Ljudi razgovore o zubima najčešće povezuju sa karijesom, aparatićima i sadistima u bijelim mantilima koji samo sanjaju da prave perle od vaših zuba. Ali šalu na stranu, jer bez zubara i ustaljenih pravila oralne higijene, ti i ja bismo jeli samo mrvljeni krompir i supu kroz slamku. A za sve je kriva evolucija, koja nam je dala daleko od najizdržljivijih zuba, koji se također ne regeneriraju, što vjerovatno čini predstavnike dentalne industrije nevjerovatno sretnima. Ako govorimo o zubima predstavnika divljih životinja, tada na pamet odmah padaju veličanstveni lavovi, krvožedne ajkule i izuzetno pozitivne hijene. Međutim, uprkos snazi i snazi njihovih čeljusti, njihovi zubi nisu tako nevjerovatni kao zubi morskih ježeva. Da, ova gruda iglica pod vodom, koja ako zgazite i možete pokvariti dobar dio odmora, ima prilično dobre zube. Naravno, nema ih mnogo, samo pet, ali su na svoj način jedinstveni i sposobni su da se izoštre. Kako su naučnici otkrili ovu osobinu, kako se tačno odvija ovaj proces i kako može pomoći ljudima? O tome saznajemo iz izvještaja istraživačke grupe. Idi.
Osnova istraživanja
Prije svega, vrijedi upoznati glavnog lika studije - Strongylocentrotus fragilis, ili ljudskim riječima, ružičastog morskog ježa. Ova vrsta morskog ježa se ne razlikuje mnogo od svojih drugih kolega, s izuzetkom spljoštenijeg oblika i glamurozne boje. Žive dosta duboko (od 100 m do 1 km), a narastu do 10 cm u prečniku.
“Kostur” morskog ježa, koji pokazuje simetriju pet zraka.
Morski ježevi su, koliko god to grubo zvučalo, ispravni i pogrešni. Prvi imaju gotovo savršeno okrugli oblik tijela sa izraženom petozrakovnom simetrijom, dok su drugi više asimetrični.
Prvo što vam upada u oči kada vidite morskog ježa su njegove bodlje koje pokrivaju cijelo tijelo. U različitim vrstama iglice mogu biti od 2 mm do 30 cm, osim iglica, na tijelu se nalaze sferidi (organi za ravnotežu) i pedicelarije (procesi koji podsjećaju na pincete).
Svih pet zuba je jasno vidljivo u sredini.
Da biste prikazali morskog ježa, prvo morate stajati naopačke, jer mu se otvor za usta nalazi na donjem dijelu tijela, a ostali otvori su na gornjem dijelu. Usta morskih ježeva opremljena su aparatom za žvakanje sa prekrasnim naučnim nazivom „Aristotelova lampa“ (Aristotel je prvi opisao ovaj organ i uporedio njegov oblik sa starinskim prenosivim fenjerom). Ovaj organ je opremljen sa pet čeljusti, od kojih svaka završava oštrim zubom (aristotelovski fenjer ružičastog ježa koji se ispituje prikazan je na slici 1C ispod).
Postoji pretpostavka da se trajnost zuba morskog ježa osigurava njihovim stalnim oštrenjem, koje nastaje postupnim uništavanjem mineraliziranih ploča zuba kako bi se održala oštrina distalne površine.
Ali kako tačno funkcionira ovaj proces, koje zube treba naoštriti, a koje ne i kako se donosi ova važna odluka? Naučnici su pokušali pronaći odgovore na ova pitanja.
Rezultati studije
Slika #1
Prije nego što otkrijemo zubne tajne morskih ježeva, pogledajmo strukturu njihovih zuba u cjelini.
Na slikama 1A-1S prikazan je junak studije - ružičasti morski jež. Kao i drugi ježevi, predstavnici ove vrste svoje mineralne komponente dobivaju iz morske vode. Među skeletnim elementima, zubi su visoko mineralizovani (99%) sa kalcitom obogaćenim magnezijumom.
Kao što smo ranije govorili, ježevi koriste svoje zube za struganje hrane. No, osim toga, zubima kopaju sebi rupe u koje se skrivaju od grabežljivaca ili lošeg vremena. S obzirom na tako neobičnu upotrebu zuba, potonji moraju biti izuzetno jaki i oštri.
