Mense assosieer gesprekke oor tande meestal met karies, draadjies en sadiste in wit jasse wat net daarvan droom om krale van jou tande te maak. Maar grappies ter syde, want sonder tandartse en gevestigde reëls van mondhigiëne sou ek en jy net fyngemaakte aartappels en sop deur 'n strooitjie eet. En dit is alles te blameer vir evolusie, wat ons ver van die duursaamste tande gegee het, wat ook nie regenereer nie, wat waarskynlik verteenwoordigers van die tandheelkundige industrie ongelooflik gelukkig maak. As ons praat oor die tande van verteenwoordigers van die natuurlewe, kom majestueuse leeus, bloeddorstige haaie en uiters positiewe hiënas dadelik in gedagte. Ten spyte van die krag en sterkte van hul kake, is hul tande egter nie so wonderlik soos die tande van see-egels nie. Ja, hierdie klomp naalde onder water, wat, as jy trap, 'n groot deel van jou vakansie kan verwoes, het nogal goeie tande. Daar is natuurlik nie baie van hulle nie, net vyf, maar hulle is uniek op hul eie manier en is in staat om hulself op te skerp. Hoe het wetenskaplikes hierdie kenmerk ontdek, hoe presies vind hierdie proses plaas, en hoe kan dit mense help? Ons leer hieroor uit die verslag van die navorsingsgroep. Gaan.
Navorsingsbasis
Eerstens is dit die moeite werd om die hoofkarakter van die studie te leer ken - Strongylocentrotus fragilis, of in menslike terme, 'n pienk see-egel. Hierdie soort see-egels verskil nie baie van sy ander eweknieë nie, met die uitsondering van 'n meer afgeplatte vorm en glansryke kleur. Hulle leef redelik diep (van 100 m tot 1 km), en hulle word tot 10 cm in deursnee.
Die "geraamte" van 'n see-egel, wat vyfstraalsimmetrie toon.
See-egels is, so hard as wat dit mag klink, reg en verkeerd. Eersgenoemde het 'n byna perfek ronde liggaamsvorm met uitgesproke vyfstraalsimmetrie, terwyl laasgenoemde meer asimmetries is.
Die eerste ding wat jou opval wanneer jy 'n see-egel sien, is sy stekels wat sy hele liggaam bedek. By verskillende spesies kan die naalde van 2 mm tot 30 cm wees Benewens die naalde, het die liggaam spheridia (balansorgane) en pedicellaria (prosesse wat soos tang lyk).
Al vyf tande is duidelik sigbaar in die middel.
Om 'n see-egel uit te beeld, moet jy eers onderstebo staan, aangesien sy mondopening op die onderste deel van die liggaam geleë is, maar die ander openinge is op die boonste deel. Die bek van see-egels is toegerus met 'n kouapparaat met die pragtige wetenskaplike naam "Aristoteles se lantern" (dit was Aristoteles wat hierdie orgaan eerste beskryf en sy vorm met 'n antieke draagbare lantern vergelyk het). Hierdie orgaan is toegerus met vyf kake, wat elkeen in 'n skerp tand eindig (die Aristoteliese lantern van die pienk reier wat ondersoek word, word in beeld 1C hieronder getoon).
Daar is 'n aanname dat die duursaamheid van see-egelstande verseker word deur hul konstante skerpmaak, wat plaasvind deur die geleidelike vernietiging van die gemineraliseerde plate van die tand om die skerpte van die distale oppervlak te handhaaf.
Maar hoe presies werk hierdie proses, watter tande moet geslyp word en watter nie, en hoe word hierdie belangrike besluit geneem? Wetenskaplikes het probeer om antwoorde op hierdie vrae te vind.
Navorsingsresultate
Prent #1
Voordat ons die tandheelkundige geheime van see-egels onthul, kom ons kyk na die struktuur van hul tande as geheel.
In die prentjies 1A-1S die held van die studie word gewys - 'n pienk see-egel. Soos ander see-egels, verkry verteenwoordigers van hierdie spesie hul minerale komponente uit seewater. Onder die skeletelemente is die tande hoogs gemineraliseer (99%) met kalsiet verryk in magnesium.
