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.

Anatomy of a lantern

Another of the hitchhikers. Last October, a tiny green sea urchin came home with me, hidden in a fold of sea lettuce. He's been with me ever since, cruising around the glass walls, scraping algae off the oyster and clam shells, sometimes sleeping for days then rousing at a touch from a crab to hurry off to the far side of the tank.

Here he is, last October. He measured about 1 cm. across back then. This is the underside, showing the mouth and the 5 teeth.

The aquarium is not an ideal habitat for these urchins. They're a gregarious species, crowding together in their kelp beds. And they eat kelp, which is hard to come by for the aquarium. But this little one did ok for a while; over these few months he grew to 3 cm. across. And then he slowed down, lost his spines, and died. (He would have died if I had left him on the beach, tossed up above the tide line, so he had a few extra months.)

And within hours, the crabs and hermits, scavengers always, had cleaned out his test. I found it when I went to add more ice to the tank. And beside the test lay the entire Aristotle's lantern, still in one piece. I collected it quickly before the crabs took it apart.

I examined it under the microscope:

Aristotle's lantern, mouth side, showing the teeth.

The whole structure is called Aristotle's lantern, apparently because Aristotle first described it. It consists of 5 jaws composed of calcium carbonate plates, linked with muscular tissue. The whole apparatus is pushed outwards to feed, opening the central gap; the teeth scrape off algae or dig holes in rock to sleep in. Closed, the mouth works itself from side to side, chewing what it has bitten off.

And this is what it looks like from the inside:

Aristotle's lantern, from the base. I had to support this on a fluffy cloth to keep it upright.

The entire structure measured 8 mm., teeth to base. And about the same in diameter. I just checked it, where I had stored it, carefully protected from movement, hoping for a more accurate measurement, and each individual plate and tooth had separated themselves, now that the remaining muscle has dried up. No wonder I never see them on the shore!

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

Otra de las criaturas que llegaron "de pilón" al aquario. En octubre del año pasado, un erizo de mar, muy pequeño, vino a casa escondido en un doblez de alga marina, Ulva spp.. Ha estado en el acuario desde entonces, dando vueltas por las paredes de vidrio, bajando a raspar algas en las conchas de ostiones al fondo, a veces durmiendo por unos dias, despertando a un empujón del cangrejo, y corriendo hasta el otro extremo del tanque.

Foto #1: Tal como lo vi en octubre. Medía como 1 cm de diámetro entonces. La vista es de la parte inferior, mostrando la boca y los 5 dientes.

El acuario no es habitat ideal para estos erizos. Son una especie gregaria que se amontonan en gran número en sus lechos de kelp. Y se alimentan principalmente de kelp, lo que es difícil mantener en el acuario. Pero este chiquito estuvo bien por un tiempo; en estos pocos meses creció hasta medir 3 cm. de diámetro. Y luego se puso triste, perdió las espinas, y falleció. (Hubiera muerto el año pasado si lo hubiera dejado allí en la playa, aventado por las olas arriba de la zona mareal, por lo menos tuvo unos cuantos meses más de vida.)

Y dentro de pocas horas los cangrejos y los ermitaños, carroñeros siempre, le limpiaron por completo la testa. La encontré cuando fui a añadir hielo al tanque. Y al lado de la testa estaba la linterna de Aristóteles, todavía entera. La recogí de inmediato antes de que los cangrejos la desbarataran.

La miré bajo el microscopio.

Foto # 2: La linterna de Aristóteles, el lado bucal, mostrando los 5 dientes.

Esta estructura se llama la linterna de Aristóteles, parece ser porque el filósofo fue el primero en describirla. Consiste en 5 mandíbulas hechas de placas de carbonato de calcio, ligadas entre sí con fibras musculares. El aparato entero se extiende hacia el exterior cuando el erizo come; se abre el espacio central y los dientes raspan el alga que come o hace hoyos en la piedra, donde el erizo se retirá a dormir. Cuando la boca se cierra, se mueve de un lado para otro, masticando su alimento.

Foto # 3: Y así se ve desde el interior. Aquí la tuve que apoyar sobre un textil espumoso para mantenerla derecha.

La estructura entera mide 8 mm. desde la base hasta los dientes, y más o menos lo mismo de diámetro. Cuando volví a mirarla, donde la había guardada, bien protegida para que no se rompiera, ya se habían separado cada placa y diente, ya que los músculos se han secado.

Con razón nunca veo estas linternas en la playa.

Spines and cog wheels and five teeth

On my last trip to the beach, I had on my "shopping" list: some eelgrass with roots, because the hermits love to climb it and to eat whatever grows on it, hydroids and bryozoans and the like; some fresh sea lettuce, if I could find it, because the crabs had eaten all of the last batch; a bit of kelp, to keep my plumose anemone healthy, and a length of kelp stipe, because both the crabs and the hermits eat it, all the more enthusiastically as it disintegrates; a small stone with barnacles for the snails to eat; some snails for the anemones to eat. The little underwater community demands variety!

In the latest offerings torn up by the tide from the sea floor, I found the kelp and a good handful of eelgrass, and at the last minute, a nice blade of fresh sea lettuce. It all went in my bag. There were no barnacles this time; the carnivorous snails will have to make do with mussels for now.

