İnsanlarda dişlər haqqında danışmaq ən çox dişlərinizdən muncuq düzəltməyi xəyal edən ağ xalatlı karies, braketlər və sadistlərlə əlaqələndirilir. Amma zarafat bir yana, çünki stomatoloqlar və müəyyən edilmiş ağız gigiyenası qaydaları olmasaydı, biz ancaq saman vasitəsilə əzilmiş kartof və şorba yeyərdik. Və hər şey təkamül üçün günahkardır, bizə ən davamlı dişlərdən uzaq olan, hələ də bərpa olunmayan, yəqin ki, diş sənayesinin nümayəndələrini təsvirolunmaz dərəcədə sevindirir. Vəhşi təbiət nümayəndələrinin dişləri haqqında danışırıqsa, o zaman əzəmətli aslanlar, qaniçən köpəkbalıqları və son dərəcə müsbət hiyenalar dərhal ağla gəlir. Ancaq çənələrinin gücünə və möhkəmliyinə baxmayaraq, dişləri dəniz kirpilərininki qədər heyrətamiz deyil. Bəli, tətilinizin yaxşı bir hissəsini məhv edə biləcəyiniz su altındakı bu iynə topunun kifayət qədər yaxşı dişləri var. Əlbəttə ki, onların sayı çox deyil, yalnız beşdir, lakin onlar özlərinə xas olan unikaldırlar və özlərini kəskinləşdirməyi bacarırlar. Alimlər belə bir xüsusiyyəti necə müəyyən etdilər, bu proses tam olaraq necə gedir və insanlara necə kömək edə bilər? Bu barədə araşdırma qrupunun hesabatından öyrənirik. Get.
Tədqiqat bazası
İlk növbədə, tədqiqatın əsas personajı - Strongylocentrotus fragilis, insan dilində, çəhrayı dəniz kirpisi ilə tanış olmağa dəyər. Bu növ dəniz kirpisi, qütblərdə daha yastı forma və məftunedici rəng istisna olmaqla, digər həmkarlarından çox da fərqlənmir. Onlar kifayət qədər dərinlikdə yaşayırlar (100 m-dən 1 km-ə qədər) və diametri 10 sm-ə qədər böyüyürlər.
Beş şüa simmetriyasını göstərən dəniz kirpisinin "skeleti".
Dəniz kirpiləri nə qədər kobud səslənsə də, doğru və yanlışdır. Birincisi, beş şüa simmetriyası ilə demək olar ki, mükəmməl yuvarlaq bir bədən formasına malikdir, ikincisi isə daha asimmetrikdir.
Dəniz kirpisini görəndə ilk diqqətinizi çəkən şey onun bütün bədəni əhatə edən tükləridir. Müxtəlif növlərdə iynələr 2 mm-dən 30 sm-ə qədər ola bilər.İğnələrə əlavə olaraq bədəndə sferidiya (müvazinət orqanları) və pedisellariya (forsepslərə bənzəyən proseslər) var.
Beş dişin hamısı mərkəzdə aydın görünür.
Dəniz kirpisini təsvir etmək üçün əvvəlcə başıaşağı dayanmaq lazımdır, çünki ağız açılışı bədənin aşağı hissəsində yerləşir, lakin digər dəliklər yuxarıdadır. Dəniz kirpilərinin ağzı gözəl elmi adı olan “Aristotelin fənəri” çeynəmə aparatı ilə təchiz edilmişdir (bu orqanı ilk dəfə təsvir edən və formasına görə antik portativ fənərlə müqayisə edən Aristoteldir). Bu orqan hər biri iti dişlə bitən beş çənə ilə təchiz edilmişdir (tədqiq olunan çəhrayı kirpinin Aristotel fənəri aşağıdakı şəkil 1C-də göstərilmişdir).
Dəniz kirpilərinin dişlərinin davamlılığının distal səthin itiliyini saxlamaq üçün minerallaşmış diş plitələrinin tədricən məhv edilməsi yolu ilə baş verən daimi itilənməsi ilə təmin edildiyinə dair bir fərziyyə var.
