غالبًا ما يرتبط الحديث عن الأسنان لدى الناس بالتسوس ، والأقواس والساديين في المعاطف البيضاء الذين يحلمون فقط بصنع خرز من أسنانك. لكن بغض النظر عن النكات ، لأنه بدون أطباء الأسنان وقواعد نظافة الفم الراسخة ، كنا نأكل فقط البطاطس المهروسة والحساء من خلال القش. وكل شيء هو المسؤول عن التطور ، الذي أعطانا بعيدًا عن الأسنان الأكثر ديمومة ، والتي لا تزال لا تتجدد ، والتي ربما ترضي ممثلي صناعة الأسنان بشكل لا يوصف. إذا تحدثنا عن أسنان ممثلي البرية ، فإن الأسود المهيبة وأسماك القرش المتعطشة للدماء والضباع الإيجابية للغاية تتبادر إلى الذهن على الفور. ومع ذلك ، على الرغم من قوة وقوة فكيهم ، فإن أسنانهم ليست مذهلة مثل أسنان قنافذ البحر. نعم ، هذه الكرة من الإبر تحت الماء ، التي تخطو عليها يمكن أن تدمر جزءًا كبيرًا من عطلتك ، لها أسنان جيدة جدًا. بالطبع ، لا يوجد الكثير منهم ، خمسة فقط ، لكنهم فريدون بطريقتهم الخاصة وقادرون على شحذ أنفسهم. كيف حدد العلماء مثل هذه الميزة ، وكيف تسير هذه العملية بالضبط وكيف يمكن أن تساعد الناس؟ نتعلم عن هذا من تقرير مجموعة البحث. يذهب.
أساس البحث
بادئ ذي بدء ، يجدر التعرف على الشخصية الرئيسية للدراسة - Strongylocentrotus fragilis ، من الناحية البشرية ، مع قنفذ البحر الوردي. لا يختلف هذا النوع من قنفذ البحر كثيرًا عن نظرائه الآخرين ، باستثناء شكل أكثر تسطيحًا في القطبين ولونًا ساحرًا. إنهم يعيشون على عمق كبير (من 100 م إلى 1 كم) ، ويصل قطرهم إلى 10 سم.
"الهيكل العظمي" لقنفذ البحر ، والذي يُظهر تناظرًا خماسيًا للأشعة.
قنافذ البحر ، مهما بدت وقحة ، صحيحة وخاطئة. الأول له شكل جسم مستدير تمامًا تقريبًا مع تناظر خماسي واضح ، في حين أن الأخير غير متماثل.
أول ما يلفت انتباهك عندما ترى قنفذ البحر هو ريشه التي تغطي الجسم بالكامل. في الأنواع المختلفة ، يمكن أن تتراوح الإبر من 2 مم إلى 30 سم.بالإضافة إلى الإبر ، يمتلك الجسم كروي الشكل (أجهزة توازن) ورُجَيلات (عمليات تشبه الملقط).
جميع الأسنان الخمسة مرئية بوضوح في المركز.
لتصوير قنفذ البحر ، عليك أولاً أن تقف رأسًا على عقب ، لأن فتحة فمه تقع في الجزء السفلي من الجسم ، بينما توجد الفتحات الأخرى في الجزء العلوي. تم تجهيز فم قنافذ البحر بجهاز مضغ يحمل اسمًا علميًا جميلًا "فانوس أرسطو" (كان أرسطو هو أول من وصف هذا العضو وقارنه في الشكل بفانوس محمول عتيق). هذا العضو مجهز بخمسة فكوك ، كل منها ينتهي بسن حاد (يظهر فانوس أرسطو للقنفذ الوردي الذي تم فحصه في الصورة 1C أدناه).
هناك افتراض بأن متانة أسنان قنافذ البحر يتم ضمانها من خلال شحذها المستمر ، والذي يحدث من خلال التدمير التدريجي لألواح الأسنان المعدنية للحفاظ على حدة السطح البعيد.
