Размовы пра зубы ў людзей часцей за ўсё асацыююцца з карыесам, брекетамі і садыстамі ў белых халатах, якія толькі і мараць зрабіць сабе каралі з вашых зубоў. Але жарты ў бок, бо без стаматолагаў і ўсталяваных правіл гігіены за паражніной рота мы з вамі сілкаваліся б толькі толченой бульбай і супчыкам праз трубачку. А ўсяму віной эвалюцыя, якая падарыла нам далёка не самыя даўгавечныя зубы, якія яшчэ і не рэгенеруюць, што напэўна радуе прадстаўнікоў стаматалагічнай індустрыі. Калі ж казаць аб зубах у прадстаўнікоў дзікай прыроды, то адразу ўспамінаюцца велічныя львы, крыважэрныя акулы і вельмі пазітыўныя гіены. Аднак, нягледзячы на моц і сілу іх сківіц, зубы ў іх не такія дзіўныя, як зубы марскіх вожыкаў. Так, гэты камяк іголак пад вадой, наступіўшы на які вы можаце сапсаваць сабе добрую частку водпуску, валодае цалкам сабе нядрэннымі зубкамі. Іх, вядома, няшмат, усяго пяць, але яны па-свойму ўнікальныя і здольныя востраць сябе самі. Як вучоныя выявілі такую асаблівасць, як менавіта працякае гэты працэс і як гэта можа дапамагчы людзям? Пра гэта мы даведаемся з даклада даследчай групы. Паехалі.
Аснова даследавання
Першым чынам варта бліжэй пазнаёміцца з галоўным героем даследавання - Strongylocentrotus fragilis, чалавечай мовай кажучы, з ружовым марскім вожыкам. Гэты выгляд марскіх вожыкаў не асоба адрозніваецца ад іншых сваіх субратаў, за выключэннем больш пляскатай па канцавоссях формы і гламурнай афарбоўкі. Насяляюць яны даволі глыбока (ад 100 м да 1 км), а вырастаюць яны да 10 см у дыяметры.
«Шкілет» марскога вожыка, па якім бачная пяціпрамянёвая сіметрыя.
Марскія вожыкі бываюць, як бы грубіянска гэта не гучала, правільнымі і няправільнымі. Першыя валодаюць практычна ідэальна круглай формай цела з выяўленай пяціпрамянёвай сіметрыяй, другія ж больш асіметрычныя.
Першае, што кідаецца ў вочы пры выглядзе марскога вожыка, гэта яго іголкі, якія пакрываюць усё цела. У розных відаў іголкі могуць быць ад 2 мм аж да 30 см. Акрамя іголак на целе маюцца сферыды (органы раўнавагі) і педыцэлярыі (атожылкі, нагадваюць абцугі).
У цэнтры выразна бачныя ўсе пяць зубоў.
Каб адлюстраваць марскога вожыка, неабходна для пачатку стаць з ног на галаву, бо ротавая адтуліна ў яго размешчана на ніжняй частцы цела, а вось іншыя адтуліны - на верхняй. Рот марскіх вожыкаў абсталяваны жавальным апаратам з прыгожай навуковай назвай «арыстоцеляў ліхтар» (менавіта Арыстоцель першым апісаў гэты орган і параўнаў яго па форме з антычным пераносным ліхтаром). Гэты орган абсталяваны пяццю сківіцамі, кожная з якіх сканчаецца вострым зубам (арыстоцеляў ліхтар доследнага ружовага вожыка паказаны на здымку 1С ніжэй).
Ёсць здагадка, што даўгавечнасць зубоў марскіх вожыкаў забяспечваецца іх сталай завострываннем, адбывалай шляхам паэтапнага разбурэння мінералізаваных пласцін зуба для падтрымання вастрыні дыстальнай паверхні.
Але як менавіта гэты працэс працякае, якія зубы трэба востраць, а якія не, і як гэтае важнае рашэнне прымаецца? На гэтыя пытанні вучоныя і спрабавалі знайсці адказы.
