İnsanların dişlerle ilgili konuşmaları genellikle çürükler, diş telleri ve bembeyaz önlükler giymiş sadistlerle ilişkilendirilir. Ancak şaka bir yana, diş hekimleri ve ağız hijyenine dair belirlenen kurallar olmasaydı, biz sadece ezilmiş patates ve pipetle çorba içmek zorunda kalırdık. Bunun sebebi evrimdir; bize en dayanıklı dişleri vermedi ve bu da dişçilik endüstrisini oldukça sevindiriyor. Yaban hayatındaki dişlere bakarsak, ilk akla gelenler muhteşem aslanlar, kan içici köpekbalıkları ve oldukça pozitif sırtlanlardır. Ancak çenelerinin gücüne rağmen, dişleri deniz kestanelerinin dişleri kadar etkileyici değildir. Evet, bu su altındaki dikenler yığını, üzerine bastığınızda tatilinizin bir kısmını mahvedebileceğiniz varlık, oldukça etkileyici dişlere sahiptir. Sayıları az, sadece beş ama kendilerine has bir özellikleri var ve kendilerini keskinleştirebiliyorlar. Bilim insanları bu durumu nasıl keşfetti, bu sürecin nasıl işlediğini ve insanların nasıl faydalanabileceğini öğreniyoruz. Hadi başlayalım.
Araştırmanın temeli
İlk olarak, araştırmanın baş kahramanı ile tanışalım — Strongylocentrotus fragilis, Türkçe tabiriyle pembeli deniz kestaneleri. Bu deniz kestanesi türü, diğer akrabalarından özellikle farklı değildir; yalnızca daha basık yüzey şekli ve şık rengi ile dikkat çeker. Derin sularda (100 m ile 1 km arasında) yaşarlar ve 10 cm'ye kadar çaplanabilirler.
Deniz kestanesinin iskeleti, beş kollu simetrinin görünümüyle karakterizedir.
Deniz kestaneleri, kaba bir dille söylersek, düzgün ve düzgün olmayan olarak sınıflandırılabilir. Düzgün olanlar, belirgin beş kollu simetrisi olan neredeyse mükemmel dairesel bir vücut şekline sahipken, düzensiz olanlar daha asimetriktir.
Deniz kestanesini gördüğünüzde gözünüze çarpan ilk şey, vücudunu kaplayan dikenlerdir. Farklı türlerdeki dikenler 2 mm'den başlayarak 30 cm'ye kadar uzanabilir. Dikenlerin yanı sıra vücutta sferidlar (denge organları) ve pediselerya (penselere benzer uzantılar) bulunur.
Ortada beş diş net bir şekilde görünmektedir.
Deniz kestanesini tasvir etmek için önce baş aşağı durmak gerekir, çünkü ağız deliği vücudunun alt kısmında, diğer delikler ise üst kısmındadır. Deniz kestanelerinin ağzı, güzel bir bilimsel adı olan "Aristotelesin Feneri" ile donatılmış bir çiğneme aparatına sahiptir (bu organı ilk tanımlayan ve şeklini antik taşınabilir bir fenerle karşılaştıran kişi Aristoteles'tir). Bu organ beş çene ile donatılmıştır; herbirinin ucu keskin bir dişle sona erer (araştırılan pembe deniz kestanesinin Aristoteles feneri, aşağıdaki Şekil 1C'de gösterilmektedir).
Dəniz urchinlərinin dişlərinin dayanıqlığı, dişin distal səthinin kəskinliyini qorumaq üçün mineralizasiya olunmuş diş plitələrinin mərhələli şəkildə dağıdılması yolu ilə daim itilənməsi ilə təmin edilir.
Lakin bu proses necə baş verir, hansı dişlərin itilənməsi, hansılarının yox olması lazım olduğunu və bu vacib qərarı alimlərin necə qəbul etdiyini araşdırmağa çalışıblar.