ولكن كيف تتم هذه العملية بالضبط ، وأي الأسنان تحتاج إلى شحذ وأيها لا تحتاج ، وكيف يتم اتخاذ هذا القرار المهم؟ حاول العلماء العثور على إجابات لهذه الأسئلة.
نتائج الدراسة
الصورة رقم 1
قبل الكشف عن أسرار أسنان قنافذ البحر ، ضع في اعتبارك بنية أسنانها بشكل عام.
على الصور 1А-1S يظهر بطل الدراسة - قنفذ البحر الوردي. مثل قنافذ البحر الأخرى ، يحصل ممثلو هذه الأنواع على مكوناتهم المعدنية من مياه البحر. من بين عناصر الهيكل العظمي ، الأسنان شديدة التمعدن (بنسبة 99٪) بالكالسيت الغني بالمغنيسيوم.
كما ناقشنا سابقًا ، يستخدم القنافذ أسنانهم في كشط الطعام. لكن إلى جانب ذلك ، بمساعدة أسنانهم ، يقومون بحفر ثقوب لأنفسهم ، يختبئون فيها من الحيوانات المفترسة أو سوء الأحوال الجوية. بالنظر إلى هذا الاستخدام غير المعتاد للأسنان ، يجب أن تكون الأخيرة قوية للغاية وحادة.
على الصورة 1D يتم عرض التصوير المقطعي المحوسب الدقيق لجزء من السن بالكامل ، مما يوضح أن السن يتكون على طول منحنى بيضاوي مع مقطع عرضي على شكل حرف T.
المقطع العرضي للأسنان (1E) يوضح أن السن يتكون من ثلاث مناطق هيكلية: الصفيحة الأولية ، ومنطقة القلح ، والصفائح الثانوية. تتكون المنطقة الحجرية من ألياف ذات قطر صغير ، محاطة بقشرة عضوية. يتم تغليف الألياف في مصفوفة متعددة البلورات تتكون من جزيئات الكالسيت الغنية بالمغنيسيوم. يبلغ قطر هذه الجسيمات حوالي 10-20 نانومتر. لاحظ الباحثون أن تركيز المغنيسيوم ليس موحدًا في جميع أنحاء السن ويزيد بالقرب من نهايته ، مما يزيد من مقاومة التآكل والصلابة.
مقطع طولي (1F) من حساب التفاضل والتكامل يظهر تدمير الألياف ، وكذلك الانفصال الذي يحدث بسبب التفريغ في السطح البيني بين الألياف والقشرة العضوية.
تتكون القشرة الأولية عادة من بلورات الكالسيت المفردة وتقع على السطح المحدب للسن ، بينما تملأ القشرة الثانوية السطح المقعر.
في الصورة 1G يمكن للمرء أن يرى مجموعة من الصفائح الأولية المنحنية موازية لبعضها البعض. تُظهر الصورة أيضًا أليافًا ومصفوفة متعددة البلورات تملأ الفراغ بين الألواح. عارضة (1H) يشكل قاعدة المقطع T المستعرض ويزيد من صلابة الانحناء للسن.
نظرًا لأننا نعرف بنية سن قنفذ البحر الوردي ، نحتاج الآن إلى معرفة الخصائص الميكانيكية لمكوناته. لهذا ، تم إجراء اختبارات الضغط باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح والطريقة المسافة النانوية *. شاركت العينات المقطوعة على طول الاتجاهات الطولية والعرضية للأسنان في الاختبارات الميكانيكية النانوية.
المسافة النانوية * - فحص المادة بطريقة المسافة البادئة في سطح العينة بأداة خاصة - البادئة.
أظهر تحليل البيانات أن متوسط معامل Young (E) والصلابة (H) عند طرف السن في الاتجاهين الطولي والعرضي هما: EL = 77.3 ± 4,8 GPa ، HL = 4.3 ± 0.5 GPa (طولية) و ET = 70.2 ± 7.2 GPa ، HT = 3,8 ± 0,6 جيجا باسكال (عرضي).
