Lapa

Para obtener alimento, las lapas dependen de un órgano llamado rádula , que contiene dientes mineralizados de hierro . ^{[ 4 ]} Aunque las lapas tienen más de 100 filas de dientes, solo las 10 más externas se utilizan para alimentarse. ^{[ 5 ]} Estos dientes se forman mediante biomineralización mediada por matriz , un proceso cíclico que implica el suministro de minerales de hierro para reforzar una matriz polimérica de quitina . ^{[ 4 ] [ 6 ]} Una vez mineralizados por completo, los dientes se reposicionan dentro de la rádula, lo que permite a las lapas raspar las algas de las superficies rocosas. A medida que los dientes de las lapas se desgastan, se degradan (lo que ocurre entre 12 y 48 horas) ^{[ 5 ]} y se reemplazan por dientes nuevos. Las diferentes especies de lapas presentan diferentes formas generales de sus dientes. ^{[ 7 ]}

El desarrollo de los dientes de la lapa ocurre como una cinta transportadora , donde los dientes comienzan a crecer en la parte posterior de la rádula y se mueven hacia la parte frontal de esta estructura a medida que maduran. ^{[ 8 ]} La tasa de crecimiento de los dientes de la lapa es de alrededor de 47 horas por fila. ^{[ 9 ]} Los dientes completamente maduros se encuentran en la zona de raspado, la parte frontal de la rádula. La zona de raspado está en contacto con el sustrato del que se alimenta la lapa. Como resultado, los dientes completamente maduros se desgastan progresivamente hasta que se desechan, a una tasa igual a la tasa de crecimiento. ^{[ 9 ]} Para contrarrestar esta degradación, comienza a crecer una nueva fila de dientes.

Se desconoce el mecanismo exacto detrás de la biomineralización de los dientes de lapa. Sin embargo, se sugiere que los dientes de lapa se biomineralizan mediante un mecanismo de disolución-reprecipitación. ^{[ 10 ]} Específicamente, este mecanismo está asociado con la disolución del hierro almacenado en las células epiteliales de la rádula para crear iones de ferrihidrita . Estos iones de ferrihidrita se transportan a través de canales iónicos a la superficie del diente. La acumulación de suficientes iones de ferrihidrita conduce a la nucleación , cuya velocidad puede alterarse cambiando el pH en el sitio de nucleación. ^{[ 5 ]} Después de uno o dos días, estos iones se convierten en cristales de goetita . ^{[ 11 ]} La matriz no mineralizada consiste en conjuntos relativamente bien ordenados y densamente empaquetados de fibras de quitina , con solo unos pocos nanómetros entre fibras adyacentes. ^{[ 12 ]} La falta de espacio conduce a la ausencia de compartimentos preformados dentro de la matriz que controlen el tamaño y la forma de los cristales de goetita. Por ello, el principal factor que influye en el crecimiento de los cristales de goetita son las fibras de quitina de la matriz. En concreto, los cristales de goetita se nuclean sobre estas fibras de quitina y, a medida que crecen, las desplazan o las envuelven, influyendo así en su orientación final.

Al examinar los dientes de la lapa Patella vulgata , los valores de dureza Vickers se encuentran entre 268 y 646  kg⋅m ⁻¹ ⋅s ⁻² , ^{[ 5 ]} mientras que los valores de resistencia a la tracción varían entre 3,0 y 6,5 GPa. ^{[ 6 ]} Dado que la seda de araña tiene una resistencia a la tracción de solo hasta 4,5 GPa, los dientes de lapa superan a la seda de araña como el material biológico más resistente. ^{[ 6 ]} Estos valores considerablemente altos que exhiben los dientes de lapa se deben a los siguientes factores:

El primer factor es la escala nanométrica de las nanofibras de goetita en los dientes de las lapas; ^{[ 13 ]} a esta escala, los materiales se vuelven insensibles a los defectos que, de otro modo, disminuirían la resistencia a la rotura. Como resultado, las nanofibras de goetita pueden mantener una resistencia a la rotura sustancial a pesar de la presencia de defectos.

El segundo factor es la pequeña longitud crítica de las fibras de goetita en los dientes de lapa. ^{[ 14 ]} La longitud crítica de la fibra es un parámetro que define la longitud que debe tener un material para transferir tensiones de la matriz a las propias fibras durante la carga externa. Los materiales con una gran longitud crítica de la fibra (en relación con la longitud total de la fibra) actúan como fibras de refuerzo deficientes, lo que significa que la mayor parte de las tensiones se siguen aplicando a la matriz. Los materiales con longitudes críticas de fibra pequeñas (en relación con la longitud total de la fibra) actúan como fibras de refuerzo eficaces que pueden transferir tensiones de la matriz a sí mismas. Las nanofibras de goetita expresan una longitud crítica de la fibra de alrededor de 420 a 800  nm, ^{[ 14 ]} que está varios órdenes de magnitud alejada de su longitud de fibra estimada de 3,1  μm. ^{[ 14 ]} Esto sugiere que las nanofibras de goetita sirven como refuerzo eficaz para la matriz de colágeno y contribuyen significativamente a la capacidad de soporte de carga de los dientes de lapa. Esto se ve respaldado además por la gran fracción de volumen mineral de nanofibras de goetita alargadas dentro de los dientes de lapa, alrededor de 0,81. ^{[ 14 ]}

Las aplicaciones de los dientes de lapa incluyen diseños estructurales que requieren alta resistencia y dureza, como los biomateriales utilizados en restauraciones dentales de última generación. ^{[ 6 ]}

