Говоренето за зъби в хората най-често се свързва с кариеси, скоби и садисти в бели престилки, които само мечтаят да направят мъниста от вашите зъби. Но шегата настрана, защото без зъболекари и установени правила за устна хигиена щяхме да ядем само смачкани картофи и супа през сламка. И за всичко е виновна еволюцията, която ни даде далеч от най-издръжливите зъби, които все още не се регенерират, което може би неописуемо радва представителите на денталната индустрия. Ако говорим за зъбите на представители на дивата природа, тогава на ум веднага идват величествени лъвове, кръвожадни акули и изключително позитивни хиени. Въпреки мощта и силата на челюстите им обаче зъбите им не са толкова удивителни като тези на морските таралежи. Да, това кълбо от игли под вода, стъпвайки върху което може да си провалите голяма част от почивката, има доста добри зъби. Разбира се, няма много от тях, само пет, но те са уникални по свой начин и могат да се изострят. Как учените идентифицираха такава характеристика, как точно протича този процес и как може да помогне на хората? Това научаваме от доклада на изследователската група. Отивам.
Изследователска база
Преди всичко си струва да се запознаете с главния герой на изследването - Strongylocentrotus fragilis, по човешки, с розов морски таралеж. Този вид морски таралеж не се различава много от другите си събратя, с изключение на по-сплесната форма на полюсите и бляскав цвят. Те живеят доста дълбоко (от 100 m до 1 km) и растат до 10 cm в диаметър.
"Скелетът" на морски таралеж, който показва петлъчева симетрия.
Морските таралежи са, колкото и грубо да звучи, правилни и грешни. Първите имат почти идеално кръгла форма на тялото с изразена петлъчева симетрия, докато вторите са по-асиметрични.
Първото нещо, което хваща окото ви, когато видите морски таралеж, са неговите пера, които покриват цялото тяло. При различните видове иглите могат да бъдат от 2 мм до 30 см. В допълнение към иглите, тялото има сферидии (органи на равновесие) и педицеларии (процеси, които наподобяват щипци).
Всичките пет зъба са ясно видими в центъра.
За да изобразите морски таралеж, първо трябва да застанете с главата надолу, тъй като отворът на устата му е разположен в долната част на тялото, но другите дупки са в горната част. Устата на морските таралежи е оборудвана с дъвкателен апарат с красиво научно име "фенер на Аристотел" (Аристотел първи описва този орган и го сравнява по форма с античен преносим фенер). Този орган е оборудван с пет челюсти, всяка от които завършва с остър зъб (аристотелевият фенер на изследвания розов таралеж е показан на снимка 1C по-долу).
Има предположение, че издръжливостта на зъбите на морските таралежи се осигурява от тяхното постоянно заточване, което се случва чрез постепенното разрушаване на минерализираните зъбни пластини, за да се поддържа остротата на дисталната повърхност.
Но как точно протича този процес, кои зъби трябва да се наточат и кои не и как се взема това важно решение? Учените са се опитали да намерят отговор на тези въпроси.
Резултати от проучването
Изображение #1
Преди да разкриете зъбните тайни на морските таралежи, помислете за структурата на зъбите им като цяло.
На снимките 1А-1S показан е героят на изследването - розов морски таралеж. Подобно на други морски таралежи, представителите на този вид получават своите минерални компоненти от морска вода. Сред скелетните елементи зъбите са силно минерализирани (с 99%) с обогатен с магнезий калцит.
Както обсъдихме по-рано, таралежите използват зъбите си за остъргване на храна. Но освен това, с помощта на зъбите си копаят дупки за себе си, в които се крият от хищници или лошо време. Като се има предвид това необичайно използване на зъбите, последните трябва да бъдат изключително здрави и остри.
На изображението 1D показана е микрокомпютърна томография на сегмент от цял зъб, от която става ясно, че зъбът е оформен по елипсовидна крива с Т-образно напречно сечение.
Напречно сечение на зъба (1E) показва, че зъбът е съставен от три структурни области: първични ламели, област на зъбния камък и вторични ламели. Каменната зона се състои от влакна с малък диаметър, заобиколени от органична обвивка. Влакната са обвити в поликристална матрица, съставена от богати на магнезий калцитни частици. Диаметърът на тези частици е около 10-20 nm. Изследователите отбелязват, че концентрацията на магнезий не е еднаква в целия зъб и се увеличава по-близо до края му, което осигурява неговата повишена устойчивост на износване и твърдост.
Надлъжен разрез (1F) на зъбния камък показва разрушаването на влакната, както и отделянето, което възниква поради разслояване на границата между влакната и органичната обвивка.
Първичните фасети обикновено са съставени от монокристали калцит и са разположени върху изпъкналата повърхност на зъба, докато вторичните фасети запълват вдлъбнатата повърхност.
На снимката 1G може да се види масив от извити първични плочи, разположени успоредно една на друга. Изображението също така показва влакна и поликристална матрица, запълваща пространството между плочите. кил (1H) образува основата на напречното Т-образно сечение и увеличава твърдостта на огъване на зъба.