معامل يونج* - كمية فيزيائية تصف قدرة مادة ما على مقاومة التوتر والضغط.
صلابة* - خاصية المادة لمقاومة إدخال جسم أكثر صلابة (إندينتر).
بالإضافة إلى ذلك ، تم عمل فترات الاستراحة في الاتجاه الطولي مع حمل إضافي دوري لإنشاء نموذج للضرر المطيل لمنطقة الحجر. على 2А يظهر منحنى الحمل والإزاحة.
الصورة رقم 2
تم حساب المعامل لكل دورة بناءً على طريقة Oliver-Farr باستخدام بيانات التفريغ. أظهرت دورات المسافة البادئة انخفاضًا رتيبًا في المعامل مع زيادة عمق المسافة البادئة (2V). يفسر هذا التدهور في الصلابة تراكم الضرر (2C) نتيجة تشوه لا رجعة فيه. يشار إلى أن تطور الثالث يحدث حول الألياف وليس من خلالها.
تم أيضًا تقييم الخواص الميكانيكية لمكونات السن باستخدام تجارب ضغط ميكروبيار شبه ثابتة. تم استخدام حزمة أيونية مركزة لتصنيع أعمدة بحجم ميكرومتر. لتقييم قوة الاتصال بين الألواح الأولية على الجانب المحدب من السن ، تم تصنيع الحشوات الصغيرة ذات الاتجاه المائل بالنسبة للواجهة العادية بين الألواح (2D). في الصورة 2E يظهر عمود صغير بواجهة مائلة. وعلى الرسم البياني 2F يتم عرض نتائج قياس إجهاد القص.
لاحظ العلماء حقيقة مثيرة للاهتمام - معامل المرونة المقاس يساوي تقريبًا نصف اختبارات المسافة البادئة. لوحظ هذا التناقض بين المسافة البادئة واختبارات الضغط أيضًا لمينا الأسنان. في الوقت الحالي ، هناك العديد من النظريات التي تشرح هذا التناقض (من التأثيرات البيئية أثناء الاختبارات إلى تلوث العينات) ، ولكن لا توجد إجابة واضحة على السؤال عن سبب حدوث هذا التناقض.
كانت الخطوة التالية في دراسة أسنان قنفذ البحر هي اختبارات التآكل التي أجريت باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح. تم لصق السن على حامل خاص وضغطه على ركيزة من الماس متناهى الصغر (3А).
الصورة رقم 3
لاحظ العلماء أن نسختهم من اختبار التآكل هي عكس ما يتم إجراؤه عادةً عند ضغط طرف ماسي في ركيزة من المادة قيد الدراسة. تسمح التغييرات في منهجية اختبار التآكل بفهم أفضل لخصائص الهياكل الدقيقة ومكونات الأسنان.
كما نرى في الصور ، عندما يتم الوصول إلى الحمل الحرج ، تبدأ الرقائق في التكون. تجدر الإشارة إلى أن قوة "عضة" الفانوس الأرسطي في قنافذ البحر تختلف باختلاف الأنواع من 1 إلى 50 نيوتن. في الاختبار ، تم تطبيق قوة من مئات الميكرونيوتونات إلى 1 نيوتن ، أي من 1 إلى 5 نيوتن للفانوس الأرسطي بأكمله (حيث يوجد خمسة أسنان).
في الصورة 3 ب (ط) تظهر الجسيمات الصغيرة (السهم الأحمر) نتيجة تآكل المنطقة الحجرية. مع تآكل المنطقة الحجرية وتقلصها ، يمكن أن تنشأ الشقوق في الواجهات بين الصفائح وتنتشر بسبب تحميل الضغط والقص وتراكم الضغط في منطقة ألواح الكالسيت. لقطات 3 ب (XNUMX) и 3 ب (XNUMX) اعرض الأماكن التي انقطعت فيها الشظايا.
