La plasticidad inherente y los mecanismos de endurecimiento por microfractura trabajan juntos para evitar que las astas se rompan.
Introducción
Cada otoño, los alces descienden de las tierras altas y llenan el aire fresco de las praderas de las montañas con los sonidos agudos de sus cornetas y el repiqueteo de sus cornamentas. Los competidores se juntan, empujándose unos a otros como luchadores de sumo. Un conjunto grande puede crecer hasta un peso combinado de hasta 40 libras (18 kilogramos), aproximadamente el peso de un ternero recién nacido completo.
Estas pesadas coronas no cumplen las funciones típicas de los huesos de soportar el peso corporal o proteger los órganos. En cambio, se utilizan para el combate y para mostrar el vigor y el vigor de un toro a los posibles compañeros.
A principios del invierno, después de que termina el celo de apareamiento, las astas se caen. En la primavera, el ciclo comienza de nuevo y a los toros les brota un nuevo par de huesos de sus cráneos, que crecen tan rápido como una pulgada por día.
¿Cómo algo que creció tan rápido, con solo los materiales obtenidos de la dieta natural de los alces, resiste colisiones repetidas de alto impacto sin romperse?
La estrategia
La cornamenta es uno de los biomateriales más resistentes que se conocen. La tenacidad es la resistencia a la fractura. La fuerza es la resistencia a la flexión. Tener una cualidad generalmente requiere sacrificar algo de la otra. Para lograr el equilibrio, las astas de alce usan los mismos ingredientes que el hueso humano, pero la receta es ligeramente diferente. Las astas tienen menos cristales de calcio duro y mayores cantidades de colágeno flexible, lo que les da una mayor flexibilidad. Esto hace que las astas sean mucho más duras que los huesos humanos porque pueden doblarse más antes de romperse. Pero debido a que son más flexibles, no son tan fuertes.
No es solo la flexibilidad lo que ayuda a la asta a resistir la fractura. La forma en que se organizan sus componentes básicos también ayuda a darle una resistencia a las grietas incorporada. Al igual que otros tipos de huesos compactos, los componentes básicos de las astas son estructuras cilíndricas llamadas osteonas.
La mayoría de los toros alces crecen en un bastidor de 6x6, lo que significa que cada asta tiene seis puntas. Esta imagen muestra un bastidor atípico de 7x7.
Dos toros alces prueban sus cuernos para una posible batalla de fuerza.
Cada primavera, a los toros les crecen nuevas astas, que mudan a principios del invierno después de que termina la temporada de celo.
Imagine un hueso largo como una concha llena de palillos de dientes alineados a lo largo, donde cada palillo de dientes representa un osteon. Es fácil romper un solo palillo solo, pero mucho más difícil cuando se junta con docenas o cientos más. Esto se debe a que una carga aplicada en el centro de un solo palillo de dientes o un hueso uniformemente sólido lo rompe limpiamente por la mitad, con la fractura viajando la distancia más corta posible, de un lado directamente a través del medio al otro. Sin embargo, un paquete de palillos de dientes (u osteones) no es uniformemente sólido. Entre cada pieza hay un pequeño espacio que marca la diferencia.
Llenando los espacios entre los osteones hay regiones gruesas "hipermineralizadas" con exceso de calcio. Estas áreas tienden a romperse antes que los osteones, lo que en realidad aumenta la dureza de todo el hueso. Piensa en estas áreas como cera seca que rodea los palillos. Cuando intentamos romper el manojo de palillos, la cera que hay entre ellos se agrieta y se descascara mucho antes que la madera.
Una grieta podría viajar a través de la cera y desviarse alrededor de algunos de los palillos, aliviando la carga que experimentan esos palillos. En las astas de alce, esto se llama "desviación de grietas".
Las microfracturas también pueden reducir la longitud de un palillo de dientes, torciendo la fractura primaria de propagarse transversalmente a longitudinalmente. Esto se llama "torsión de grietas".
Las microfracturas también se pueden formar en áreas que están desconectadas de la ruptura principal, como en una cremallera cerrada que tiene algunos dientes desconectados pero que, en general, aún está intacta. Esta tendencia a tener grietas múltiples separadas por material intacto se llama “puente de grietas”.
Estos mecanismos de endurecimiento también existen en otros tipos de huesos. Pero las regiones hipermineralizadas en las astas de los alces mejoran la forma en que funcionan individualmente y en conjunto para debilitar una fractura al alejar su camino de la carga principal.
Las posibilidades
Los toros de alce rivales pueden tener algunos huesos para picar entre sí. Afortunadamente, la plasticidad inherente y el endurecimiento por microfracturas protegen sus cuernos durante estas batallas de cabezazos.
Los seres humanos están siguiendo el ejemplo e incorporando estas características en diseños de materiales personalizados para aplicaciones específicas. Recientemente, los investigadores combinaron un tipo de plástico flexible utilizado para fabricar lentes de contacto con fibra de vidrio resistente para crear un nuevo material. Este llamado "metamaterial" combina la dureza con la fuerza, lo que lo hace adecuado para reparar o reemplazar tendones y ligamentos lesionados.