Bəs bu proses tam olaraq necə gedir, hansı dişləri itiləmək lazımdır, hansını yox və bu mühüm qərar necə verilir? Alimlər bu suallara cavab tapmağa çalışıblar.
Tədqiqatın nəticələri
Şəkil №1
Dəniz kirpilərinin diş sirlərini açmazdan əvvəl, ümumiyyətlə, dişlərinin quruluşunu nəzərdən keçirin.
Şəkillər üzərində 1A-1S tədqiqatın qəhrəmanı göstərilir - çəhrayı dəniz kirpisi. Digər dəniz kirpiləri kimi, bu növün nümayəndələri də mineral komponentlərini dəniz suyundan alırlar. Skelet elementləri arasında dişlər maqneziumla zənginləşdirilmiş kalsitlə yüksək minerallaşmışdır (99%).
Daha əvvəl müzakirə etdiyimiz kimi, kirpi yeməkləri qırmaq üçün dişlərindən istifadə edir. Bununla yanaşı, dişlərinin köməyi ilə yırtıcılardan və ya pis hava şəraitindən gizləndikləri çuxurlar qazırlar. Dişlərin bu qeyri-adi istifadəsini nəzərə alsaq, sonuncu son dərəcə güclü və kəskin olmalıdır.
Şəkil üzərində 1D bütöv bir dişin seqmentinin mikrokompüter tomoqrafiyası göstərilir ki, bu da dişin T şəkilli en kəsiyi olan elliptik əyri boyunca formalaşdığını aydınlaşdırır.
dişin en kəsiyi (1E) dişin üç struktur bölgədən ibarət olduğunu göstərir: birincili laminalar, diş daşı bölgəsi və ikincil lamellər. Daş sahəsi üzvi qabıqla əhatə olunmuş kiçik diametrli liflərdən ibarətdir. Liflər maqneziumla zəngin kalsit hissəciklərindən ibarət polikristal matrislə örtülmüşdür. Bu hissəciklərin diametri təxminən 10-20 nm-dir. Tədqiqatçılar qeyd edirlər ki, maqneziumun konsentrasiyası diş boyu vahid deyil və sonuna yaxın artır, bu da onun artan aşınma müqavimətini və sərtliyini təmin edir.
Uzununa bölmə (1F) diş daşının liflər və üzvi qabıq arasındakı interfeysdə delaminasiya nəticəsində baş verən liflərin məhv edilməsini, həmçinin ayrılmasını göstərir.
Birincili kaplamalar adətən kalsit monokristallarından ibarətdir və dişin qabarıq səthində yerləşir, ikinci dərəcəli kaplamalar isə içbükey səthi doldurur.
Şəkildə 1G bir-birinə paralel uzanan bir sıra əyri əsas lövhələri görmək olar. Şəkildə plitələr arasındakı boşluğu dolduran liflər və polikristal matris də göstərilir. qaymaq (1H) eninə T-hissəsinin əsasını təşkil edir və dişin əyilmə sərtliyini artırır.
Çəhrayı dəniz kirpisinin dişinin hansı quruluşa malik olduğunu bildiyimiz üçün indi onun tərkib hissələrinin mexaniki xüsusiyyətlərini öyrənməliyik. Bunun üçün skan edən elektron mikroskop və metoddan istifadə etməklə sıxılma testləri aparılmışdır nano girinti *. Dişin uzununa və eninə istiqamətləri boyunca kəsilmiş nümunələr nanomexaniki sınaqlarda iştirak etmişdir.
Nano girinti* — materialın nümunənin səthinə girinti üsulu ilə yoxlanılması, xüsusi alətlə — girinti vasitəsi ilə.
Məlumatların təhlili göstərdi ki, uzununa və eninə istiqamətlərdə diş ucunda 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 gərginliyə və sıxılmaya qarşı durma qabiliyyətini təsvir edən fiziki kəmiyyət.