вынікі даследавання
Выява №1
Перад тым, як раскрываць дэнтальныя сакрэты марскіх вожыкаў, разгледзім структуру іх зубоў у цэлым.
На здымках 1А-1С паказаны герой даследавання - ружовы марскі вожык. Як і іншыя марскія вожыкі, прадстаўнікі гэтага віду атрымліваюць свае мінеральныя кампаненты з марской вады. Сярод шкілетных элементаў зубы моцна мінералізаваны (на 99%) кальцытам, узбагачаным магніем.
Як мы ўжо абмяркоўвалі раней, свае зубы вожыкі выкарыстоўваюць для саскрабаючы ежы. Але акрамя гэтага яны з дапамогай зубоў капаюць сабе норы, у якіх хаваюцца ад драпежнікаў ці ён непагадзі. Улічваючы такое незвычайнае ўжыванне зубам, апошнія павінны быць вельмі трывалымі і вострымі.
На малюнку 1D паказана мікракампутарная тамаграфія сегмента цэлага зуба, якая дае зразумець, што зуб сфарміраваны ўздоўж эліптычнай крывой з Т-вобразным папярочным перасекам.
Папярочны перасек зуба (1E) паказвае, што зуб складаецца з трох структурных абласцей: першасных пласцін, каменнай вобласці і другасных пласцін. Каменная вобласць складаецца з валокнаў невялікага дыяметра, акружаных арганічнай абалонкай. Валакна заключаны ў полікрышталічную матрыцу, якая складаецца з часціц кальцыту, багатага магніем. Дыяметр гэтых часціц складае каля 10-20 нм. Даследнікі адзначаюць, што канцэнтрацыя магнію неаднародная па ўсім зубе і павялічваецца бліжэй да яго канца, што забяспечвае яго падвышаную зносаўстойлівасць і цвёрдасць.
Падоўжнае сячэнне (1F) каменнай вобласці зуба паказвае разбурэнне валокнаў, а таксама адрыў, які адбываецца з-за адслаення на мяжы валокнаў і арганічнай абалонкі.
Першасныя пласціны звычайна складаюцца з монакрышталяў кальцыту і размешчаны на выпуклай паверхні зуба, у той час як другасныя пласціны запаўняюць увагнутую паверхню.
На здымку 1G можна ўбачыць масіў выгнутых першасных пласцін, ляжалых раўналежна адзін аднаму. Выява таксама паказвае валакна і полікрышталічную матрыцу, якая запаўняе прастору паміж пласцінамі. Кіль (1H) фармуе падставу папярочнага Т-сячэння і павялічвае калянасць зуба пры выгіне.
Раз ужо мы ведаем, якой структурай валодае зуб ружовага марскога вожыка, трэба зараз высветліць механічныя ўласцівасці яго кампанентаў. Для гэтага былі праведзены тэсты на сціск з ужываннем растравага электроннага мікраскопа і метаду. нанаідэнтыравання *. У нанамеханічных выпрабаваннях удзельнічалі ўзоры, зрэзаныя ўздоўж падоўжнай і папярочнай арыентацый зуба.
Нанаіндэнтаванне* - Праверка матэрыялу метадам ўціскання ў паверхню ўзору спецыяльнай прылады - індэнтара.
Аналіз дадзеных паказаў, што сярэдні модуль Юнга (E) і цвёрдасць (H) на кончыку зуба ў падоўжным і папярочным напрамках складаюць: EL = 77.3 ± 4,8 гПа, HL = 4.3 ± 0.5 гПа (падоўжнае) і ET = 70.2 ± 7.2 ГПа, HT = 3,8 ± 0,6 гПа (папярочнае).
Модуль Юнга * - фізічная велічыня, якая апісвае здольнасць матэрыялу супраціўляцца расцяжэння і сціску.
