Разговорите за зъбите при хората най-често се свързват с кариес, брекети и садисти в бели халати, които само мечтаят да си направят мъниста от вашите зъби. Но шегите настрана, защото без зъболекарите и установените правила за хигиена на устната кухина, ние с вас бихме се хранили само с пюре от картофи и супа през сламка. А всичко е заради еволюцията, подарила ни зъби, които далеч не са най-дълговечните и не се регенерират, което вероятно е истинска радост за представителите на зъболекарската индустрия. Ако обаче говорим за зъби при представители на дивата природа, веднага се сещаме за величествени лъвове, кръвожадни акули и крайно позитивни хиени. Въпреки мощта и силата на техните челюсти, зъбите им не са толкова удивителни, колкото зъбите на морските таралежи. Да, този куп бодли под водата, на който стъпите, може да развали част от почивката ви, предлага напълно прилични зъбки. Те, разбира се, са малко, само пет, но са уникални по свой собствен начин и могат да се заточват сами. Как учените установиха тази особеност, как протича този процес и как това може да помогне на хората? За това ще научим от доклада на изследователската група. Да започваме.
Основата на изследването
Първо е важно да се запознаем по-близо с главния герой на изследването — Strongylocentrotus fragilis, с човешки думи, розов морски таралеж. Този вид морски таралежи не се отличава особено от другите си близки, с изключение на по-плоската форма по полюсите и гламурния си цвят. Те обитават доста дълбоко (от 100 м до 1 км) и растат до 10 см в диаметър.
«Скелетът» на морския таралеж, който показва петлъчната симетрия.
Морските таралежи, колкото и грубо да звучи, са правилни и неправилни. Първите притежават почти идеална кръгла форма на тялото с изразена петлъчна симетрия, докато вторите са по-асиметрични.
Първото нещо, което се набива в очи при вида на морски таралеж, са иглите, покриващи тялото му. При различни видове иглите могат да бъдат от 2 мм до 30 см. Освен иглите, на тялото има сферидии (органи на равновесието) и педицелярии (отклонения, напомнящи на щипци).
В центъра са ясно видими всичките пет зъба.
За да се изобрази морското кукувиче, първо е нужно да се застане с крака на глава, тъй като устната му дупка е разположена в долната част на тялото, а другите дупки — в горната. Устата на морските кукувички е оборудвана с жевателен апарат с красиво научно наименование „аристотелов фонар“ (точно Аристотел е първият, който е описал този орган и го е сравнил по форма с античен преносим фенер). Този орган е снабден с пет челюсти, всяка от които завършва с остра зъб. (Аристотеловият фонар на изследвания розов морски кукувич е показан на снимка 1С по-долу).
Съществува предположение, че дълготрайността на зъбите на морските кукувички е осигурена от постоянното им заточване, което протича чрез етапно разрушаване на минерализираните плочи на зъба за поддържане на остротата на дисталната повърхност.
Но как точно протича този процес, кои зъби трябва да се заточват и кои не, и как това важно решение се взема? На тези въпроси учените се опитваха да намерят отговори.
Резултати от изследването
Изображение №1
Преди да разкрием денталните тайни на морските кукувички, нека разгледаме структурата на техните зъби в цялост.
На снимките 1А—1С е показан герой на изследването — розовият морски кукувич. Както и другите морски кукувички, представителите на този вид получават своите минерални компоненти от морската вода. Сред скелетните елементи зъбите са силно минерализирани (99%) с калцит, обогатен с магнезий.
Както вече обсъдихме, морските кукувички използват своите зъби, за да изстъргват храна. Но освен това те с помощта на зъбите си копаят дупки, в които се крият от хищници или лошо време. С оглед на такова необичайно приложение, зъбите трябва да бъдат изключително здрави и остри.
На изображението 1D е показана микрокомпютърна томография на сегмент от цял зъб, показваща, че зъбът е оформен по дължина по елиптична крива с Т-образно напречно сечение.
Напречното сечение на зъба (1Е) показва, че зъбът се състои от три структурни области: първични пластини, каменна област и вторични пластини. Каменната област се състои от влакна с малък диаметър, обвити в органична обвивка. Влакната са заключени в поликристална матрица, състояща се от частици на калцит, богати на магнезий. Диаметърът на тези частици е около 10-20 нм. Изследователите отбелязват, че концентрацията на магнезий е нееднородна в целия зъб и нараства към края му, което осигурява повишена износоустойчивост и твърдост.
Пр longitudинално сечение (1F) на каменната област на зъба показва разрушаване на влакната, а също така и отделяне, което се дължи на отслояване на границата между влакната и органичната обвивка.
Първичните пластини обикновено се състоят от монокристали на калцит и са разположени на изпъкналата повърхност на зъба, докато вторичните пластини запълват вдлъбнатата повърхност.
На снимката 1G може да се види масив от извити първични пластини, лежащи паралелно помежду си. Изображението също показва влакна и поликристална матрица, запълваща пространството между пластините. Хил (1H) формира основата на напречно Т-сечение и увеличава твърдостта на зъба при огъване.