Sərtlik* - materialın daha möhkəm bir cismin (indenter) daxil olmasına müqavimət göstərmək xüsusiyyəti.
Bundan əlavə, daş sahəsi üçün çevik zədələnmə modelini yaratmaq üçün tsiklik əlavə yüklə uzununa istiqamətdə çökəkliklər edildi. Aktiv 2A yükün yerdəyişməsi əyrisi göstərilir.
Şəkil №2
Hər bir dövr üçün modul boşalma məlumatlarından istifadə etməklə Oliver-Farr metodu əsasında hesablanmışdır. Girinti dövrləri artan girinti dərinliyi ilə modulda monoton azalma göstərdi (2V). Sərtliyin belə pisləşməsi zərərin yığılması ilə izah olunur (2C) dönməz deformasiya nəticəsində. Maraqlıdır ki, üçüncünün inkişafı onların vasitəsilə deyil, liflər ətrafında baş verir.
Diş komponentlərinin mexaniki xassələri də kvazistatik mikropillar sıxılma təcrübələrindən istifadə etməklə qiymətləndirilmişdir. Mikrometr ölçülü sütunlar hazırlamaq üçün fokuslanmış ion şüasından istifadə edilmişdir. Dişin qabarıq tərəfindəki birincil lövhələr arasındakı əlaqənin möhkəmliyini qiymətləndirmək üçün mikropillarlar plitələr arasındakı normal interfeysə nisbətən əyilmiş oriyentasiya ilə hazırlanmışdır (2D). Şəkildə 2E meylli interfeysə malik mikro sütun göstərilir. Və qrafikdə 2F kəsilmə gərginliyinin ölçülməsinin nəticələri göstərilir.
Alimlər maraqlı bir faktı qeyd edirlər - ölçülən elastiklik modulu girinti testlərinin demək olar ki, yarısıdır. Girinti və sıxılma testləri arasındakı bu uyğunsuzluq diş minası üçün də qeyd olunur. Hal-hazırda bu uyğunsuzluğu izah edən bir neçə nəzəriyyə var (sınaqlar zamanı ətraf mühitin təsirindən nümunələrin çirklənməsinə qədər), lakin uyğunsuzluğun niyə baş verdiyi sualına dəqiq cavab yoxdur.
Dəniz kirpisinin dişlərinin öyrənilməsində növbəti addım skan edən elektron mikroskopdan istifadə etməklə aparılan aşınma testləri olmuşdur. Diş xüsusi tutucuya yapışdırıldı və ultrananokristal almazdan ibarət substrata basıldı (3A).
Şəkil №3
Alimlər qeyd edirlər ki, onların aşınma sınağı versiyası adətən öyrənilən materialın alt qatına almaz ucu sıxıldıqda edilənin əksinədir. Aşınma testi metodologiyasındakı dəyişikliklər mikrostrukturların və diş komponentlərinin xüsusiyyətlərini daha yaxşı başa düşməyə imkan verir.
Şəkillərdə gördüyümüz kimi kritik yükə çatdıqda çiplər əmələ gəlməyə başlayır. Nəzərə almaq lazımdır ki, dəniz kirpilərindəki Aristotel fənərinin “dişləmə” qüvvəsi növdən asılı olaraq 1 ilə 50 nyuton arasında dəyişir. Testdə yüzlərlə mikronyutondan 1 nyutona qədər bir qüvvə tətbiq olundu, yəni. bütün Aristotel fənəri üçün 1-dən 5 nyutona qədər (beş diş olduğu üçün).
Şəkildə 3B(i) kiçik hissəciklər (qırmızı ox) görünür, daş sahəsinin aşınması nəticəsində əmələ gəlir. Daş sahəsi aşındıqca və büzüldükcə, plitələr arasındakı interfeyslərdə çatlar kalsit plitələrin ərazisində sıxılma-kəsmə yükü və gərginliyin artması səbəbindən yarana və yayıla bilər. Ani görüntülər 3B(ii) и 3B(iii) fraqmentlərin qopduğu yerləri göstərin.
