大的压缩应力。由于咀嚼动作的复杂性，牙齿表面还会承受一定的剪切应力，这些力会引起牙釉质的微观结构破坏。反复咀嚼硬壳会导致牙釉质的疲劳损伤，逐渐积累的微小裂纹会扩展，最终导致牙釉质破裂。
研究表明，频繁咀嚼坚硬食物（如坚果壳、冰块）的人，其牙齿损伤率更高。另外，动物实验和人类临床观察均显示，高应力作用下的牙釉质容易发生裂纹和剥落。
享受海胆大餐的海獭。图片来源：pinterest
为什么海獭的牙没被咬崩掉呢？
2014 年，科学家从冷冻的海獭标本中取得了它的犬齿和第一磨牙，然后将牙齿的根部嵌入环氧树脂中，并切割纵向部分以暴露出 Hunter-Schreger带（HSB）。HSB 是哺乳动物牙釉质中的一种显微结构特征。
科学家将牙冠横截面切割并抛光至 1 微米的光洁度，确保表面平整光滑。然后，他们将样本放置在机械测试平台上，使用钨硬质合金的维氏宏压痕仪垂直向下按压釉质，逐渐增加载荷，直到牙齿表面出现一个扇贝状的崩裂。
在实验过程中，科学家们记录了每次崩裂所需的峰值力（PF），以及从压痕点到牙齿边缘的关键崩裂尺寸（h）。通过对 12 个实验崩裂进行测量，他们发现崩裂尺寸（h）在 0.16 到 0.79 毫米之间，而所需的峰值力（PF）在 53 到 605 牛顿之间。
通过线性回归分析，可以看出海獭牙釉质的斜率与人类牙釉质无显著差异，但截距显著更高，表明海獭牙釉质的韧性是人类牙釉质的 2.8 倍。（图片来源：参考文献2）
最终科学家们还绘制了力量-位移图，并计算了海獭牙釉质的韧性。结果显示，海獭牙釉质的韧性为 2.8 MPa m^0.5，显著高于人类牙釉质（约 1.0 MPa m^0.5），其牙釉质韧性快是人类的 3 倍了。
很明显，海獭牙釉质的坚韧性远超人类牙釉质。这主要归功于海獭牙齿中的 HSB 结构。HSB 的交错排列能够有效地分散和吸收应力，防止裂纹沿单一方向扩展，从而增强牙齿的韧性。
a中海獭牙釉质的层层叠叠的交错结构；c在电镜下可以看到牙釉质的密集圆形棱柱结构（图片来源：参考文献2）
科学家们通过显微镜观察发现，海獭牙釉质中的 HSB 几乎延伸到牙齿表面，这使得所有的崩裂都涉及交错结构，进一步提高了牙齿的抗裂性，牙自然不容易崩。
而在人类牙齿中，只有较大的崩裂才会涉及 HSB ，这也是人类牙齿的抗崩裂性较低的原因之一。
海獭还会利用工具开壳
工具使用在动物界并不常见，但在某些物种中，这种行为带来了显著的适应性优势。海獭就是这样一个例子。它们不只牙口好，还会利用石头等工具敲开坚硬的贝壳，从中获取食物。
2023 年，在加利福尼亚中部沿海区域，科学家捕捉了 196 只海獭，并为它们安装了无线电标签，方便跟踪它们的活动，记录每只海獭在觅食时使用工具的情况。而且还定期对海獭进行牙齿检查，评估它们的牙齿损伤情况和牙本质暴露比例。
正在用石头开壳的海獭。图片来源：参考文献1
首先，使用工具频率高的雌性海獭能够获取更大、更坚硬的猎物。工具使用频率超过 90% 的雌性海獭获取的猎物硬度比不使用工具的个体高 197% 。雄性海獭的工具使用频率与猎物硬度之间没有显著关联，这可能是因为雄性海獭本身体型较大，咬合力更强。
其次，工具使用频率高的海獭牙齿损伤较少。工具使用频率超过 50% 的个体的牙齿损伤减少了 19%（雌性）和 16%（雄性）。当然也有一些例外，在 1% 到 6% 的个体里，它们的牙齿损伤反而增加，这可能是因为这些个体处理的猎物更硬。
把石块放在胸口协助开壳的海獭。图片来源：Hakai Magazine
由此可见，工具使用对南部海獭的觅食和牙齿健康都有着重要影响。使用工具不仅可以帮助海獭获取更多、更坚硬的猎物，还能减少牙齿损伤，保持牙齿健康。
牙口好，脑子聪明，这就是海獭不会咬崩牙的原因。
参考文献
[1] Chris J. Law et al. ,Tool use increases mechanical foraging success and tooth health in southern sea otters (Enhydra lutris nereis).Science384,798-802(2024).DOI:10.1126/science.adj6608
[2]Ziscovici C, Lucas P W, Constantino P J, et al. Sea otter dental enamel is highly resistant to chipping due to its microstructure[J]. Biology Letters, 2014, 10(10): 20140484.
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出品丨科普中国
作者丨苏澄宇 科普创作者
监制丨中国科普博览
责编丨杨雅萍
审校丨徐来、林林
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