След като знаем, каква структура има зъбът на розовия морски ечемик, сега трябва да открием механичните свойства на неговите компоненти. За целта бяха проведени тестове на сжатие с помощта на сканиращ електронен микроскоп и метод наноиндентация*. В наномеханичните изпитания участваха проби, изрязани по дължина и напречна ориентация на зъба.
Наноиндентация* — проверка на материала, при която се вдавя в повърхността на пробата специален инструмент — индентор.
Анализът на данните показа, че средният модул на Юнг (E) и твърдостта (H) на върха на зъба в продълговна и напречна посока са: EL = 77.3 ± 4.8 ГПа, HL = 4.3 ± 0.5 ГПа (продълговна) и ET = 70.2 ± 7.2 ГПа, HT = 3.8 ± 0.6 ГПа (напречна).
Модул на Юнг* — физическа величина, която описва способността на материала да се съпротивлява на разтягане и сжатие.
Твърдост* — свойството на материала да устоява на внедряване на по-твърдо тяло (индентор).
Освен това в надлъжна посока бяха извършени вдлъбнатини с циклично допълнително натоварване, за да се създаде модел на вдлъбнато-пластично увреждане за каменната зона. На 2А е показана кривата натоварване-изместване.
Изображение №2
Модулът за всеки цикъл беше изчислен на базата на метода на Оливър-Фарр, използвайки данни за разтоварване. Циклите на натиск показаха монотонно намаляване на модула с увеличаване на дълбочината на натиска (2В). Такова влошаване на жесткостта се обяснява с натрупването на увреждания (2C) в резултат на необратима деформация. Забележително е, че развитието на трети става около влакната, а не през тях.
Механичните свойства на съставните части на зъбите също бяха оценени чрез експерименти с квазистатично компресиране на микростълбове. За изработването на микростълбовете с размер в микрометри беше използван фокусиран йонен сноп. За оценка на здравината на свързването между основните пластини на конвексната страна на зъба, бяха изработени микростълбове с наклонена ориентация спрямо нормалния интерфейс между пластините (2D). На снимката 2Е е показан микростълб с наклонен интерфейс. А на графиката 2F са показани резултатите от измерването на напрежението на сдвиг.
Учените отбелязват интересен факт — измереният модул на еластичност е почти два пъти по-малък, отколкото при тестовете на натиск. Такова несъответствие между тестовете на натиск и компресия също се отбелязва и за зъбния емайл. В момента съществуват няколко теории, обясняващи това несъответствие (от влиянието на околната среда по време на тестовете до замърсяване на пробите), но все още няма ясен отговор на въпроса защо несъответствието съществува.
Следващият етап от изследването на зъбите на морския таралеж бяха тестовете за износване, проведени с помощта на сканиращ електронен микроскоп. Зъбът беше залепен за специален държач и притиснат към подложка от ултравъзможни кристали от диамант (3А).
Изображение №3
Учените отбелязват, че техният вариант на теста за износване е противоположен на тези, които обикновено се провеждат, когато диамантеният връх се вдава в подложката от изследвания материал. Промените в методологията на провеждане на теста за износване позволяват по-добро изучаване на свойствата на микроструктурите и съставките на зъба.
Както можем да видим на снимките, при достигане на критично натоварване започват да се образуват сколи. Следва да се има предвид, че силата на "ухото" на аристотеловата лампа при морските таралежи варира в зависимост от вида от 1 до 50 ньютона. В теста обаче се прилагаше сила от стотици микроньютони до 1 нютон, т.е. от 1 до 5 ньютона за цялата аристотелова лампа (тъй като зъбите са пет).
На снимката 3В(i) видими са малки частици (червена стрелка), образувани в резултат на износване на областта на камъка. Тъй като областта на камъка се износва и свива, пукнатини на интерфейсите между пластините могат да възникнат и разпространят вследствие на натоварване на компресия-сдвиг и натрупване на напрежения в областта на калцитовите пластини. Снимките 3В(ii) и 3В(iii) показват местата, където фрагменти са се откъснали.
За сравнение бяха проведени два типа експерименти на износ: с постоянно натоварване, съответстващо на началото на течливостта (WCL), и с постоянно натоварване, съответстващо на пределът на течливостта (WCS). В резултат на това бяха получени два варианта износ на зъба.
Видео тестове на износ:
Етап I
Етап II
Етап III
Етап IV
В случай на постоянно натоварване в теста WCL се наблюдаваше свиване на областта, обаче сколове или други повреди на пластините не бяха забелязани (4A). Но в теста WCS, когато нормалното усилие беше увеличено, за да се поддържа номиналното контактно напрежение постоянно, се наблюдаваха сколове и падане на пластини (4В).
Изображение №4
Тези наблюдения се потвърждават от графика (4С) на измерванията на площта на свиване и обема на откъснатите пластини в зависимост от дължината на плъзгане (пример по диамант по време на теста).