Tədqiqatın nəticələri
Şəkil №1
Dəniz urchinlərinin dişlərinin sirrini açmazdan əvvəl, onların dişlərinin ümumi strukturunu nəzərdən keçirək.
Şəkillərdə duyarlıdır.—1С araşdırmanın qəhrəmanı — çəhrayı dəniz urchini göstərilir. Digər dəniz urchinləri ilə yanaşı, bu növün nümayəndələri də öz mineral komponentlərini dəniz suyundan alırlar. Dişlər, kalsit ilə zənginləşmiş, 99%-dən çox mineralizasiya olunmuş skelet elementləridir.
Daha əvvəl müzakirə etdiyimiz kimi, urchinlər dişlərini qida çeynəmək üçün istifadə edirlər. Bununla yanaşı, dişlərindən istifadə edərək, yırtıcılardan və ya pis hava şəraitindən gizlənmək üçün özlərinə quyu qazırlar. Bu cür qeyri-adi tətbiq nəzərə alındıqda, dişlərin son dərəcə möhkəm və kəskin olması tələb olunur.
Şəkildə 1D bütün dişin bir seqmentinin mikrokompüter tomoqrafiyası göstərilmişdir, bu da dişin elliptik bir əyri boyunca formalaşdığını və T-şəkilli kəsiyə sahib olduğunu ortaya qoyur.
Dişin kəsiyi (1E) dişin üç struktural sahədən ibarət olduğunu göstərir: ilkin plitələr, daşlı sahə və ikinci plitələr. Daşlı sahə, orqanik qabıqla əhatə olunmuş kiçik diametrli liflərdən ibarətdir. Liflər, maqniyumla zəngin kalsit hissəciklərindən ibarət polikristal matrisə həbs olunmuşdur. Bu hissəciklərin diametri təxminən 10-20 nmdir. Araşdırmaçılar bildirmişlər ki, maqniyumun konsentrasiyası dişin üstündə qeyri-bərabərdir və dişin ucuna yaxınlaşdıqca artır, bu da dişin aşınmaya davamlılığını və sərtliyini artırır.
Dişin daşlı sahəsinin uzun kəsiyi (1F) liflərin dağıldığını və orqanik qabığın və liflərin sərhədindəki ayrılma nəticəsində baş verən ayrılmanı göstərir.
İlkin plitələr adətən monokristal kalsitdən ibarətdir və dişin konveks səthində yerləşir, ikinci plitələr isə konkav səthi doldurur.
4A 1G bir-birinə paralel yerləşən bükülmüş ilkin plitələrdən ibarət kütləni görmək mümkündür. Şəkil həmçinin plitələr arasındakı boşluğu dolduran lifləri və polikristal matrisanı göstərir. Kamil (1H) kəsiyi T-şəkilli kəsiyin əsasını təşkil edir və dişin bükülmə zamanı sərtliyini artırır.
Artıq çəhrayı dəniz urchininin dişinin hansı struktura malik olduğunu bilirik, hazırda onun komponentlərinin mexaniki xüsusiyyətlərini araşdırmalıyıq. Bunun üçün skanerlə elektron mikroskop və nanoindeksasiya* metodu istifadə edərək sıxlıq testləri keçirilib.Nano-mexanik testlərində dişin uzununa və eninə istiqamətlərdə kəsilmiş nümunələr iştirak edib.
Nanoindente — nümunənin səthinə xüsusi bir alətin — indentorun — itələnməsi ilə materialın yoxlanılması.
Verilənlərin analizi göstərdi ki, dişin ucu boyunca və eninə istiqamətində orta Young modulu (E) və sərtlik (H) aşağıdakılardır: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (uzununa) və ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (eninə).
Young modulu — materialın uzanma və sıxılmaya qarşı müqavimətini təsvir edən fiziksel bir ölçüdür.
Sərtlik — materialın daha sərt bir bədənin (indentorun) daxil olmasına müqavimət göstərmək xüsusiyyətidir.
