Разговорите за зъбите при хората най-често се асоциират с кариес, брекети и садисти в бели халати, които само мечтаят да си направят гердан от вашите зъби. Но шегите настрана, защото без стоматолози и установени правила за хигиена на устната кухина, ние щяхме да се храним само с пюре от картофи и супа през сламка. А всичко е заради еволюцията, подарила ни не най-дълготрайните зъби, които дори не регенерират, което вероятно радва представителите на стоматологичната индустрия. Ако говорим за зъби у представители на дивата природа, веднага се сещаме за величествени лъвове, кръвожадни акули и изключително позитивни хиени. Въпреки мощта и силата на техните челюсти, зъбите им не са толкова удивителни, колкото тези на морските таралежи. Да, този куп игли под водата, настъпвайки който можете да развалите част от ваканцията си, има съвсем добри зъби. Да, ги имат малко, само пет, но те по свой уникален начин могат да се заточват сами. Как учените разкриха такава особеност, как протича точно този процес и как това може да помогне на хората? За това ще научим от доклада на изследователската група. Да започваме.
Основи на изследването
Преди всичко е важно да се запознаем по-добре с главния герой на изследването — Strongylocentrotus fragilis, на човешки език, розов морски таралеж. Този вид морски таралежи не се различава особено от другите си братя, с изключение на по-плоската форма по полюсите и гламурния цвят. Обитават доста дълбоко (от 100 м до 1 км) и достигат до 10 см в диаметър.
«Скелетът» на морския таралеж, по който се вижда петолъчната симетрия.
Морските таралежи, колкото и грубо да звучи, са правилни и неправилни. Първите имат практически идеално кръгла форма на тялото с изразена петолъчна симетрия, докато вторите са по-асиметрични.
Първото, което прави впечатление при вида на морския таралеж, са неговите игли, покриващи цялото тяло. При различните видове иглите могат да варират от 2 мм до цели 30 см. Освен иглите на тялото има сферидии (органи на равновесие) и педицелярии (израстъци, наподобяващи щипци).
В централната част ясно се виждат всички пет зъба.
За да изобразите морски ечемик, е необходимо първо да се обърнете с крака нагоре, тъй като устата му е разположена в долната част на тялото, а другите отвори — в горната. Устата на морските ечемици е оборудвана с дъвкателен апарат с красиво научно название „аристотелев фенер“ (точно Аристотел е описал този орган и го е сравнил по форма с античния преносим фенер). Този орган разполага с пет челюсти, всяка от които завършва с остър зъб (аристотелевият фенер на изследвания розов ечемик е показан на снимка 1С по-долу).
Съществува предположение, че дълготрайността на зъбите на морските ечемици се осигурява чрез постоянното им заточване, което се осъществява чрез поетапно разрушаване на минерализирани пластини на зъба, за да се поддържа остротата на дисталната повърхност.
Но как точно протича този процес, кои зъби трябва да се заточват, а кои не, и как това важно решение се взема? На тези въпроси учените се опитвали да намерят отговори.
Резултати от изследването
Изображение №1
Преди да разкрием денталните тайни на морските ечемици, нека разгледаме структурата на зъбите им в цялост.
На снимките 1А—1С е показан герой на изследването — розов морски ечемик. Както и другите морски ечемици, 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 ечемици използват зъбите си, за да обират храна. Но освен това те с помощта на зъбите копаят нори, в които се крият от хищници или лошо време. Въз основа на такова необичайно приложение на зъбите, те трябва да бъдат изключително здрави и остри.
На изображението 1D показва микрокомпютърна томография на сегмента на цял зъб, която показва, че зъбът е формиран по елиптична крива с Т-образно сечение.
Поперечное сечение на зъба (1E) 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, заобиколени от органична обвивка. Влакната са заключени в поликристаллическа матрица, състояща се от частици на кальцита, богати на магнезий. Диаметърът на тези частици е около 10-20 нм. Изследователите отбелязват, че концентрацията на магнезий не е хомогенна в зъба и се увеличава близо до края му, което осигурява повишена износоустойчивост и твърдост.
Надлъжен срез (1F) на каменната област на зъба показва разрушаване на влакната, както и отлепване, което се случва поради отделянето на границата между влакната и органичната обвивка.
Първичните пластини обикновено се състоят от монокристали на кальцита 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 успоредно една на друга. Изображението също така показва влакната и поликристаллическата матрица, запълваща пространството между пластините. Кил (1H) образува основание на напречното Т-сечение и увеличава твърдостта на зъба при огъване.
След като знаем каква структура притежава зъбът на розовия морски таралеж, сега трябва да изясним механичните свойства на неговите компоненти. За целта бяха проведени тестове на натиск с използване на сканиращ електронен микроскоп и метод наноиндентация*. В наномеханичните тестове участваха образци, нарязани по дългите и напречните ориентации на зъба.
Наноиндентация* е проверка на материала чрез вдавяне в повърхността на образеца на специален инструмент — индентора.