Müqayisə üçün iki növ aşınma təcrübələri aparılmışdır: məhsuldarlığın başlanğıcına uyğun sabit yüklə (WCL) və axma gücünə (WCS) uyğun sabit yüklə. Nəticədə diş aşınmasının iki variantı əldə edildi.
Test videosu geyin:
Mərhələ I
Mərhələ II
III mərhələ
Mərhələ IV
WCL sınağında sabit bir yük olduqda, ərazinin sıxılması müşahidə edildi, lakin plitələrdə heç bir çip və ya digər zədələnmə müşahidə edilmədi (4A). Lakin WCS testində, nominal təmas gərginliyini sabit saxlamaq üçün normal qüvvə artırıldıqda, lövhələrin qırılması və düşməsi müşahidə edildi (4V).
Şəkil №4
Bu müşahidələr süjetlə təsdiqlənir (4S) sürüşmə uzunluğundan asılı olaraq sıxılma sahəsinin və yonma lövhələrin həcminin ölçülməsi (sınaq zamanı almaz üzərində nümunə).
Bu qrafik həmçinin göstərir ki, WCL vəziyyətində sürüşmə məsafəsi WCS vəziyyətindən daha böyük olsa belə, heç bir çip əmələ gəlmir. üçün sıxılmış və çiplənmiş plitələrin yoxlanılması 4V dəniz kirpisi dişlərinin özünü itiləmə mexanizmini daha yaxşı başa düşməyə imkan verir.
Plitə qopduqca daşın sıxılmış sahəsinin sahəsi artır və sıxılmış sahənin bir hissəsinin çıxarılmasına səbəb olur. [4B(iii-v)]. Daş və plitələr arasındakı əlaqə kimi mikrostruktur xüsusiyyətlər bu prosesi asanlaşdırır. Mikroskopiya göstərdi ki, diş daşındakı liflər əyilmiş və dişin qabarıq hissəsindəki lövhələrin təbəqələri vasitəsilə nüfuz edir.
Qrafikdə 4S yeni boşqab dişdən ayrıldıqda çiplənmiş sahənin həcmində bir sıçrayış var. Maraqlıdır ki, eyni anda oblate bölgənin enində kəskin azalma var (4D), özünü itiləmə prosesini göstərir.
Sadə dillə desək, bu təcrübələr göstərdi ki, aşınma sınaqları zamanı sabit normal (kritik olmayan) yük saxlanarkən, ucu küt olur, diş isə iti qalır. Məlum olur ki, kirpinin dişləri istifadə zamanı itilənir, əgər yük kritik həddi aşmazsa, əks halda itiləmə deyil, zədələnmə (çiplər) baş verə bilər.
Şəkil №5
Diş mikrostrukturlarının rolunu, xassələrini və özünü itiləmə mexanizminə töhfəsini anlamaq üçün aşınma prosesinin qeyri-xətti sonlu element analizi aparılmışdır (5A). Bunun üçün dişin ucunun uzunlamasına kəsiyinin təsvirlərindən istifadə edilmişdir ki, bu da daş, boşqablar, keel və lövhələr və daş arasındakı interfeyslərdən ibarət iki ölçülü model üçün əsas olmuşdur.
Şəkillər 5B-5H daş və plitə sahəsinin kənarında Mises kriteriyasının (plastiklik meyarı) kontur qrafikləridir. Bir diş sıxıldıqda, diş daşı böyük viskoplastik deformasiyalara məruz qalır, zədələri toplayır və büzülür ("düzləşir") (5B и 5C). Sonrakı sıxılma, daşda kəsmə zolağına səbəb olur, burada plastik deformasiyanın və zədələnmənin böyük hissəsi yığılır, daşın bir hissəsini qoparır və onu substratla birbaşa təmasda edir (5D). Bu modeldə daşın belə parçalanması eksperimental müşahidələrə uyğundur (parçalanmış parçalar 3B(i)). Sıxılma həmçinin plitələr arasında delaminasiya ilə nəticələnir, çünki interfeys elementləri qarışıq yükləməyə məruz qalır və nəticədə dekoheziya (soyulma) baş verir. Təmas sahəsi artdıqca kontakt gərginlikləri artır, bu da interfeysdə çatın başlamasına və yayılmasına səbəb olur (5B-5E). Plitələr arasında yapışma itkisi bükülməni gücləndirir, bu da xarici lövhənin ayrılmasına səbəb olur.