للمقارنة ، تم إجراء نوعين من تجارب التآكل: مع حمل ثابت يتوافق مع بداية العائد (WCL) وحمل ثابت يتوافق مع مقاومة الخضوع (WCS). نتيجة لذلك ، تم الحصول على نوعين مختلفين من تآكل الأسنان.
ارتداء اختبار الفيديو:
المرحلة الأولى
المرحلة الثانية
المرحلة الثالثة
المرحلة الرابعة
في حالة وجود حمل ثابت في اختبار WCL ، لوحظ ضغط المنطقة ، ومع ذلك ، لم يلاحظ أي تقطيع أو تلف آخر للألواح (4A). ولكن في اختبار WCS ، عندما تمت زيادة القوة العادية للحفاظ على ثبات جهد التلامس الاسمي ، لوحظ تقطيع وسقوط الصفائح (4V).
الصورة رقم 4
تم تأكيد هذه الملاحظات من خلال المؤامرة (4S) قياسات منطقة الضغط وحجم الألواح المتكسرة اعتمادًا على طول الانزلاق (عينة فوق الماس أثناء الاختبار).
يوضح هذا الرسم البياني أيضًا أنه في حالة WCL ، لا يتم تشكيل رقائق حتى لو كانت مسافة الانزلاق أكبر مما كانت عليه في حالة WCS. فحص الألواح المضغوطة والمكسورة 4V يسمح لك بفهم آلية الشحذ الذاتي لأسنان قنفذ البحر بشكل أفضل.
تزداد مساحة المنطقة المضغوطة من الحجر مع تكسر الصفيحة ، مما يؤدي إلى إزالة جزء من المنطقة المضغوطة [4ب (ثالثًا إلى ت)]. الميزات الهيكلية المجهرية مثل الرابطة بين الحجر والألواح تسهل هذه العملية. أظهر الفحص المجهري أن الألياف الموجودة في القلح تنثني وتخترق طبقات الصفائح في الجزء المحدب من السن.
على المخطط 4S هناك قفزة في حجم المنطقة المتكسرة عند فصل الصفيحة الجديدة عن السن. من الغريب أنه في نفس اللحظة يحدث انخفاض حاد في عرض المنطقة المفلطحة (4D) ، مما يدل على عملية الشحذ الذاتي.
ببساطة ، أظهرت هذه التجارب أنه مع الحفاظ على حمل طبيعي ثابت (غير حرج) أثناء اختبارات التآكل ، يصبح الطرف غير حاد ، بينما تظل السن حادة. اتضح أن أسنان القنفذ يتم شحذها أثناء الاستخدام ، إذا كان الحمل لا يتجاوز الحرج ، وإلا فقد يحدث ضرر (رقائق) ، وليس شحذ.
الصورة رقم 5
من أجل فهم دور الهياكل الدقيقة للأسنان وخصائصها ومساهمتها في آلية الشحذ الذاتي ، تم إجراء تحليل غير خطي للعناصر المحدودة لعملية التآكل (5А). للقيام بذلك ، تم استخدام صور مقطع طولي من طرف السن ، والتي كانت بمثابة أساس لنموذج ثنائي الأبعاد يتكون من الحجر ، والألواح ، والعارضة ، والواجهات بين الصفائح والحجر.
Изображения 5B-5H هي مخططات كفافية لمعيار ميزس (معيار اللدونة) على حافة منطقة الحجر والبلاطة. عندما يتم ضغط السن ، فإن القلح يخضع لتشوهات كبيرة في اللزوجة ، ويتراكم الضرر ويتقلص ("يتسطح") (5B и 5C). يؤدي الضغط الإضافي إلى إحداث شريط قص في الحجر ، حيث يتراكم معظم التشوه والأضرار البلاستيكية ، مما يؤدي إلى تمزيق جزء من الحجر ، مما يجعله في اتصال مباشر مع الركيزة (5D). يتوافق هذا التشظي للحجر في هذا النموذج مع الملاحظات التجريبية (شظايا مقسمة على 3 ب (ط)). يؤدي الضغط أيضًا إلى التفكيك بين الألواح حيث تتعرض عناصر الواجهة لتحميل مختلط مما يؤدي إلى فك التماسك (التقشير). مع زيادة منطقة التلامس ، تزداد ضغوط التلامس ، مما يتسبب في بدء وانتشار صدع في الواجهة (5B-5E). يؤدي فقدان الالتصاق بين الصفائح إلى تقوية الالتواء ، مما يؤدي إلى انفصال الصفيحة الخارجية.