Анализът на данните показа, че средният модул на Юнг (E) и твърдостта (H) на върха на зъба в надлъжен и напречен план са: EL = 77.3 ± 4,8 ГПа, HL = 4.3 ± 0.5 ГПа (надлъжен) и ET = 70.2 ± 7.2 ГПа, HT = 3,8 ± 0,6 ГПа (напречен).
Модул на Юнг* е физическа величина, описваща способността на материала да устои на разтягане и свиване.
Твърдост* е свойство на материала да устои на внедряване на по-твърдо тяло (индентора).
Освен това, в надлъжна посока бяха извършени вдлъбнатини с циклично добавяне на товар, за да се създаде модел на вискозно-пластично повреждане за каменната област. На 2А е показана кривата на натоварването-преместването.
Изображение №2
Модулът за всеки цикъл беше изчислен на базата на метода на Оливър-Фара с използване на данни за разтоварване. Циклите на вдлъбване показаха монотонно намаление на модула с увеличаване на дълбочината на вдлъбване (2В). Подобно влошаване на твърдостта се обяснява с натрупването на повреди (участие”, който представлява графично изображение на количественото определение на свързаността между функционално специализираните участъци на мозъка. Всеки от участъците на мозъка бе отнесен към седем класически функционални невронни мрежи. Невронните възли на мозъка с висок коефициент на участие демонстрират различна междумодулна свързаност (връзка между участъците на мозъка) и следователно могат да влияят на процесите на предаване на информация между участъците, както и на тяхната динамика. Докато възлите с нисък коефициент на участие демонстрират по-локални връзки вътре в самия участък на мозъка, а не между няколко участъка. С други думи, ако коефициентът е висок - различните участъци на мозъка активно взаимодействат помежду си, ако е нисък - активността протича вътре в участъка без връзка с съседните () в резултат на необратима деформация. Забележително е, че развитието на трети се случва около влакната, а не през тях.
Механичните свойства на отделните части на зъбите също бяха оценени с помощта на експерименти по квазистатично компресиране на микростълбове. За изработването на стълбовете с микрометров размер беше използван фокусиран йонен лъч. За оценка на якостта на свързването между първичните пластини на изпъкналата страна на зъба, бяха изработени микростълбове с наклонена ориентация спрямо нормалния интерфейс между пластините (2D). На изображението 2Е е показан микростълб с наклонен интерфейс. А на графиката 2F са показани резултатите от измерването на напрежението във сдвиг.
Учени отбелязват интересен факт — измереният модул на еластичност е почти наполовина по-малък, отколкото при тестовете за вдлъбване. Такова несъответствие между тестовете за вдлъбване и компресия се отбелязва и за зъбната 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 е налице.
Следващият етап на изследването на зъбите на морския таралеж бяха тестовете за износване, провеждани с помощта на сканиращ електронен микроскоп. Зъбът беше прикрепен към специален държач и притиснат към основа от ултрананокристален диамант (3А).
Изображение №3
Учени отбелязват, че тяхната версия на теста за износване е противна на тези, които обикновено се провеждат, когато диамантеният връх се вгъва в основата от изследвания материал. Промените в методиката на провеждане на теста за износване позволяват по-добро проучване на свойствата на микроструктурите и компонентите на зъба.
Както виждаме на снимките, при достигане на критично натоварване започват да се образуват чипове. Следва да се има предвид, че силата на "хапане" на аристотеловата лампа при морските таралежи варира в зависимост от вида от 1 до 50 нютона. В теста обаче е приложена сила от стотици микро нютона до 1 нютона, т.е. от 1 до 5 нютона за цялата аристотелова лампа (тъй като зъбите са пет).
На снимката 3B(i) видими малки частици (червена стрелка), образувани в резултат на износване на областта на камъка. Тъй като областта на камъка се износва и компресира, пукнатини на интерфейсите между пластините могат да възникват и разширяват поради компресивни-променливи натоварвания и натрупване на напрежения в областта на калцитните пластини. Снимките 3B(ii) и 3B(iii) показват местата, където фрагменти са се откъснали.
За сравнение бяха проведени два типа експерименти на износване: с постоянно натоварване, съответстващо на началото на пластичност (WCL), и с постоянно натоварване, съответстващо на границата на пластичност (WCS). В резултат на това бяха получени два варианта на износване на зъба.
Видео на тестовете за износване:
Етап I
Етап II
Етап III
Етап IV
При постоянно натоварване в теста WCL се наблюдаваше компресия на областта, обаче чипове или други повреди на пластините не бяха забелязани (4A). А в теста WCS, когато нормалното усилие беше увеличено, за да се поддържа номиналното контактно налягане постоянно, се наблюдаваха чипове и падане на пластини (4В).
Изображение №4
Тези наблюдения се потвърдиха от графика (4С) на измеренията на площта на компресия и обема на чиповете в зависимост от дължината на плъзгане (образеца по диамант по време на теста).