Na slici 1D prikazana je mikrokompjuterska tomografija segmenta cijelog zuba koja pokazuje da je zub formiran po eliptičnoj krivulji s poprečnim presjekom u obliku slova T.
Poprečni presjek zuba (1E) pokazuje da se zub sastoji od tri strukturna regiona: primarne lamine, regije kamenca i sekundarne lamine. Kamena oblast se sastoji od vlakana malog prečnika okruženih organskom ljuskom. Vlakna su ugrađena u polikristalnu matricu koja se sastoji od čestica kalcita bogatih magnezijem. Prečnik ovih čestica je oko 10-20 nm. Istraživači napominju da koncentracija magnezijuma nije ujednačena u cijelom zubu i povećava se prema kraju, što osigurava njegovu povećanu otpornost na habanje i tvrdoću.
Uzdužni presjek (1F) kameno područje zuba pokazuje destrukciju vlakana, kao i avulziju, koja nastaje zbog delaminacije na spoju vlakana i organske ljuske.
Primarne ploče se obično sastoje od monokristala kalcita i nalaze se na konveksnoj površini zuba, dok sekundarne ploče ispunjavaju konkavnu površinu.
Na slici 1G može se vidjeti niz zakrivljenih primarnih ploča koje leže jedna uz drugu. Slika također prikazuje vlakna i polikristalni matriks koji ispunjavaju prostor između ploča. Kiel (1H) čini osnovu T-presjeka i povećava krutost zuba na savijanje.
Sada kada znamo strukturu zuba ružičastog morskog ježa, sada moramo shvatiti mehanička svojstva njegovih komponenti. U tu svrhu izvršena su ispitivanja kompresije pomoću skenirajućeg elektronskog mikroskopa i nanoindentacija*. Nanomehanička ispitivanja uključivala su uzorke izrezane duž uzdužne i poprečne orijentacije zuba.
Nanoindentacija* — ispitivanje materijala pritiskom specijalnog alata — indentera — na površinu uzorka.
Analiza podataka pokazala je da su prosječni Youngov modul (E) i tvrdoća (H) na vrhu zuba u uzdužnom i poprečnom smjeru: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (longitudinalno) i ET = 70.2 ± 7.2 GPa = 3,8 ± 0,6 GPa. GPa, HT = XNUMX ± XNUMX GPa (poprečno).
Youngov modul* - fizička veličina koja opisuje sposobnost materijala da se odupre napetosti i kompresiji.
tvrdoća* - svojstvo materijala da se odupre prodiranju tvrđeg tijela (indentera).
Osim toga, napravljena su udubljenja s cikličkim dodatnim opterećenjem u uzdužnom smjeru kako bi se stvorio viskoplastični model oštećenja kamene površine. On 2A prikazana je kriva opterećenje-pomak.
Slika #2
Modul za svaki ciklus izračunat je na osnovu Oliver-Pharr metode korištenjem podataka o rasterećenju. Ciklusi utiskivanja su pokazali monotono smanjenje modula sa povećanjem dubine udubljenja (2B). Ovo pogoršanje krutosti objašnjava se akumulacijom oštećenja (2C) kao rezultat nepovratne deformacije. Važno je napomenuti da se razvoj trećeg događa oko vlakana, a ne kroz njih.
Mehanička svojstva sastojaka zuba također su procijenjena korištenjem kvazistatičkih eksperimenata kompresije mikrostupa. Fokusirani snop jona korišten je za proizvodnju stupova mikrometarske veličine. Da bi se procijenila snaga veze između primarnih ploča na konveksnoj strani zuba, izrađeni su mikrostubovi sa kosom orijentacijom u odnosu na normalnu međuploču između ploča (2D). Na slici 2E prikazan je mikrostub sa kosim interfejsom. I na grafikonu 2F prikazani su rezultati mjerenja posmičnog naprezanja.
Naučnici primjećuju zanimljivu činjenicu - izmjereni modul elastičnosti je gotovo upola manji od testova udubljenja. Ovo neslaganje između testova udubljenja i kompresije također je zabilježeno za zubnu caklinu. U ovom trenutku postoji nekoliko teorija koje objašnjavaju ovu neusklađenost (od uticaja okoline tokom ispitivanja do kontaminacije uzorka), ali još uvek nema jasnog odgovora na pitanje zašto dolazi do neslaganja.