Bundan əlavə, uzununa istiqamətdə dövri əlavə yük ilə dərinliklər yaradılıb ki, bu da daş sahəsi üçün visko-plastik zədələnmə modelini yaratmışdır. 2A yük-deyişmə əyrisi göstərilir.
Görüntü No. 2
Hər dövr üçün modul Oliver-Farr metoduna əsaslanaraq boşaltma məlumatlarından hesablanmışdır. İtələmə dövrləri, itələmə dərinliyinin artması ilə modulun monotonic azaldığını göstərmişdir (2B). Belə bir sərtliyin pisləşməsi, geridönməz deformasiya nəticəsində zədələnmələrin yığılması ilə izah edilir.2CQeyri-adi olan budur ki, inkişaf üçüncü dalğalar etrafında baş verir, deyil, onların içindən.
Dişlərin tərkib hissələrinin mexaniki xüsusiyyətləri, mikrosütunların quasi-statistik sıxılma eksperimenti ilə də qiymətləndirilib. Mikrometr ölçüsündə sütunlar yaratmaq üçün fokuslanmış ion şüası istifadə olunmuşdur. Dişin konveks tərəfindəki ilkin plitələr arasında birləşmə gücünü qiymətləndirmək üçün, normal interfeysə nisbətən meylli yönəmlə mikrosütunlar istehsal edilmişdir (2D). Şəkildə 2E meylli interfeysə sahib mikrosütun göstərilir. Və qrafikdə 2F sürüşmə gərginliyinin ölçülməsi nəticələri göstərilir.
Alimlər maraqlı bir faktı qeyd edirlər ki, ölçülən elastiklik modu, itələməyə dair testlərdə olan qiymətdən demək olar ki, iki dəfə daha azdır. Bu, itələmə və sıxılma testləri arasında belə uyğunsuzluğun, diş emalında da baş verdiyi qeyd olunur. Hal-hazırda bu qeyri-uyğunluğu izah edən bir neçə nəzəriyyə var (testlər zamanı mühitin təsirindən tutmuş nümunələrin çirklənməsinə qədər), amma bunun niyə baş verdiyinə dair dəqiq bir cavab hələ yoxdur.
Dəniz urchin dişlərinin araşdırılmasının növbəti mərhələsi, skan elektron mikroskopu ilə həyata keçirilən aşınma testləri oldu. Diş xüsusi bir tutucuya yapışdırıldı və ultra-nano kristal almazdan hazırlanmış bir altlığa sıxıldı.3A).
Şəkil №3
Alimlər qeyd edirlər ki, onların aşınma testinin variantı, adətən, almaz ucu tədqiq olunan materialın altına basıldığı zaman aparılan testlərdən fərqlidir. Test metodikasındakı dəyişikliklər mikroyapıların və dişin tərkib hissələrinin xüsusiyyətlərini daha yaxşı öyrənməyə imkan tanıyır.
Rəsmlərdə göründüyü kimi, kritik yükün çatdırılması zamanı çiplər meydana gəlməyə başlayır. Qeyd etmək lazımdır ki, dəniz urchinlərinin Aristotel lampasının "bığ" gücü növündən asılı olaraq 1-dən 50 newtonadək dəyişir. Testdə isə tətbiq olunan güc yüzlərlə mikronyutondan 1 newtona qədər, yəni bütün Aristotel lampası üçün 1-dən 5 newtonadək (çünki dişlərin sayı beşdir) olub.
4A 3B(i) aşınma sahəsində yaranan kiçik hissəciklər görünür (qırmızı ox). Daşın üzərindəki sahə aşındıqca və sıxıldıqca, plitələr arasındakı interfeyslərdə çatlar meydana gələ və sıxılma-kəsilmə yükü və kaltsit plitələrinin sahəsindəki gərginliyin yığılması nəticəsində yayıla bilər. Şəkillər 3B(ii) və 3B(iii) sırıdların qopduğu yerləri göstərir.