Цвёрдасць* - Уласцівасць матэрыялу супраціўляцца ўкараненню больш цвёрдага цела (індэнтара).
Акрамя гэтага ў падоўжным напрамку былі выкананы паглыбленні з цыклічнай дадатковай нагрузкай, каб стварыць мадэль вязка-пластычнага пашкоджанні для каменнай вобласці. На 2А паказана крывая нагрузкі-зрушэння.
Выява №2
Модуль для кожнага цыклу быў разлічаны на аснове метаду Олівера-Фара з выкарыстаннем дадзеных разгрузкі. Цыклы ўціскання паказалі манатоннае памяншэнне модуля з павелічэннем глыбіні ўціскання (2В). Падобнае пагаршэнне калянасці тлумачыцца назапашваннем пашкоджанняў.2C) у выніку незваротнай дэфармацыі. Характэрна, што развіццё трэцяга адбываецца вакол валокнаў, а не праз іх.
Механічныя ўласцівасці складовых частак зубоў былі таксама ацэнены з дапамогай эксперыментаў квазістатычнага сціску мікрастолбаў. Для вырабу слупоў мікраметровага памеру выкарыстоўваўся факусаваны іённы пучок. Для адзнакі трываласці злучэння паміж першаснымі пласцінамі на выпуклым боку зуба, былі выраблены микростолбы з нахільнай арыентацыяй адносна звычайнага інтэрфейсу паміж пласцінамі.2D). На здымку 2E паказаны мікраслуп з нахільным інтэрфейсам. А на графіцы 2F паказаны вынікі вымярэння напружання зруху.
Навукоўцы адзначаюць забаўны факт – вымераны модуль пругкасці амаль удвая менш, чым пры выпрабаваннях на ўцісканне. Такая неадпаведнасць паміж тэстамі на ўцісканне і сціск таксама адзначаецца і для зубной эмалі. На дадзены момант існуе некалькі тэорый, якія тлумачаць гэтую неадпаведнасць (ад уплыву навакольнага асяроддзя падчас тэстаў да забруджвання ўзораў), аднак пакуль няма выразнага адказу на пытанне чаму неадпаведнасць мае месца быць.
Наступным этапам даследавання зубоў марскога вожыка сталі тэсты на знос, якія праводзяцца з дапамогай растравага электроннага мікраскопа. Зуб прыляпляўся да спецыяльнага трымальніка і прыціскаўся да падкладкі з ультрананакрышталічнага алмаза.3А).
Выява №3
Навукоўцы адзначаюць, што іх варыянт тэсту на знос процілеглы тым, што звычайна праводзяцца, калі наканечнік з дыямента ўціскаецца ў падкладку з доследнага матэрыялу. Змены ў методыцы правядзення тэсту на знос дазваляюць лепш вывучыць уласцівасці мікраструктур і складнікаў зуба.
Як мы можам бачыць на здымках, пры дасягненні крытычнай нагрузкі пачынаюць утварацца сколы. Варта ўлічыць, што сіла «ўкусу» арыстоцелева ліхтара ў марскіх вожыкаў вар'іруецца ў залежнасці ад выгляду ад 1 да 50 ньютанаў. У цесцю ж прымянялася сіла ад сотняў мікраньютанаў да 1 ньютана, г.зн. ад 1 да 5 ньютанаў для ўсяго арыстоцелева ліхтара (бо зубоў пяць).
На здымку 3В(i) бачныя дробныя часціцы (чырвоная стрэлка), якія ўтварыліся ў выніку зносу вобласці каменя. Паколькі вобласць каменя зношваецца і сціскаецца, расколіны на інтэрфейсах паміж пласцінамі могуць узнікаць і распаўсюджвацца з прычыны нагрузкі сціску-зруху і назапашванні высілкаў у вобласці пласцін кальцыту. Здымкі 3В(ii) и 3В(iii) паказваюць месцы, дзе фрагменты адкалоліся.