La estructura, composición y forma morfológica de los dientes de la lapa permiten una distribución uniforme de la tensión a lo largo del diente. ^{[ 4 ]} Los dientes poseen un mecanismo de autoafilado que les permite ser más funcionales durante períodos de tiempo más prolongados. La tensión se concentra preferentemente en la superficie frontal de la cúspide de los dientes, lo que permite que la superficie posterior se mantenga afilada y sea más eficaz. ^{[ 4 ]}

Existe evidencia de que diferentes regiones de los dientes de la lapa muestran diferentes resistencias mecánicas. ^{[ 14 ]} Las mediciones tomadas desde la punta del borde anterior del diente muestran que los dientes pueden exhibir un módulo elástico de alrededor de 140 GPa. Sin embargo, al descender por el borde anterior hacia la cúspide anterior de los dientes, el módulo elástico disminuye hasta alcanzar aproximadamente 50 GPa en el borde de los dientes. ^{[ 14 ]} La orientación de las fibras de goetita puede correlacionarse con esta disminución del módulo elástico, ya que hacia la punta del diente las fibras están más alineadas entre sí, lo que se correlaciona con un módulo alto y viceversa. ^{[ 14 ]}

La longitud crítica de las fibras de goetita es la razón por la que la matriz estructural de quitina tiene un soporte extremo. Se ha estimado que la longitud crítica de las fibras de goetita es de entre 420 y 800  nm, y al compararla con la longitud real de las fibras encontradas en los dientes, alrededor de 3,1  µm, se observa que los dientes tienen fibras mucho más largas que la longitud crítica. Esto, junto con la orientación de las fibras, da como resultado una distribución efectiva de la tensión sobre las fibras de goetita y no sobre la matriz de quitina, que es más débil, en los dientes de la lapa. ^{[ 14 ]}

La estructura general de los dientes de la lapa es relativamente estable en la mayoría de las condiciones naturales, dada la capacidad de la lapa para producir dientes nuevos a un ritmo similar al de su degradación. ^{[ 4 ]} Los dientes individuales están sometidos a esfuerzos cortantes al ser arrastrados por la roca. La goetita, como mineral, es un material relativamente blando a base de hierro, ^{[ 15 ]} lo que aumenta la probabilidad de daños físicos en la estructura. También se ha demostrado que los dientes de la lapa y la rádula experimentan mayores niveles de daño en agua acidificada con CO _{2 .}

Los cristales de goetita se forman al inicio del ciclo de producción dental y permanecen como parte fundamental del diente, con el espacio intercristalino lleno de sílice amorfa . Existen en múltiples morfologías, siendo los prismas con secciones romboidales las más frecuentes. ^{[ 10 ]} Los cristales de goetita son estables y están bien formados para ser cristales biogénicos. Se ha sugerido que el transporte del mineral para crear las estructuras cristalinas es un mecanismo de disolución-reprecipitación (a partir de 2011). La estructura dental de las lapas depende de la profundidad a la que viven. Si bien se ha demostrado que las lapas de aguas profundas tienen la misma composición elemental que las de aguas someras, las lapas de aguas profundas no presentan fases cristalinas de goetita. ^{[ 16 ]}

El evento inicial que tiene lugar cuando la lapa crea una nueva hilera de dientes es la creación del componente macromolecular principal α-quitina. La matriz orgánica resultante sirve como estructura para la cristalización de los propios dientes. ^{[ 9 ]} El primer mineral que se deposita es la goetita (α-FeOOH), un óxido de hierro blando que forma cristales paralelos a las fibras de quitina. ^{[ 9 ] [ 17 ]} Sin embargo, la goetita tiene hábitos cristalinos variables . Los cristales se organizan en diversas formas y espesores a lo largo de la matriz de quitina. ^{[ 9 ]} La formación variable de la matriz de quitina tiene profundos efectos en la formación de los cristales de goetita. ^{[ 10 ]} El espacio entre los cristales y la matriz de quitina está lleno de sílice hidratada amorfa (SiO ₂ ). ^{[ 9 ]}

El metal más abundante en porcentaje es el hierro en forma de goetita . La goetita tiene la fórmula química FeO(OH) y pertenece a un grupo conocido como oxihidróxidos. Existe sílice amorfa entre los cristales de goetita; rodeando la goetita hay una matriz de quitina. ^{[ 10 ]} La quitina tiene la fórmula química C ₈ H ₁₃ O ₅ N. Se ha demostrado la presencia de otros metales, cuyas composiciones porcentuales relativas varían según la ubicación geográfica. Se ha informado que la goetita tiene una fracción volumétrica de aproximadamente el 80 %. ^{[ 6 ]}

Se ha demostrado que las lapas de diferentes lugares presentan distintas proporciones elementales en sus dientes. El hierro es consistentemente el elemento más abundante; sin embargo, otros metales como el sodio, el potasio, el calcio y el cobre también se encuentran presentes en diferentes proporciones. ^{[ 18 ]} Asimismo, se ha observado que los porcentajes relativos de los elementos varían según la ubicación geográfica. Esto evidencia algún tipo de dependencia ambiental; no obstante, las variables específicas aún no se han determinado.

• Las lapas de las fuentes hidrotermales : Neomphaloidea y Lepetodriloidea
• Los caracoles pezuña – Hipponix y otros Hipponicidae
• Caracoles zapatilla – especies de Crepidula , también conocidos como lapas zapatilla

• Las lapas pulmonadas de río y lago – Ancylidae

Algunas especies de lapas viven en agua dulce, ^{[ 19 ] [ 20 ]} pero son la excepción. La mayoría de las lapas marinas tienen branquias , mientras que todas las lapas de agua dulce y algunas marinas tienen una cavidad del manto adaptada para respirar aire y funcionar como pulmón (y en algunos casos, también adaptada para absorber oxígeno del agua). Todos estos tipos de caracoles están muy distantemente emparentados.