Този график показва още, че в случай на WCL сколове не се образуват дори и когато разстоянието на плъзгане е по-голямо, отколкото в случая на WCS. Прегледът на свити и откъснати пластини на 4В позволява по-добро разбиране на механизма на самоизостряне на зъбите на морския таралеж.
Площта на свъдената област на камъка нараства, тъй като пластината се откъсва, което води до отстраняване на част от свъдената област [4B (iii-v)]. Микроструктурните особености, като връзката между камъка и пластините, улесняват този процес. Микроскопията показа, че влакната в каменната област се огъват и проникват през слоевете на пластините в изпъкналата част на зъба.
На графиката 4С става видим скок на обема на сколотата област, когато новата плоча се отделя от зъба. Любопитно е, че в този момент настъпва рязко намаление на ширината на сплющената област (4D), което свидетелства за процеса на самозаточване.
По-просто казано, данните от експериментите показаха, че по време на поддържане на постоянно нормално (не критично) натоварване по време на тестовете на износване настъпва затъпяване на върха, докато зъбът остава остър. Получава се, че зъбите на таралежите се заточват по време на употреба, ако натоварването не надвишава критичното, в противен случай могат да се получат повреди (чипове), а не заточване.
Изображение №5
За да се разбере ролята на микроструктурите на зъба, техните свойства и техния принос в механизма на самозаточване, беше проведен нелинеен анализ на процеса на износване с метода на крайните елементи (5А). За тази цел бяха използвани снимки на надлъжен разрез на върха на зъба, които послужиха за основа на двумерна модел, състояща се от камък, плочи, киле и интерфейси между плочите и камъка.
Изображенията 5B–5H — това са контурни графики на критерия на Мизес (критерия за пластичност) на ръба на областта на камъка и плочата. Когато зъбът е сжат, камъкът подлежи на големи вископластични деформации, натрупва повреди и се скупчи («сплющва») (5B и 5C). Допълнителното сжатие предизвиква ивица на сдвиг в камъка, където голяма част от пластичната деформация и повредите се натрупват, откъсвайки част от камъка, което води до неговия директен контакт с подложката (5D). Такава фрагментация на камъка в тази модел отговаря на експерименталните наблюдения (откъснати фрагменти на 3B(i)). Сжатията предизвиква също разделяне между плочите, тъй като елементите на интерфейса са подложени на смесено натоварване, което води до декохезия (отслойване). С увеличаване на контактната площ, контактните напрежения нарастват, предизвиквайки зародиш и разпространение на пукнатина на интерфейса (5B—5E). Загубата на сцепление между плочите усилива огъването, при което външната плоча се отделя.
Надраскването усложнява повредата на интерфейса, което води до отстраняване на плочата, когато плочите(а) са подложени на разцепване (там, където пукнатините се отклоняват от интерфейса и проникват в плочата, 5G). С увеличаването на процеса, парчетата от пластината се отделят от върха на зъба (5H).
Интересно е, че моделирането много точно предсказва счупванията както в областта на камъните, така и в областта на пластините, което вече е забелязано от учените по време на наблюдения (3B и 5I).
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването, препоръчвам да се запознаете с и към него.
Епилог
Тази работа още веднъж потвърди, че еволюцията не е била много благосклонна към човешките зъби. На сериозно, в своето изследване учените успяха да разгледат и обяснят механизма на самозаточване на зъбите на морските таралежи, основаващ се на необичайната структура на зъба и правилното натоварване върху него. Пластините, покриващи зъба на таралежа, се отделят при определено натоварване, което позволява да се запази зъбът остър. Но това не означава, че морските таралежи могат да счупват камъни, защото при достигане на критични параметри на натоварване, върху зъбите се образуват пукнатини и парчета. Получава се, че принципът "силата е, ум не трябва" определено не би донесъл никаква полза.
Може да изглежда, че изследването на зъбите на обитателите на морските дълбини не носи полза за хората, освен за задоволяване на ненаситното любопитство. Обаче знанията, получени в хода на това изследване, могат да послужат за основа за създаване на нови типове материали, които ще притежават свойства, подобни на зъбите на таралежите — износоустойчивост, самостоятелно заточване на ниво материал без външна помощ и дълготрайност.
Каквото и да е, природата крие много тайни, които все още предстои да разкрием. Ще бъдат ли полезни? Може би да, а може би и не. Но понякога дори в най-сложните изследвания, важен е не пунктът на дестинацията, а самото пътуване.
Петъчен офф-топ:
Подводните гори от гигантски водорасли служат като място за събиране на морски таралежи и други необичайни обитатели на океаните. (BBC Earth, глас зад кадър — Дейвид Атенборо).
Благодаря за вниманието, оставайте любопитни и приятни почивни дни на всички, приятели! 🙂
Благодарим ви, че останахте с нас. Харесват ли ви нашите статии? Искате ли да видите повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или ни препоръчате на познати. 30% отстъпка за потребителите на Хабра на уникален аналог на entry-level сървъри, който създадохме специално за вас: (с налични опции за RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd на половин цена? Всичко това само при нас в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от 99 $! Чете се за това
Източник: habr.com