Soos ons vroeër bespreek het, gebruik krimpvarkies hul tande om kos te skraap. Maar behalwe dit gebruik hulle hul tande om vir hulself gate te grawe waarin hulle wegkruip vir roofdiere of slegte weer. Gegewe so 'n ongewone gebruik vir tande, moet laasgenoemde uiters sterk en skerp wees.
Op die beeld 1D mikrorekenaartomografie van 'n segment van 'n heel tand word getoon, wat wys dat die tand langs 'n elliptiese kromme met 'n T-vormige deursnee gevorm is.
Dwarssnit van die tand (1E) toon dat 'n tand uit drie strukturele streke bestaan: die primêre laminae, die calculus-gebied en die sekondêre laminae. Die klipstreek bestaan uit vesels met 'n klein deursnee omring deur 'n organiese dop. Die vesels is ingebed in 'n polikristallyne matriks wat uit deeltjies magnesiumryke kalsiet bestaan. Die deursnee van hierdie deeltjies is ongeveer 10-20 nm. Die navorsers merk op dat die konsentrasie van magnesium nie eenvormig regdeur die tand is nie en na die einde toe toeneem, wat die verhoogde slytweerstand en hardheid daarvan bied.
Lengtesnit (1F) die kliparea van die tand toon die vernietiging van die vesels, sowel as avulsie, wat plaasvind as gevolg van delaminering by die koppelvlak van die vesels en die organiese membraan.
Primêre plate bestaan gewoonlik uit enkelkristalle van kalsiet en is op die konvekse oppervlak van die tand geleë, terwyl sekondêre plate die konkawe oppervlak vul.
In die prent 1G 'n reeks geboë primêre plate kan gesien word wat parallel aan mekaar lê. Die beeld toon ook die vesels en polikristallyne matriks wat die spasie tussen die plate vul. Kiel (1H) vorm die basis van die dwarssnit T-snit en verhoog die buigstyfheid van die tand.
Noudat ons die struktuur van 'n pienk see-egeltand ken, moet ons nou die meganiese eienskappe van sy komponente uitvind. Vir hierdie doel is kompressietoetse uitgevoer met behulp van 'n skandeerelektronmikroskoop en die nano-inkeping*. Nanomeganiese toetse het monsters behels wat langs die lengte- en dwarsoriëntasies van die tand gesny is.
Nano-inkeping* - toets die materiaal deur 'n spesiale gereedskap - 'n inspringer - in die oppervlak van die monster te druk.
Data-analise het getoon dat die gemiddelde Young se modulus (E) en hardheid (H) by die tandpunt in die lengte- en dwarsrigtings: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (langs) en ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (dwars).
Young se modulus* - 'n fisiese hoeveelheid wat die vermoë van 'n materiaal beskryf om spanning en kompressie te weerstaan.
Hardheid* - die eienskap van 'n materiaal om die penetrasie van 'n harder liggaam te weerstaan (inspring).
Daarbenewens is inkepings met sikliese bykomende belading in die lengterigting gemaak om 'n visko-plastiese skademodel vir die kliparea te skep. Aan 2A die las-verplasing-kurwe word getoon.
Prent #2
Die modulus vir elke siklus is bereken op grond van die Oliver-Pharr metode deur gebruik te maak van aflaaidata. Die inkepingsiklusse het 'n monotoniese afname in modulus getoon met toenemende inkepingsdiepte (2V). Hierdie agteruitgang in styfheid word verklaar deur die ophoping van skade (2C) as gevolg van onomkeerbare vervorming. Dit is opmerklik dat die ontwikkeling van die derde rondom die vesels plaasvind, en nie deur hulle nie.
Die meganiese eienskappe van tandkomponente is ook geassesseer deur gebruik te maak van kwasi-statiese mikropilaar kompressie eksperimente. ’n Gefokusde ioonstraal is gebruik om pilare van mikrometergrootte te produseer. Om die bindingssterkte tussen die primêre plate aan die konvekse kant van die tand te evalueer, is mikropilare vervaardig met 'n skuins oriëntasie relatief tot die normale koppelvlak tussen die plate (2D). In die prent 2E 'n mikropilaar met 'n skuins koppelvlak word getoon. En op die grafiek 2F die resultate van skuifspanningmetings word getoon.