Для параўнання было праведзена два тыпу эксперыментаў на знос: з сталай нагрузкай, якая адпавядае пачатку цякучасці (WCL), і з сталай нагрузкай, якая адпавядае мяжы цякучасці (WCS). У выніку было атрымана два варыянты зносу зуба.
Відэа тэстаў на знос:
I этап
Этап II
Этап III
Этап IV
У выпадку сталай нагрузкі ў цесцю WCL назіраўся сціск вобласці, аднак сашпіліўшы або іншых пашкоджанняў пласцін заўважана не было (4A). А вось у цесцю WCS, калі нармальны высілак было павялічана для падтрымання намінальнага кантактнага напружання пастаянным, назіраліся сколы і выпадзенне пласцін (4В).
Выява №4
Гэтыя назіранні пацвярджаюцца графікам (4С) вымярэнняў плошчы сціску і аб'ёму пазбіваных пласцін у залежнасці ад даўжыні слізгацення (узору па дыяменце падчас тэсту).
Гэты графік паказвае яшчэ і тое, што ў выпадку WCL сколы не ўтворацца нават калі адлегласць слізгацення больш, чым у выпадку WCS. Агляд сціснутых і пазбіваных пласцін на 4В дазваляе лепш зразумець механізм самазавострывання зубоў марскога вожыка.
Плошча сціснутай вобласці каменя павялічваецца, паколькі пласціна адколваецца, што прыводзіць да выдалення часткі сціснутай вобласці [4B (iii-v)]. Мікраструктурныя асаблівасці, такія як сувязь паміж каменем і плітамі, палягчаюць гэты працэс. Мікраскапія паказала, што валокны ў каменнай вобласці выгінаюцца і пранікаюць скрозь пласты пласцін у выпуклай частцы зуба.
На графіцы 4С бачны скачок аб'ёму сколатай вобласці, калі новая пласціна адлучаецца ад зуба. Цікаўна, што ў гэты ж момант адбываецца рэзкае памяншэнне шырыні сплясканай вобласці (4D), што сведчыць аб працэсе самазаточвання.
Прасцей кажучы, дадзеныя эксперыменты паказалі, што падчас падтрымання сталай звычайнай (не крытычнай) нагрузкі падчас тэстаў на знос адбываецца затупленне наканечніка, тады як зуб застаецца вострым. Атрымліваецца, што зубы вожыкаў востраць падчас выкарыстання, калі нагрузка не перавышае крытычнай, у адваротным выпадку могуць утварыцца пашкоджанні (сколы), а не вострыць.
Выява №5
Каб зразумець ролю мікраструктур зуба, іх уласцівасцяў і іх фундуша ў механізм самазаточвання, быў праведзены нелінейны аналіз працэсу зносу метадам канчатковых элементаў (5А). Для гэтага былі скарыстаны здымкі падоўжнага разрэзу кончыка зуба, якія паслужылі асновай двухмернай мадэлі, якая складаецца з каменя, пласцін, кіля і інтэрфейсаў паміж пласцінамі і каменем.
выявы 5B-5H - Гэта контурныя графікі крытэра Мізеса (крытэрыю пластычнасці) на краі вобласці каменя і пліты. Калі зуб сціснуты, камень падвяргаецца вялікім вязкапластычным дэфармацыям, назапашвае пашкоджанні і сціскаецца («сплюшчваецца») (5B и 5C). Далейшае сціск выклікае паласу зруху ў камені, дзе большая частка пластычнай дэфармацыі і пашкоджанні назапашваюцца, адрываючы частка каменя, прыводзячы да яго прамога кантакту з падкладкай (5D). Такая фрагментацыя каменя ў дадзенай мадэлі адпавядае эксперыментальным назіранням (адкалоць фрагменты на 3B(i)). Сціск таксама прыводзіць да распластоўвання паміж пласцінамі, паколькі элементы інтэрфейсу падвяргаюцца змешанай нагрузцы, што прыводзіць да дэкагезіі (адслаенню). Па меры павелічэння кантактнай вобласці, кантактныя высілкі нарастаюць, выклікаючы зараджэнне і распаўсюджванне расколіны на інтэрфейсе (5B-5E). Страта счаплення паміж пласцінамі ўзмацняе выгіб, пры якім знешняя пласціна адлучаецца.