Тъй като знаем каква структура има зъбът на розовия морски таралеж, сега трябва да разберем механичните свойства на неговите компоненти. За тази цел бяха проведени тестове за компресия с помощта на сканиращ електронен микроскоп и метода нановдлъбнатина*. Проби, изрязани по дължината на надлъжната и напречната ориентация на зъба, участваха в наномеханични тестове.
Нановдлъбнатина* — проверка на материала чрез метода на вдлъбнатина в повърхността на пробата на специален инструмент — индентора.
Анализът на данните показа, че средният модул на Юнг (E) и твърдост (H) на върха на зъба в надлъжна и напречна посока са: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (надлъжно) и ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (напречно).
Модул на Юнг* - физическа величина, която описва способността на материала да устои на опън и натиск.
твърдост* - свойството на материала да устои на въвеждането на по-твърдо тяло (индентор).
Освен това бяха направени вдлъбнатини в надлъжна посока с циклично допълнително натоварване, за да се създаде модел на пластично увреждане на каменната зона. На 2А показана е кривата натоварване-преместване.
Изображение #2
Модулът за всеки цикъл се изчислява въз основа на метода на Oliver-Farr, като се използват данни за разтоварване. Циклите на вдлъбнатината показват монотонно намаляване на модула с увеличаване на дълбочината на вдлъбнатината (2V). Такова влошаване на твърдостта се обяснява с натрупването на щети (2C) в резултат на необратима деформация. Трябва да се отбележи, че развитието на третия се случва около влакната, а не през тях.
Механичните свойства на зъбните компоненти също бяха оценени с помощта на квазистатични експерименти за компресия на микропилари. Фокусиран йонен лъч беше използван за производство на стълбове с микрометър. За да се оцени силата на връзката между първичните плочи от изпъкналата страна на зъба, бяха произведени микропилари с наклонена ориентация спрямо нормалния интерфейс между плочите (2D). На снимката 2E е показана микроколона с наклонен интерфейс. И на графиката 2F показани са резултатите от измерването на напрежението на срязване.
Учените отбелязват интересен факт - измереният модул на еластичност е почти наполовина по-малък от тестовете за вдлъбнатина. Това несъответствие между тестовете за вдлъбнатина и компресия се отбелязва и за зъбния емайл. В момента има няколко теории, обясняващи това несъответствие (от влиянието на околната среда по време на тестовете до замърсяването на пробите), но няма ясен отговор на въпроса защо се получава несъответствието.
Следващата стъпка в изследването на зъбите на морския таралеж бяха тестове за износване, извършени с помощта на сканиращ електронен микроскоп. Зъбът беше залепен към специален държач и притиснат към субстрат от ултрананокристален диамант (3А).
Изображение #3
Учените отбелязват, че тяхната версия на теста за износване е противоположна на това, което обикновено се прави, когато диамантеният връх се притисне в субстрат от изследвания материал. Промените в методологията на теста за износване позволяват по-добро разбиране на свойствата на микроструктурите и зъбните компоненти.
Както виждаме на снимките, когато се достигне критичното натоварване, започват да се образуват стружки. Струва си да се има предвид, че силата на „ухапването“ на Аристотелевия фенер в морските таралежи варира в зависимост от вида от 1 до 50 нютона. При теста е приложена сила от стотици микронютони до 1 нютон, т.е. от 1 до 5 нютона за целия аристотелов фенер (тъй като има пет зъба).
На снимката 3B(i) виждат се малки частици (червена стрелка), образувани в резултат на износване на каменната зона. Тъй като каменната зона се износва и свива, пукнатини в интерфейсите между плочите могат да възникнат и да се разпространят поради натоварване на натиск и срязване и натрупване на напрежение в областта на калцитните плочи. Моментни снимки 3B(ii) и 3B(iii) покажете местата, където фрагментите са се отчупили.
За сравнение бяха проведени два вида експерименти за износване: с постоянно натоварване, съответстващо на началото на провлачване (WCL) и с постоянно натоварване, съответстващо на границата на провлачване (WCS). В резултат се получават два варианта на износване на зъбите.
Видео за тест за износване:
Етап I
Етап II
Етап III
Етап IV
В случай на постоянно натоварване при WCL теста се наблюдава компресия на зоната, но не се забелязва отчупване или друга повреда на плочите (4A). Но при WCS теста, когато нормалната сила беше увеличена, за да се поддържа постоянно номиналното контактно напрежение, бяха наблюдавани отчупвания и падане от плочите (4V).
Изображение #4
Тези наблюдения се потвърждават от сюжета (4S) измервания на площта на компресия и обема на натрошените плочи в зависимост от дължината на плъзгане (проба върху диамант по време на теста).