Wetenskaplikes let op 'n interessante feit - die gemete elastiese modulus is byna die helfte van dié van inkepingstoetse. Hierdie verskil tussen inkeping en kompressietoetse is ook opgemerk vir tandemalje. Op die oomblik is daar verskeie teorieë om hierdie teenstrydigheid te verklaar (van omgewingsinvloede tydens toetse tot monsterkontaminasie), maar daar is steeds geen duidelike antwoord op die vraag waarom die teenstrydigheid voorkom nie.
Die volgende stap in die studie van see-egelstande was slytasietoetse wat met 'n skandeerelektronmikroskoop uitgevoer is. Die tand is aan 'n spesiale houer vasgeplak en teen 'n ultrananokristallyne diamantsubstraat gedruk (3A).
Prent #3
Die wetenskaplikes merk op dat hul weergawe van die slytasietoets die teenoorgestelde is van wat tipies gedoen word, waar 'n diamantpunt in 'n substraat van die materiaal wat getoets word, gedruk word. Veranderinge in slytasietoetstegnieke maak voorsiening vir 'n beter begrip van die eienskappe van die mikrostrukture en komponente van die tand.
Soos ons in die prente kan sien, begin skyfies vorm wanneer die kritieke las bereik word. Dit is die moeite werd om te oorweeg dat die "byt" krag van Aristoteles se lantern in see-egels wissel na gelang van die spesie van 1 tot 50 newton. In die toets is 'n krag van honderde mikronewton tot 1 newton gebruik, m.a.w. van 1 tot 5 newton vir die hele Aristoteliese lantern (aangesien daar vyf tande is).
In die prent 3B(i) sigbare fyn deeltjies (rooi pyl) wat gevorm word as gevolg van slytasie op die kliparea. Soos die kliparea slyt en saamtrek, kan krake by die raakvlakke tussen die plate ontwikkel en voortplant as gevolg van drukskuif-lading en spanningakkumulasie in die kalsietplaatarea. Prente 3B(ii) и 3B(iii) wys plekke waar fragmente afgebreek het.
Ter vergelyking is twee tipes slytasie-eksperimente uitgevoer: met 'n konstante las wat ooreenstem met die aanvang van opbrengs (WCL) en met 'n konstante las wat ooreenstem met die vloeispanning (WCS). As gevolg hiervan is twee tipes tandslytasie verkry.
Dra toets video:
Fase I
Fase II
Fase III
Stadium IV
Onder konstante las is kompressie van die area in die WCL-toets waargeneem, maar geen afsplintering of ander skade aan die plate is waargeneem nie (4A). Maar in die WCS-toets, wanneer die normale krag verhoog is om die nominale kontakspanning konstant te handhaaf, is afsplintering en verlies van plate waargeneem (4V).
Prent #4
Hierdie waarnemings word bevestig deur die grafiek (4S) metings van die kompressie-area en volume van afgekapte plate, afhangende van die glylengte (van die monster op die diamant tydens die toets).
Hierdie grafiek toon ook dat in die geval van WCL, skyfies nie vorm nie al is die glyafstand groter as in die geval van WCS. Inspeksie van saamgeperste en gekapte plate vir 4V stel ons in staat om die selfskerpmeganisme van see-egelstande beter te verstaan.
Die area van die saamgeperste area van die klip neem toe soos die plaat wegbreek, wat 'n deel van die saamgeperste area verwyder [4B (iii-v)]. Mikrostrukturele kenmerke soos die binding tussen klip en blaaie vergemaklik hierdie proses. Mikroskopie het getoon dat die vesels in die calculus area geboë en deur die lae plate in die konvekse deel van die tand binnegedring het.
Op die grafiek 4S 'n sprong in volume van die afgekapte area is sigbaar wanneer die nuwe plaat van die tand losgemaak word. Dit is vreemd dat daar op dieselfde oomblik 'n skerp afname in die breedte van die afgeplatte gebied is (4D), wat 'n selfskerpproses aandui.
Eenvoudig gestel, hierdie eksperimente het getoon dat wanneer 'n konstante normale (nie kritieke) las tydens slytasietoetse gehandhaaf word, die punt dof word terwyl die tand skerp bly. Dit blyk dat krimpvarkies se tande tydens gebruik geslyp word as die vrag nie krities oorskry nie, anders kan skade (skyfies) voorkom eerder as slyp.