Sljedeći korak u proučavanju zuba morskog ježa bila su ispitivanja istrošenosti provedena pomoću skenirajućeg elektronskog mikroskopa. Zub je zalijepljen na poseban držač i pritisnut na ultrananokristalnu dijamantsku podlogu (3A).
Slika #3
Naučnici napominju da je njihova verzija testa na habanje suprotna od onoga što se obično radi, gdje se dijamantski vrh utiskuje u podlogu materijala koji se testira. Promjene u tehnikama ispitivanja trošenja omogućavaju bolje razumijevanje svojstava mikrostruktura i komponenti zuba.
Kao što vidimo na slikama, kada se dostigne kritično opterećenje, počinju da se formiraju čipovi. Vrijedno je uzeti u obzir da snaga "ugriza" Aristotelove lampe u morske ježeve varira ovisno o vrsti od 1 do 50 njutna. U testu je korištena sila od stotina mikronjutna do 1 njutna, tj. od 1 do 5 njutna za cijeli Aristotelov fenjer (pošto ima pet zuba).
Na slici 3B(i) vidljive sitne čestice (crvena strelica) nastale kao rezultat habanja na površini kamena. Kako se kamena površina troše i skuplja, pukotine na graničnim prelazima između ploča mogu se razviti i širiti zbog opterećenja kompresijom i posmikom i akumulacije naprezanja u području kalcitne ploče. Slike 3B(ii) и 3B(iii) pokazati mjesta gdje su se fragmenti odlomili.
Za usporedbu, provedene su dvije vrste eksperimenata trošenja: sa konstantnim opterećenjem koje odgovara početku tečenja (WCL) i sa konstantnim opterećenjem koje odgovara granici tečenja (WCS). Kao rezultat, dobijene su dvije vrste trošenja zuba.
Video za testiranje nosenja:
Faza I
Faza II
Faza III
Faza IV
Pri konstantnom opterećenju, u WCL testu je uočena kompresija površine, ali nije uočeno lomljenje ili druga oštećenja ploča (4A). Ali u WCS testu, kada je normalna sila povećana da bi se održala konstanta nominalnog kontaktnog naprezanja, uočeno je lomljenje i gubitak ploča (4B).
Slika #4
Ova zapažanja su potvrđena grafikonom (4S) mjerenja površine kompresije i zapremine usitnjenih ploča u zavisnosti od dužine klizanja (uzorka na dijamantu tokom ispitivanja).
Ovaj grafikon također pokazuje da se u slučaju WCL-a čipovi ne formiraju čak i ako je klizna udaljenost veća nego u slučaju WCS-a. Pregled sabijenih i usitnjenih ploča za 4B omogućava nam da bolje razumijemo mehanizam samooštrenja zuba morskog ježa.
Površina komprimirane površine kamena se povećava kako se ploča odvaja, uklanjajući dio komprimirane površine [4B (iii-v)]. Mikrostrukturne karakteristike kao što je veza između kamena i ploča olakšavaju ovaj proces. Mikroskopijom je utvrđeno da su se vlakna u zoni kamenca savijala i prodirala kroz slojeve ploča u konveksnom dijelu zuba.
Na grafikonu 4S kada se nova ploča odvoji od zuba, vidljiv je skok u zapremini odlomljenog područja. Zanimljivo je da u istom trenutku dolazi do naglog smanjenja širine spljoštenog područja (4D), što ukazuje na proces samooštrenja.
Jednostavno rečeno, ovi eksperimenti su pokazali da kada se održava konstantno normalno (ne kritično) opterećenje tokom testova na habanje, vrh postaje tup dok zub ostaje oštar. Ispostavilo se da se ježevi zubi izoštravaju tokom upotrebe ako opterećenje ne prelazi kritično, inače može doći do oštećenja (strugotina), a ne do oštrenja.