Washing off the sea lettuce at home, I discovered that it was hiding a tiny sea urchin; lucky for it that I collected that piece; otherwise, tossed up by the tide and abandoned, the urchin would have died.

It's cruising around the upper levels of the wall of the aquarium, eating algae. And showing off its five-pointed star mouth, chomping away.

Mouth side of the urchin. About 1 cm. across the whole animal. (It's a baby.)

The arrangement of five teeth is called "Aristotle's lantern", not because they look like a light, but because Aristotle first described them. They open and shut, scraping at the algae; sometimes they can be used to scrape a hole for the urchin, even in rock.

The test, or hard shell of the urchin has spines; they're jointed, so they can rotate. Here you can see the purple joints on the spines. The urchin "walks" on its spines, its tube feet, and even its teeth. The tube feet protrude through holes in the test, and are soft and flexible. Each one ends in a round sucker; these are being used to hold onto the glass, and to move about. Quite rapidly, it turns out.

Zooming in. The suckers on the tube feet are like little cog wheels.

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

En la última vuelta a la playa, my lista de "compras" consistía en: hierba marina "Zostera", con raices y todo, porque a los ermitaños les gusta trepar en lo alto y además comen lo que crece en la hierba, sea briozoos o hidroides u otras algas; un poco de alga "kelp" para mantener sana a mi anémona plumosa, y una sección del tallo porque los cangrejos y los ermitaños lo comen con gusto, tanto mayor cuando ya está desbaratándose; un poco de lechuga marina, porque los cangrejos ya comieron lo que les traje hace una semana; y una piedrita con bálanos para los caracoles carnívoros. ¡Mi pequeña comunidad acuática pide una dieta variada!

Entre lo que aventaron las olas, encontré la hierba, el kelp, y por fin, un trozo de lechuga marina. No había piedras con bálanos esta vez; los caracoles se las van a tener que arreglar con los mejillones.

Limpiando la lechuga marina en casa, descubrí que protegía un pequeño erizo de mar. Tuvo suerte; aventado a la arena por las olas, se hubiera muerto. Ahora da vueltas en la parte superior del acuario, comiendo algas.

Saqué fotos de su boca, ya que come con la boca al vidrio.

Tiene cinco "dientes"; se le llama a este conjunto la linterna de Aristóteles, porque fue descrito por el filósofo antiguo. Estos raspan a la superficie, cortando algas. Pero son suficientemente fuertes para también excavar hoyos para protección del animal, incluso en roca.

El animal se mueve usando sus espinas articuladas, vistas aquí, color crema con segmentos color morado. También para caminar (¡y bastante rápido que se mueve!) usa los pies ambulacrales y hasta esos cinco dientes.

Los pies ambulacrales son tubitos que se extienden desde poros en el caparazón. Son muy flexibles, y terminan con un botón que se adhiere a las superficies. En la segunda foto se puede ver como terminan con una ruedita con dientes.

Prickly

This was a small urchin that came home on seaweed for the hermits.

Green sea urchin, Strongylocentrus droebachiensis

The test is pink, fading to grey when the urchin dies. Spines green; they're in constant motion, pulled back and forth by skin and muscle tissue over the test. Tube feet (brown/black) protrude through holes in the test; they're moved by water from the internal vascular system.

The five plates in the centre are like teeth; they scrape food off the surface of seaweed and rocks. The whole centre structure is called "Aristotle's lantern".

This structure was named for Aristotle, a Greek philosopher, scientist and teacher who described the structure in his book Historia Animalium, or The History of Animals. In this book, he referred to the "mouth-apparatus" of the urchin as looking like a "horn lantern." Horn lanterns at the time were five-sided lanterns made up of panes of thin pieces of horn. The horn was thin enough for light to shine out, but strong enough to protect a candle from the wind. (thought.co)

Tube feet, with their suction tips, looking for something to grab on to.

Toothy lantern

What can you eat with only five teeth?

Sea urchin mouth, with its five teeth.

If you're a sea urchin, you can even chew into rock with them.

Small green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, with its spiky shadow.

The teeth are the bottom (because the mouth faces down) part of the mouth structure called Aristotle's Lantern, supposedly because when Aristotle drew one, he thought it looked like a lamp. They are made, like the test and mollusc shells, of calcium carbonate, CaCO3. We see CaCO3 every morning as we make breakfast; egg shells are made of calcium carbonate. So is chalk. And the antacid we take after too big a meal.

So how does a sea urchin bore a hole in rock with chalk?

A 2016 study by the Pacific Northwest National Laboratory shows how it's done, although they don't mention sea urchins specifically.

Calcium carbonate is one of the most important materials on earth, crystallizing into chalk, shells, and rocks. Animals from mollusks to people use calcium carbonate to make biominerals such as pearls, seashells, exoskeletons, or the tiny organs in ears that maintain balance. These biominerals include proteins or other organic matter in the crystalline matrix to convert the weak calcium carbonate to hard, durable materials.

If a tooth does chip, it repairs itself, filling in the gap with a freshly built CaCO3 and protein structure. No need for dentists!

The sea urchin's main diet is a lot softer than rock, of course; it eats mostly algae. A swarm of urchins can demolish a kelp forest. Chewing rock is construction work, making safe holes to sleep in.