Prent #5
Om die rol van tandmikrostrukture, hul eienskappe en hul bydrae tot die selfskerpmeganisme te verstaan, is 'n nie-lineêre eindige element-analise van die slytasieproses uitgevoer (5A). Om dit te doen is foto's van 'n lengtesnit van die punt van die tand gebruik, wat as basis gedien het vir 'n tweedimensionele model bestaande uit klip, plate, kiel en raakvlakke tussen plate en klip.
beeld 5B-5H is kontoergrafieke van die Mises-kriterium (plastisiteitskriterium) aan die rand van die klip- en plaatstreek. Wanneer 'n tand saamgepers word, ondergaan die klip groot viskoplastiese vervormings, versamel skade en trek saam ("plat") (5B и 5C). Verdere kompressie veroorsaak 'n skuifband in die klip, waar baie van die plastiese vervorming en skade ophoop, wat 'n deel van die klip afskeur en dit in direkte kontak met die substraat bring (5D). Sulke klipfragmentasie in hierdie model stem ooreen met eksperimentele waarnemings (gebreekte fragmente op 3B(i)). Kompressie lei ook tot delaminering tussen die plate aangesien die koppelvlakelemente aan gemengde belastings onderwerp word, wat dekohesie (delaminering) tot gevolg het. Soos die kontakarea toeneem, neem kontakspannings toe, wat lei tot krakinisiasie en voortplanting by die koppelvlak (5B-5E). Verlies aan adhesie tussen die plate verhoog die buiging wat veroorsaak dat die buitenste plaat los raak.
Om te krap vererger koppelvlakskade, wat lei tot die verwydering van wafel wanneer die wafer(s) splitsing ondergaan (waar krake van die koppelvlak afwyk en in die wafer binnedring, 5G). Soos die proses voortduur, raak fragmente van die plaat los van die punt van die tand (5H).
Interessant genoeg voorspel die modellering baie akkuraat afsplintering in beide die klip- en plaatareas, wat wetenskaplikes reeds tydens waarnemings opgemerk het (3B и 5I).
Vir 'n meer gedetailleerde kennismaking met die nuanses van die studie, beveel ek aan om na te kyk и aan hom.
Epiloog
Hierdie werk het weereens bevestig dat evolusie nie baie gunstig vir menslike tande was nie. Ernstig, in hul studie kon wetenskaplikes die selfskerpmeganisme van see-egelstande in detail ondersoek en verduidelik, wat gebaseer is op die ongewone struktuur van die tand en die korrekte las daarop. Die plate wat die krimpvarkie-tand bedek, skil onder 'n sekere lading af, wat help om die tand skerp te hou. Maar dit beteken nie dat see-egels klippe kan vergruis nie, want wanneer kritieke lasaanwysers bereik word, vorm krake en skyfies op die tande. Dit blyk dat die beginsel "jy het krag, jy het nie intelligensie nodig nie" beslis geen voordeel sal inhou nie.
Mens kan dink dat die bestudering van die tande van die diepseebewoners geen voordeel vir mense inhou nie, behalwe om onversadigbare menslike nuuskierigheid te bevredig. Die kennis wat uit hierdie navorsing verkry word, kan egter dien as die basis vir die skepping van nuwe soorte materiale wat eienskappe soortgelyk aan krimpvarktande sal hê – slytasieweerstand, selfskerping op materiaalvlak sonder eksterne hulp, en duursaamheid.
Hoe dit ook al sy, die natuur verberg baie geheime wat ons nog moet ontbloot. Sal hulle nuttig wees? Miskien ja, miskien nie. Maar soms, selfs in die mees komplekse verkennings, is wat belangrik is nie die bestemming nie, maar die reis self.
Vrydag buitekant:
Onderwater-reuse-kelpwoude dien as 'n bymekaarkomplek vir see-egels en ander ongewone seediere. (BBC Earth, voice-over deur David Attenborough).
Dankie vir die kyk, bly nuuskierig en lekker naweek vir almal! 🙂
Dankie dat jy by ons gebly het. Hou jy van ons artikels? Wil jy meer interessante inhoud sien? Ondersteun ons deur 'n bestelling te plaas of by vriende aan te beveel, 30% afslag vir Habr-gebruikers op 'n unieke analoog van intreevlakbedieners, wat deur ons vir jou uitgevind is: (beskikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 kerne en tot 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 keer goedkoper? Net hier in Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vanaf $99! Lees van
Bron: will.com