يؤدي الخدش إلى تفاقم تلف الواجهة مما يؤدي إلى إزالة اللوحة عندما تتعرض اللوحة (اللوحات) للانقسام (حيث تنحرف الشقوق عن الواجهة وتخترق اللوحة ، 5G). مع استمرار العملية ، يتم فصل شظايا الصفيحة عن طرف السن (5H).
من الغريب أن المحاكاة تتنبأ بدقة شديدة بالتشظي في كل من منطقتي الحجر والصفيحة ، وهو ما لاحظه العلماء بالفعل أثناء الملاحظات (3B и 5I).
لمزيد من التعارف المفصل مع الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بالنظر и له.
خاتمة
أكد هذا العمل مرة أخرى أن التطور لم يكن داعمًا جدًا للأسنان البشرية. على محمل الجد ، في دراستهم ، تمكن العلماء من فحص وشرح بالتفصيل آلية الشحذ الذاتي لأسنان قنافذ البحر ، والتي تستند إلى البنية غير العادية للسن والحمل الصحيح عليها. تقشر الألواح التي تغطي أسنان القنفذ تحت حمولة معينة ، مما يسمح لك بالحفاظ على السن حادًا. لكن هذا لا يعني أن قنافذ البحر يمكنها تكسير الحجارة ، لأنه عندما يتم الوصول إلى مؤشرات الحمل الحرجة ، تتشكل تشققات ورقائق على الأسنان. اتضح أن مبدأ "هناك قوة ، لا حاجة للعقل" بالتأكيد لن يجلب أي فائدة.
قد يعتقد المرء أن دراسة أسنان سكان أعماق البحار لا تعود بأي فائدة على الإنسان ، باستثناء إرضاء فضول الإنسان النهم. ومع ذلك ، يمكن أن تكون المعرفة المكتسبة خلال هذه الدراسة بمثابة الأساس لإنشاء أنواع جديدة من المواد التي سيكون لها خصائص مماثلة لأسنان القنافذ - مقاومة التآكل ، والشحذ الذاتي على مستوى المواد دون مساعدة خارجية ، والمتانة.
مهما كان الأمر ، فإن الطبيعة تحمل العديد من الأسرار التي لم نكشف عنها بعد. هل ستكون مفيدة؟ ربما نعم ، وربما لا. لكن في بعض الأحيان ، حتى في أكثر الأبحاث تعقيدًا ، في بعض الأحيان لا تكون الوجهة هي المهمة ، ولكن الرحلة نفسها.
الجمعة خارج القمة:
تعمل غابات الطحالب العملاقة تحت الماء كمكان لتجمع قنافذ البحر وسكان المحيطات غير العادية الأخرى. (بي بي سي إيرث ، التعليق الصوتي - ديفيد أتينبورو).
شكرًا على المشاهدة ، ابق فضوليًا واستمتع بعطلة نهاية أسبوع رائعة للجميع! 🙂
أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية المزيد من المحتويات الشيقة؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية للأصدقاء ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من الخوادم المبتدئة ، والتي اخترعناها من أجلك: (متوفر مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجا بايت DDR4).
ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ هنا فقط في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960 جيجا بايت SSD 1 جيجا بايت في الثانية 100 تيرا بايت - من 99 دولارًا! أقرأ عن
المصدر: www.habr.com