Müqayisə üçün iki tip aşınma eksperimenti aparıldı: birincisi, akışın başlanğıcına uyğun sabit yük altında (WCL), ikincisi isə akışın limitinə uyğun sabit yük altında (WCS). Nəticədə, dişin iki aşınma variantı əldə edildi.
Aşınma testlərinin videoları:
Addım I
Addım II
Addım III
Addım IV
WCL testində davamlı yük altında sahənin sıxılması müşahidə olundu, lakin sırıdların və ya digər zədələrin olmadığı qeyd edildi (4A). Lakin WCS testində, normal gərginlik nominal təmas gərginliyini sabit saxlamaq üçün artırıldıqda, sırıdlar və plitələrin düşməsi baş verdi (4B).
Resim No. 4
Bu müşahidələr (4C) sürüşmə uzunluğuna (test zamanı almaz üzərində nümunəyə) görə sıxılma sahəsi və qopmuş plitələrin həcmi ölçmələri ilə təsdiqlənir.
Bu qrafik həmçinin WCL halda sırıdların formalaşmadığını, hətta sürüşmə məsafəsi WCS halından daha çox olduqda belə nümayiş etdirir. Sıxılmış və sırıdlar olan plitələri nəzərdən keçirmək 4B dəniz urchinlərinin dişlərinin özünü itiləmə mexanizmini daha yaxşı başa düşməyə imkan tanıyır.
Sıxılmış daş sahəsinin sahəsi artdıqca, plitə qopur və bu, sıxılmış sahənin bir hissəsinin çıxarılmasına səbəb olur. [4B (iii-v)]. Daş və plitələr arasındakı əlaqə kimi mikroyapısal xüsusiyyətlər, bu prosesi asanlaşdırır. Mikroskopiya, daş sahəsindəki liflərin büküldüyünü və dişin konveks hissəsindəki plitələrin arasından keçdiyini göstərdi.
Qrafikdə 4C qopmuş sahənin həcminin artığını görür, yeni plitə dişdən ayrılarkən. Maraqlıdır ki, bu eyni anda sıxılmış sahənin eninin kəskin şəkildə azalması baş verir (4D), bu da özünü itiləmə prosesinin şahididir.
Başqa sözlə, bu eksperimentlər göstərdi ki, testlər zamanı davamlı normal (kritisiz) yükün saxlanması zamanı ucun kəsilməsi baş verir, bir dəyirmi isə kəsici künc keskin qalır. Məlum olur ki, tırtılların dişləri istifadə zamanı kəskinləşir, əgər yük kritik səviyyəni keçmirsə, əks təqdirdə zədələnmə (çatlama) baş verir, kəskinləşmə yerinə.
Şəkil №5
Dişin mikrostukturlarının rolunu, onların xüsusiyyətlərini və öz-özünə kəskinləşdirmə mexanizminə töhfələrini anlamaq üçün qeyri-xətti analiz aparılmışdır (5A). Bunun üçün diş ucunun uzunlamasına kəsik çəkmələri istifadə edilib və bunlar daş, lövhələr, kil və lövhələr ilə daş arasında interfeyslərdən ibarət ikiölçülü modelin əsasını təşkil edir.
Şəkillər 5B–5H — bu, daşın və lövhənin sərhədində Mises kriteryasının (plastik kriterya) kontur qrafikləridir. Diş sıxıldığı zaman, daş böyük viskoplastik deformasiya və zədə accumulyasiyasına məruz qalır və sıxılır («sıxışır») (5B və 5C). Daha sonra sıxılma, daşda, əsas plastiki deformasiyanın və zədələrin toplanıldığı bir sürüşmə zolağı yaradır, bu, daşın bir hissəsini qopararaq, onu əsas ilə birbaşa təmasda edir (5D). Bu modeldə daşın belə fraqmentasiyası eksperemental müşahidələrlə uyğundur (qopmuş fraqmentlər rast gəlinir 3B(i)). Sıxılma, lövhələr arasında ayrılmaya səbəb olur, çünki interfeys elementləri qarışıq yüklənməyə məruz qalır və dekohesiyaya (qopmaya) səbəb olur. Əlaqə sahəsi artırdıqca, əlaqə gərginliyi artır, bu isə interfeysdə çatlaqların yaranmasına və yayılmasına səbəb olur (5B—5E). Lövhələr arasındakı yapışmanın itməsi, xarici lövhənin ayrılmasını gücləndirir.
