Sandpaper teeth

What makes holes in rocks underwater?

Water, of course. And critters: limpets, some clams, sea urchins.

Green sea urchins, Strongylocentrotus droebachiensis, alongside (and in) a crack in the rock.

Limpets have their teeth, reputed to be the strongest biological material on earth; piddock clams have thick, hard shells with grinding ridges on the bottom. But sea urchins? A sea urchin test is fragile. Pick one up, carefully, because it will break in your hand if you squeeze it.

And yet they dig holes in the rock. With their teeth.

Sea urchin test.

The sea urchin's hard parts are made mostly of calcite. In other words, chalk. The spines are single crystals of calcite, the test is magnesium calcite; even 5 tiny grinding teeth are made almost entirely of calcite. Soft stuff. On the Mohs hardness scale, it's a 3, just harder than talc and gypsum. The soft sandstone of our beaches is a 6 or more. So how does the urchin dig its hole?

Tide pool and rock holes. With green sea urchins.

I asked Google. It had a few answers for me.

First: scientists ... "have discovered that the urchins’ secret lies in a combination of ingenious design strategies. ... The scientists found that the sea urchins’ teeth contain crystals of magnesium calcite, which are smaller, harder and denser than those of pure calcite; they are concentrated at the grinding tip of the tooth, particularly in the tip’s center, where the most force is being exerted in the course of grinding. What holds these crystals at the center of the tip is a matrix of larger and softer calcite crystals. ... The presence of magnesium calcite crystals acts like sand paper that helps to grind the rock down.

They found that all the crystalline elements that make up the tooth are aligned in two different arrays, ... interlocked ..., just at the tip of the tooth where most of the wear occurs. The scientists believe that interlocking produces a notched, serrated ridge resembling that of a carpenter’s file. This ridge is self-sharpening: as the tooth is being ground down, the crystalline layers break in such a way that the ridge always stays corrugated." (From Science Daily)

Magnesium calcite has a hardness of 4 to 4.5 on the Mohs scale. So that helps, but it's not enough, it would seem.

But then: Michael Russell at Villanova University in Pennsylvania and his colleagues studied purple sea urchins (Strongylocentrotus  purpuratus), which live along the west coast of North America. ... In the lab, the researchers placed single sea urchins on flat pieces of soft mudstone, moderately hard sandstone and tough granite. After a year, they measured the weights of the rocks, how the surfaces looked, and how much the rocks were eroded.

The sea urchins had eaten holes in all the rocks, although they made slower progress on the harder ones. Field measurements showed that holes in mudstone were about 220 cubic centimetres, whereas holes in sandstone were 63 cubic centimetres and holes in granite were just 45 cubic centimetres. (NewScientist)

 And: A pit would be formed in medium grain sandstone in less than five years, while it would take more than a hundred years to form a pit in granite. (ZMEScience)

Well, that's better. Sandpaper teeth plus patience and persistence. And then there's this:

"Some of the largest and we believe oldest red sea urchins up to 19 centimeters in size have been found in waters off British Columbia, between Vancouver Island and the mainland," Ebert said. "By our calculations they are probably 200 or more years old." (OregonStateUniversity)

Sandpaper teeth, patience, and 200 years to work at it. That would do it.

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

¿Qué cosa hace hoyos en las piedras debajo del mar?

Bueno, el agua. Y además, las lapas, algunas almejas. Y los erizos de mar.

Foto #1: Erizos de mar verdes, Strongylocentrotus droebachiensis, al lado y dentro de una grieta en la roca.

Las lapas tienen sus dientes, los cuales tienen la fama de ser el material biológico más fuerte mundialmente. Las almejas alas de ángel tienen conchas duras y gruesas con estriaciones en la parte inferior. ¿Pero los erizos? La testa de un erizo de mar es frágil; levanta una, con cuidado; si la aprietas, se deshace.

Pero de todos modos excavan hoyos en las piedras. Con los dientes.

Foto #2: Una testa de erizo de mar.

Las partes duras de un erizo de mar están hechas principalmente de la calcita. En otras palabras, la materia con que se hace la tiza con que escriben los niños. Las espinas son cristales únicos de calcita, la testa es de calcita de magnesio; hasta los cinco dientecitos son casi por completo calcita, carbonato de calcio. Material blando. En la escala de dureza de Mohs, es un 3, apenas más dura que el talco y el yeso. La piedra arenisca de nuestras playas tiene la dureza de 6 o más. Pues, ¿cómo entonces es que el erizo se hace el hoyo?

Foto #3: Poza intramareal y hoyos en la roca. Con erizos de mar verdes.

Le puse la pregunta a Google. Y me dió algunas respuestas:

Primero: Los científicos ... "han descubierto que el secreto de los erizos reside en una combinación de diseños ingeniosos. ... Los científicos descubrieron que los dientes de los erizos de mar contienen cristales de calcita de magnesio, los cuales son más pequeños, más duros y densos que los cristales de calcita pura; están concentrados en la punta pulidora del diente, particularmente en el centro donde se ejerce la mayor fuerza en la obra de taladrar. Lo que detiene estos cristales en el centro de la punta es una matriz de cristales de calcita más grandes, más blandos. ... La presencia de cristales de calcita de magnesio funciona como papel de lija para triturar la roca.

Hallaron que todos los elementos de que consiste el diente están ordenados en dos series distintas, ... entrelazadas ... justo en la punta del diente donde ocurre la mayor parte de desgaste. Los científicos creen que al entrelazarse, se produce una cresta dentada parecida al borde de una lima de carpintero. Esta cresta se afila por sí sola; mientras que el diente se desgasta, las capas cristalinas se rompen de tal manera que la crest siempre se mantiene dentada. (Science Daily)

La calcita de magnesio tiene una dureza de 4 a 4.5 en la escala de Mohs. Ayuda, pero no parece ser suficiente.

Pero: Michael Russel, de la Universidad Villanova en Pennsylvania, con sus colegas, estudiaron los erizos de mar morados, Strongylocentrotus purpuratus, los cuales viven el las costas del Pacífico de Norteamérica. ... En el laboratorio, colocaron erizos de mar, uno por uno, encima de piezas de lodolitas blandas, de piedra arenisca de dureza mediana, y de granito duro. Después de un año, midieron el peso de las rocas, vieron la apariencia de las superficies, y notaron en cuanto se habían erosionado las rocas.

Los erizos habían hecho hoyos en todas las rocas, aunque iban más despacio con las rocas más duras. Midiéndolas, se notó que los hoyos en las lodolitas llegaban a 220 centímetros cúbicos, mientras que los hoyos en la piedra arenisca eran de 63 cc. y los del granito de 45 cc. (NewScientist)

Y: Un buen hoyo se formaría en piedra arenisca en menos de cinco años, mientras que tomaría cien años para hacer el mismo hoyo en el granito. (ZMEScience)

Bueno, eso parece más posible. Dientes de lija, además de paciencia. Y luego, hay esto:

—Algunos de los más grandes, y creemos que los más viejos erizos de mar rojos, midiendo hasta 19 cm. de diámetro se han encontrado en las aguas cerca de Colombia Británica, entre la Isla de Vancouver y el continente — dijo Ebert. — Calculamos que tienen probablemente 200 años o más. (OregonStateUniversity)

 Dientes de lija, paciencia, y 200 años en que taladrar. Eso serviría.