Тази графика също така показва, че в случая на WCL не се образуват стружки, дори ако разстоянието на плъзгане е по-голямо, отколкото в случая на WCS. Проверка на компресирани и натрошени плочи за 4V ви позволява да разберете по-добре механизма на самозаточване на зъбите на морския таралеж.
Площта на компресираната зона на камъка се увеличава, когато плочата се отчупи, което води до отстраняване на част от компресираната зона [4B(iii-v)]. Микроструктурни характеристики като връзката между камък и плочи улесняват този процес. Микроскопията показва, че влакната в зъбния камък са огънати и проникват през слоевете пластини в изпъкналата част на зъба.
На графиката 4S има скок в обема на откъртената зона при отделяне на новата пластина от зъба. Любопитно е, че в същия момент има рязко намаляване на ширината на сплесканата област (4D), което показва процеса на самозаточване.
Просто казано, тези експерименти показват, че при поддържане на постоянно нормално (не критично) натоварване по време на тестове за износване, върхът се изтъпява, докато зъбът остава остър. Оказва се, че зъбите на таралежите се заточват по време на употреба, ако натоварването не надвишава критичното, в противен случай може да се получи повреда (стружки), а не заточване.
Изображение #5
За да се разбере ролята на зъбните микроструктури, техните свойства и техния принос към механизма на самозаточване, беше извършен нелинеен анализ на крайните елементи на процеса на износване (5А). За целта бяха използвани изображения на надлъжен разрез на върха на зъба, който послужи като основа за двуизмерен модел, състоящ се от камък, плочи, кил и интерфейси между плочи и камък.
изображение 5B-5H са контурни графики на критерия на Мизес (критерий за пластичност) на ръба на областта на камъка и плочата. Когато зъбът е компресиран, зъбният камък претърпява големи вископластични деформации, натрупва щети и се свива („сплесква“) (5B и 5C). По-нататъшното компресиране предизвиква лента на срязване в камъка, където се натрупва по-голямата част от пластичната деформация и повреда, откъсвайки част от камъка, привеждайки го в пряк контакт със субстрата (5D). Такава фрагментация на камъка в този модел съответства на експериментални наблюдения (разделени фрагменти на 3B(i)). Компресията също води до разслояване между плочите, тъй като интерфейсните елементи са подложени на смесено натоварване, което води до декохезия (отлепване). С увеличаването на контактната площ контактните напрежения се увеличават, което води до започване и разпространение на пукнатина в границата (5B-5E). Загубата на адхезия между плочите засилва прегъването, което кара външната плоча да се отдели.
Драскането влошава повредата на интерфейса, което води до отстраняване на плочата, когато плочата(ите) претърпят разцепване (където пукнатините се отклоняват от интерфейса и проникват в плочата, 5G). Докато процесът продължава, фрагментите на пластината се отделят от върха на зъба (5H).
Любопитно е, че симулацията много точно прогнозира отчупване както в областта на камъка, така и в областта на плочата, което учените вече са забелязали по време на наблюдения (3B и 5I).
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването препоръчвам да разгледате и на него.
Епилог
Тази работа още веднъж потвърди, че еволюцията не е била много благоприятна за човешките зъби. Сериозно, в своето изследване учените успяха да разгледат подробно и обяснят механизма на самозаточване на зъбите на морските таралежи, който се основава на необичайната структура на зъба и правилното натоварване върху него. Плочите, покриващи зъба на таралежа, се отлепват при определено натоварване, което ви позволява да поддържате зъба остър. Но това не означава, че морските таралежи могат да трошат камъни, защото при достигане на критични показатели за натоварване на зъбите се образуват пукнатини и чипове. Оказва се, че принципът „има сила, ум не е нужен“ със сигурност няма да донесе никаква полза.
Човек може да си помисли, че изучаването на зъбите на обитателите на дълбокото море не носи никаква полза за човека, освен задоволяването на ненаситното човешко любопитство. Но знанията, получени по време на това изследване, могат да послужат като основа за създаването на нови видове материали, които ще имат свойства, подобни на зъбите на таралежите - устойчивост на износване, самозаточване на ниво материал без външна помощ и издръжливост.
Както и да е, природата крие много тайни, които тепърва ще разкриваме. Ще бъдат ли полезни? Може би да, може би не. Но понякога, дори и при най-сложните изследвания, понякога не е важна дестинацията, а самото пътуване.
Петък извън топ:
Подводните гори от гигантски водорасли служат като място за събиране на морски таралежи и други необичайни обитатели на океана. (BBC Earth, глас зад кадър - Дейвид Атънбъроу).
Благодаря за гледането, бъдете любопитни и пожелавам страхотен уикенд на всички! 🙂
Благодарим ви, че останахте с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да видите още интересно съдържание? Подкрепете ни, като направите поръчка или препоръчате на приятели, 30% отстъпка за потребителите на Habr за уникален аналог на сървъри от начално ниво, който беше измислен от нас за вас: (предлага се с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 пъти по-евтин? Само тук в Холандия! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Прочети за
Източник: www.habr.com