Scrap, interfeysdə zədələnməni artırır ki, bu da lövhənin ayrılmasına səbəb olur, belə ki, lövhələr (çox hissələr) çatlar interfeysdən ayrılıb lövhəyə dəyir ( 5G). Proses davam etdikcə, lövhələrin parçaları dişin ucundan ayrılır (5H).
Maraqlıdır ki, simulyasiya həm daş, həm də lövhələr sahəsində çatlamaların çox dəqiq proqnozlaşdırıldığını göstərir ki, bu da alimlər tərəfindən daha əvvəl müşahidə olunmuşdur (3B və 5I).
Araşdırmanın incəlikləri ilə daha ətraflı tanış olmaq üçün və baxmağı tövsiyə edirəm.
Epiloq
Bu çalışma, evrimin insan dişlerine pek çok zaman nazik davranmadığını bir kez daha kanıtladı. Ciddi olmak gerekirse, araştırmalarında bilim insanları deniz kestanelerinin dişlerini kendiliğinden aşındırma mekanizmasını detaylı bir şekilde inceleme ve açıklama fırsatı buldu. Kestanelerin dişlerini kaplayan tabakalar, belli bir yük altında ayrışarak dişin keskinliğini korumasını sağlıyor. Ancak bu, deniz kestanelerinin taşları kırabileceği anlamına gelmiyor; çünkü dişlerde kritik yük seviyelerine ulaşıldığında çatlaklar ve çipler oluşuyor. Yani, 'güç var, akıl yok' prensibi kesinlikle bir fayda sağlamazdı.
Deniz derinliklerinde yaşayanların dişlerini incelemenin, insanların doymak bilmez merakını tatmin etmek dışında pek bir faydası olmadığını düşünebilirsiniz. Ancak bu araştırma sonucunda elde edilen bilgiler, deniz kestanelerinin dişleriyle benzer özelliklere sahip yeni malzeme türlerinin geliştirilmesinin temelini oluşturabilir — aşınma direnci, malzeme seviyesinde kendiliğinden keskinleşme ve dayanıklılık.
Her neyse, doğa henüz keşfedilmemiş birçok sır barındırıyor. Bunlar faydalı olacak mı? Belki evet, belki de hayır. Ama bazen en karmaşık araştırmalarda önemli olan varış noktası değil, yolculuğun kendisidir.
Cümə günü offtop:
Dev deniz yosunlarının su altı ormanları, deniz kestanelerinin ve okyanusların diğer olağandışı sakinlerinin toplandığı bir yer olarak hizmet ediyor. (BBC Earth, arka planda - David Attenborough).
Diqqətinizə görə təşəkkür edirəm, maraqlı olun və hamınıza əla həftəsonları, dostlar! 🙂
Bizimlə qaldığınız üçün təşəkkür edirik. Maraqlandığınız məqalələrimiz var? Daha çox maraqlı material görmək istəyirsiniz? Bizi dəstəkləmək üçün sifariş verdiyinizdə və ya tanışlarınıza tövsiyə etdiyinizdə bizə kömək edin. Sizin üçün icad edilmiş unikal entry-level serverlərdə Habr istifadəçiləri üçün 30% endirim: (RAID1 və RAID10 ilə variantlar, 24 nüvəyə qədər və 40GB DDR4-a qədər mövcuddur).
Dell R730xd iki dəfə ucuz? Yalnız bizdə Niderlandda! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — 99 $-dan! Bunun haqqında oxuyun
Mənbə: habr.com