Cızma interfeysin zədələnməsini artırır və boşqab(lar) parçalandıqda boşqabın çıxarılması ilə nəticələnir (çatların interfeysdən kənara çıxması və boşqaba nüfuz etməsi, 5G). Proses davam etdikcə boşqabın fraqmentləri dişin ucundan ayrılır (5H).
Maraqlıdır ki, simulyasiya həm daş, həm də boşqab bölgələrində çiplənməni çox dəqiq proqnozlaşdırır, alimlər bunu müşahidələr zamanı artıq müşahidə ediblər (3B и 5I).
Tədqiqatın nüansları ilə daha ətraflı tanış olmaq üçün baxmağı məsləhət görürəm и ona.
Epiloq
Bu iş təkamülün insan dişlərini çox da dəstəkləmədiyini bir daha təsdiqlədi. Ciddi şəkildə, alimlər öz araşdırmalarında dişin qeyri-adi quruluşuna və üzərinə düzgün yüklənməyə əsaslanan dəniz kirpilərinin dişlərinin öz-özünə itilənmə mexanizmini ətraflı araşdırıb izah edə bildilər. Kirpi dişini örtən lövhələr müəyyən bir yük altında soyulur, bu da dişi iti saxlamağa imkan verir. Amma bu o demək deyil ki, dəniz kirpiləri daşları əzə bilər, çünki kritik yük göstəricilərinə çatdıqda dişlərdə çatlar və çiplər əmələ gəlir. Belə çıxır ki, “güc var, ağıl lazım deyil” prinsipi, əlbəttə ki, heç bir fayda verməyəcək.
Düşünmək olar ki, dərin dəniz sakinlərinin dişlərinin tədqiqi insana doymaq bilməyən maraqdan başqa heç bir fayda gətirmir. Bununla belə, bu tədqiqat zamanı əldə edilən biliklər kirpi dişlərinə bənzər xüsusiyyətlərə malik olan yeni növ materialların yaradılması üçün əsas ola bilər - aşınma müqaviməti, kənar yardım olmadan material səviyyəsində özünü itiləmə və davamlılıq.
Nə olursa olsun, təbiət bizim hələ açmadığımız bir çox sirləri saxlayır. Onlar faydalı olacaqmı? Bəlkə bəli, bəlkə də yox. Ancaq bəzən, hətta ən mürəkkəb araşdırmada belə, bəzən vacib olan təyinat deyil, səyahətin özüdür.
Cümədən kənar:
Nəhəng yosunların sualtı meşələri dəniz kirpiləri və digər qeyri-adi okean sakinləri üçün toplanma yeri kimi xidmət edir. (BBC Earth, səs - David Attenborough).
İzlədiyiniz üçün təşəkkür edirik, maraqlanın və hər kəsə gözəl həftə sonu keçirin! 🙂
Bizimlə qaldığınız üçün təşəkkür edirik. Məqalələrimizi bəyənirsinizmi? Daha maraqlı məzmun görmək istəyirsiniz? Sifariş verməklə və ya dostlarınıza tövsiyə etməklə bizə dəstək olun, Bizim tərəfimizdən sizin üçün ixtira edilmiş giriş səviyyəli serverlərin unikal analoquna Habr istifadəçiləri üçün 30% endirim: (RAID1 və RAID10, 24 nüvəyə qədər və 40 GB DDR4 ilə mövcuddur).
Dell R730xd 2 dəfə ucuzdur? Yalnız burada Hollandiyada! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollardan! haqqında oxuyun
Mənbə: www.habr.com