Драпанне пагаршае пашкоджанне інтэрфейсу, што прыводзіць да выдалення пласціны, калі пласціны(ы) падвяргаюцца расшчапленню (там, дзе расколіны адхіляюцца ад інтэрфейсу і пранікаюць у пласціну, 5G). Па меры працягу працэсу аскепкі пласціны адлучаюцца ад наканечніка зуба (5H).
Цікаўна, што мадэляванне вельмі сапраўды прадказвае сколванне як у вобласці каменя, так і ў вобласці пласцін, што навукоўцамі ўжо было заўважана падчас назіранняў (3B и 5I).
Для больш дэталёвага азнаямлення з нюансамі даследавання рэкамендую зазірнуць у и да яго.
Эпілог
Дадзеная праца лішні раз пацвердзіў, што эвалюцыя была не вельмі добразычлівая да зубоў чалавека. Калі сур'ёзна, у сваім даследаванні навукоўцы змаглі дэталёва разгледзець і растлумачыць механізм самазавострывання зубоў марскіх вожыкаў, у аснове якога ляжыць незвычайная структура зуба і правільная нагрузка на яго. Пласціны, якія пакрываюць зуб вожыка, адслойваюцца пры вызначанай нагрузцы, што дазваляе захоўваць зуб вострым. Але гэта не значыць, што марскія вожыкі могуць драбніць камяні, бо пры дасягненні крытычных паказчыкаў нагрузкі на зубах утвараюцца расколіны і сколы. Атрымліваецца, прынцып "сіла ёсць, розуму не трэба" ужо сапраўды не прынёс бы ніякай карысці.
Можна падумаць, што даследаванне зубоў насельнікаў марскіх глыбінь не нясе ніякай карысці для чалавека, акрамя задавальнення ненаеднай людской цікаўнасці. Аднак атрыманыя падчас гэтага даследавання веды могуць паслужыць асновай для стварэння новых тыпаў матэрыялаў, якія будуць валодаць падобнымі з зубамі вожыкаў ўласцівасцямі - зносаўстойлівасць, самастойная завострыванне на ўзроўні матэрыялу без знешняй дапамогі і даўгавечнасць.
Як бы там ні было, прырода тоіць нямала сакрэтаў, якія нам яшчэ трэба будзе раскрыць. Ці будуць яны карысныя? Магчыма так, а магчыма і не. Але часам нават у самых складаных даследаваннях часам важны не пункт прызначэння, а само падарожжа.
Пятнічны оф-топ:
Падводныя лясы гіганцкіх багавіння служаць месцам збору марскіх вожыкаў і іншых незвычайных насельнікаў акіянаў. (BBC Earth, голас за кадрам — Дэвід Атэнбара).
Дзякую за ўвагу, заставайцеся цікаўнымі і выдатных усім выходных, хлопцы! 🙂
Дзякуй, што застаяцеся з намі. Вам падабаюцца нашыя артыкулы? Жадаеце бачыць больш цікавых матэрыялаў? Падтрымайце нас аформіўшы замову або парэкамендаваўшы знаёмым, 30% зніжка для карыстальнікаў Хабра на ўнікальны аналаг entry-level сервераў, які быў прыдуманы намі для Вас: (даступныя варыянты з RAID1 і RAID10, да 24 ядраў і да 40GB DDR4).
Dell R730xd у 2 разы танней? Толькі ў нас у Нідэрландах! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – ад $99! Чытайце аб тым
Крыніца: habr.com