Slika #5
Da bi se razumjela uloga mikrostruktura zuba, njihova svojstva i njihov doprinos mehanizmu samooštrenja, provedena je nelinearna analiza procesa trošenja konačnih elemenata (5A). Za to su korištene fotografije uzdužnog presjeka vrha zuba, koje su poslužile kao osnova za dvodimenzionalni model koji se sastoji od kamena, ploča, kobilice i međuprostora između ploča i kamena.
Slike 5B-5H su konturni prikazi von Misesovog kriterija (kriterijum plastičnosti) na rubu područja kamena i ploče. Kada je zub komprimiran, kamen se podvrgava velikim viskoplastičnim deformacijama, akumulira oštećenja i skuplja („spljošti“) (5B и 5C). Daljnja kompresija uzrokuje posmičnu traku u kamenu, gdje se nakuplja veći dio plastične deformacije i oštećenja, otkidajući dio kamena, dovodeći ga u direktan kontakt sa podlogom (5D). Takva fragmentacija kamena u ovom modelu odgovara eksperimentalnim zapažanjima (slomljeni fragmenti na 3B(i)). Kompresija također uzrokuje delaminaciju između ploča jer su elementi sučelja izloženi mješovitim opterećenjima, što rezultira dekohezijom (delaminacijom). Kako se kontaktna površina povećava, kontaktna naprezanja se povećavaju, uzrokujući iniciranje i širenje pukotine na međuprostoru (5B-5E). Gubitak adhezije između ploča povećava savijanje koje uzrokuje odvajanje vanjske ploče.
Grebanje pogoršava oštećenje sučelja, što dovodi do uklanjanja pločice kada se pločica(e) podvrgne cijepanju (gdje pukotine odstupaju od sučelja i prodiru u pločicu, 5G). Kako se proces nastavlja, fragmenti ploče se odvajaju od vrha zuba (5H).
Zanimljivo je da modeliranje vrlo precizno predviđa lomljenje i kamena i ploča, što su naučnici već primijetili tokom posmatranja (3B и 5I).
Za detaljnije upoznavanje sa nijansama studije, preporučujem da pogledate и za njega.
Epilog
Ovaj rad je još jednom potvrdio da evolucija nije bila baš naklonjena ljudskim zubima. Ozbiljno, naučnici su u svom istraživanju uspjeli detaljno ispitati i objasniti mehanizam samooštrenja zuba morskog ježa, koji se zasniva na neobičnoj strukturi zuba i pravilnom opterećenju na njega. Ploče koje pokrivaju zub ježa se ljušte pod određenim opterećenjem, što pomaže da zub ostane oštar. Ali to ne znači da morski ježevi mogu drobiti kamenje, jer kada se postignu kritični pokazatelji opterećenja, na zubima se stvaraju pukotine i strugotine. Ispada da princip "imaš snagu, ne treba ti pamet" sigurno ne bi doneo nikakvu korist.
Moglo bi se pomisliti da proučavanje zuba stanovnika morskih dubina ljudima ne donosi nikakvu korist, osim zadovoljavanja nezasitne ljudske radoznalosti. Međutim, saznanja stečena ovim istraživanjem mogu poslužiti kao osnova za stvaranje novih vrsta materijala koji će imati svojstva slična ježevim zubima - otpornost na habanje, samooštrenje na nivou materijala bez vanjske pomoći i trajnost.
Kako god bilo, priroda krije mnoge tajne koje tek treba da otkrijemo. Hoće li biti korisni? Možda da, možda ne. Ali ponekad, čak i u najsloženijim istraživanjima, ponekad nije važna destinacija, već samo putovanje.
petak van vrha:
Podvodne divovske šume morskih algi služe kao mjesto okupljanja morskih ježeva i drugih neobičnih okeanskih stvorenja. (BBC Earth, glas David Attenborough).
Hvala na gledanju, budite radoznali i ugodan vikend svima! 🙂
Hvala vam što ste ostali s nama. Da li vam se sviđaju naši članci? Želite li vidjeti još zanimljivijeg sadržaja? Podržite nas naručivanjem ili preporukom prijateljima, 30% popusta za korisnike Habra na jedinstveni analog početnih servera, koji smo mi osmislili za vas: (dostupno sa RAID1 i RAID10, do 24 jezgra i do 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 puta jeftiniji? Samo ovdje u Holandiji! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - od 99 USD! Pročitajte o
izvor: www.habr.com