Този график показва също, че в случая на WCL не се образуват чипове, дори ако разстоянието на плъзгане е по-голямо, отколкото в случая на WCS. Прегледът на компресираните и чипосаните пластини на 4В позволява по-добро разбиране на механизма за самозаточване на зъбите на морския таралеж.
Площадьта на компресираната област на камъка се увеличава, тъй като пластината се откъсва, което води до отстраняване на част от компресираната област [4B (iii-v)]. Микроструктурните особености, като връзката между камъка и пластините, улесняват този процес. Микроскопията показа, че влакната в каменната област извиват и проникват през слоевете на пластините в изпъкналата част на зъба.
На графика 4С се наблюдава значителен скок в обема на счупената зона, когато новата плоча се отделя от зъб. Любопитно е, че в същия момент настъпва рязко намаляване на ширината на сплошената зона (4D), което свидетелства за процес на самоизостряне.
По-просто казано, данните от експериментите показаха, че по време на поддържане на постоянна нормална (не критична) натовареност по време на тестовете за износване, острието се затъпява, докато зъбът остава остър. Получава се, че зъбите на таралежите се изострят по време на употреба, ако натоварването не надвишава критичното, в противен случай може да се образуват повреди (чипове), а не затъпяване.
Изображение №5
За да се разбере ролята на микроструктурите на зъба, техните свойства и приносът им в механизма на самоизостряне, беше проведен нелинеен анализ на процеса на износване с метода на крайни елементи (5А). За целта бяха използвани снимки на надлъжен разрез на върха на зъба, които послужиха като основа за двумерния модел, състоящ се от камък, плочи, кила и интерфейси между плочите и камъка.
Изображения 5B–5H — това са контурни графики на критерия на Мизес (критерий за пластичност) на ръба на зоната на камъка и плочата. Когато зъбът е компресиран, камъкът е подложен на големи вискознопластични деформации, натрупва повреди и се компресира ("сплесква") (5B и 5C). Далечната компресия предизвиква сдвижваща лента в камъка, където се натрупва основната част на пластичната деформация и повреждането, откъсвайки част от камъка и довеждайки го до пряк контакт с основата (5D). Тази фрагментация на камъка в модела съответства на експерименталните наблюдения (отчупени фрагменти на 3B(i)). Компресията също води до разслояване между плочите, тъй като елементите на интерфейса са подложени на смесено натоварване, което води до декогезия (отцепване). С увеличаване на контактната площ, контактните напрежения нарастват, предизвиквайки зародиш и разпространение на пукнатината на интерфейса (5B—5E). Загубата на сцепление между плочите засилва огъването, при което външната плоча се отделя.
Надраскването усложнява повредата на интерфейса, което води до отстраняване на плочата, когато плочите(а) са подложени на раздробяване (там, където пукнатините отклоняват от интерфейса и проникват в плочата, 5G). С напредването на процеса, парченца от пластината се отделят от зъбния връх (5H).
Интересно е, че моделирането много точно предсказва откъсването както в областта на скалите, така и на пластините, което учените вече са забелязали по време на наблюденията (3B и 5I).
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването, препоръчвам да се запознаете с и към него.
Епилог
Тази работа отново потвърди, че еволюцията не е била много благосклонна към зъбите на човека. Сериозно, в своето изследване учените успяха детайлно да разгледат и обяснят механизма на самозаточването на зъбите на морските таралежи, който се основава на необичайната структура на зъба и правилното натоварване. Пластините, покриващи зъба на таралежа, се отделят при определено натоварване, позволявайки на зъба да остане остър. Но това не означава, че морските таралежи могат да чупят камъни, тъй като при достигане на критични натоварвания по зъбите се образуват пукнатини и откъсвания. Излиза, че принципът „сила има, ум не трябва“ определено няма да донесе полза.
Може да си помислите, че изследването на зъбите на обитателите на морските дълбини не носи никаква полза за човека, освен за удовлетворяване на ненаситното човешко любопитство. Въпреки това, получените от това изследване знания могат да послужат за основа за създаването на нови видове материали, които ще притежават свойства, подобни на зъбите на таралежите — устойчивост на износване, самостоятелно заточване на материално ниво без външна помощ и дълготрайност.
Каквото и да става, природата крие много тайни, които все още предстои да разкрием. Дали те ще бъдат полезни? Може би да, а може би не. Но понякога дори в най-сложните изследвания важен е не крайният резултат, а самото пътуване.
Петъчен офф-топ:
Подводните гори от гигантски водорасли служат за място за събиране на морски таралежи и други необичайни обитатели на океаните. (BBC Earth, глас зад кадър — Дейвид Атънбъро).
Благодаря за вниманието, останете любопитни и желая на всички отлични уикенди, приятели! 🙂
Благодарим, че останахте с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да виждате повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или ни препоръчате на познати, 30% отстъпка за потребителите на Хабра за уникален аналог на entry-level сървъри, създаден от нас за вас: (налични опции с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd два пъти по-евтин? Само при нас в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Четете за това
Източник: habr.com
