Parlar de dents a les persones s'associa amb més freqüència a càries, ortodoncs i sàdics amb bata blanca que només somien amb fer comptes amb les dents. Però bromes a banda, perquè sense dentistes i normes d'higiene bucal establertes, només menjaríem patates triturades i sopa amb una palleta. I tot té la culpa de l'evolució, que ens ha donat lluny de les dents més duradores, que encara no es regeneren, cosa que probablement agrada indescriptiblement als representants de la indústria dental. Si parlem de les dents dels representants de la natura, de seguida ens vénen al cap els lleons majestuosos, els taurons assedegats de sang i les hienes extremadament positives. Tanmateix, malgrat la potència i la força de les seves mandíbules, les seves dents no són tan sorprenents com les dels eriçons de mar. Sí, aquesta bola d'agulles sota l'aigua, trepitjant la qual pots arruïnar bona part de les teves vacances, té força bones dents. Per descomptat, no n'hi ha molts, només cinc, però són únics a la seva manera i són capaços d'afilar-se. Com van identificar els científics aquesta característica, com es desenvolupa exactament aquest procés i com pot ajudar les persones? Ho sabem a partir de l'informe del grup de recerca. Vés.
Base de recerca
En primer lloc, val la pena conèixer el personatge principal de l'estudi: Strongylocentrotus fragilis, en termes humans, amb un eriçó de mar rosa. Aquest tipus d'eriçó de mar no és gaire diferent dels seus altres homòlegs, a excepció d'una forma més aplanada als pols i un color glamurós. Viuen bastant profunds (de 100 m a 1 km), i creixen fins a 10 cm de diàmetre.
L'"esquelet" d'un eriçó de mar, que mostra simetria de cinc raigs.
Els eriçons de mar són, per molt grollers que sembli, correctes i incorrectes. Els primers tenen una forma corporal gairebé perfectament rodona amb una pronunciada simetria de cinc feixs, mentre que els segons són més asimètrics.
El primer que et crida l'atenció quan veus un eriçó de mar són les seves plomes que cobreixen tot el cos. En diferents espècies, les agulles poden fer des de 2 mm fins a 30 cm.A més de les agulles, el cos té esferidis (òrgans d'equilibri) i pedicel·lària (processos que s'assemblen a les pinces).
Les cinc dents són clarament visibles al centre.
Per representar un eriçó de mar, primer cal posar-se cap per avall, ja que la seva obertura de boca es troba a la part inferior del cos, però els altres forats es troben a la part superior. La boca dels eriçons de mar està equipada amb un aparell de mastegar amb un bell nom científic "la llanterna d'Aristòtil" (va ser Aristòtil qui va descriure per primera vegada aquest òrgan i el va comparar en forma amb una llanterna portàtil antiga). Aquest òrgan està equipat amb cinc mandíbules, cadascuna de les quals acaba en una dent afilada (la llanterna aristotèlica de l'eriçó rosa investigat es mostra a la imatge 1C de sota).
Es suposa que la durabilitat de les dents dels eriçons de mar està assegurada pel seu afilat constant, que es produeix mitjançant la destrucció gradual de les plaques dentals mineralitzades per mantenir l'agudesa de la superfície distal.
Però, com es desenvolupa exactament aquest procés, quines dents s'han d'esmolar i quines no, i com es pren aquesta important decisió? Els científics han intentat trobar respostes a aquestes preguntes.
Resultats de l'estudi
Imatge #1
Abans de revelar els secrets dentals dels eriçons de mar, tingueu en compte l'estructura de les seves dents en general.
A les imatges 1A-1S es mostra l'heroi de l'estudi: un eriçó de mar rosa. Com altres eriçons de mar, els representants d'aquesta espècie obtenen els seus components minerals de l'aigua de mar. Entre els elements esquelètics, les dents estan molt mineralitzades (en un 99%) amb calcita enriquida amb magnesi.
Com hem comentat anteriorment, els eriçons utilitzen les seves dents per raspar els aliments. Però a més d'això, amb l'ajuda de les dents, fan forats per a ells mateixos, on s'amaguen dels depredadors o del mal temps. Donat aquest ús inusual de les dents, aquestes últimes han de ser extremadament fortes i afilades.
A la imatge 1D Es mostra la tomografia microcomputada d'un segment d'una dent sencera, deixant clar que la dent es forma al llarg d'una corba el·líptica amb una secció transversal en forma de T.
Secció transversal de la dent (1E) mostra que la dent es compon de tres regions estructurals: làmines primàries, regió del càlcul i làmines secundàries. La zona de pedra està formada per fibres de petit diàmetre, envoltades per una closca orgànica. Les fibres estan revestides en una matriu policristalina composta per partícules de calcita riques en magnesi. El diàmetre d'aquestes partícules és d'uns 10-20 nm. Els investigadors assenyalen que la concentració de magnesi no és uniforme a tota la dent i augmenta més a prop del seu extrem, la qual cosa proporciona una major resistència al desgast i duresa.
Secció longitudinal (1F) del càlcul de la dent mostra la destrucció de les fibres, així com la separació, que es produeix a causa de la delaminació a la interfície entre les fibres i la closca orgànica.
Les carilles primàries solen estar compostes per cristalls individuals de calcita i es troben a la superfície convexa de la dent, mentre que les carilles secundàries omplen la superfície còncava.
A la imatge 1G es pot veure una sèrie de plaques primàries corbes paral·leles entre si. La imatge també mostra fibres i una matriu policristalina que omple l'espai entre les plaques. quilla (1H) forma la base de la secció transversal en T i augmenta la rigidesa a la flexió de la dent.
Com que sabem quina estructura té la dent de l'eriçó de mar rosa, ara hem d'esbrinar les propietats mecàniques dels seus components. Per a això, es van realitzar proves de compressió mitjançant un microscopi electrònic d'escaneig i el mètode nanoindentació*. Les mostres tallades al llarg de les orientacions longitudinals i transversals de la dent van participar en proves nanomecàniques.
Nanoindentació* — Comprovació del material mitjançant el mètode de sagnat a la superfície de la mostra d'una eina especial — el sagnador.
L'anàlisi de dades va mostrar que el mòdul (E) i la duresa (H) de Young mitjans a la punta de la dent en les direccions longitudinal i transversal són: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (longitudinal) i ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (transvers).
mòdul de Young* - Una magnitud física que descriu la capacitat d'un material per resistir la tensió i la compressió.
Duresa* - la propietat del material de resistir la introducció d'un cos més sòlid (indentador).
A més, es van fer depressions en sentit longitudinal amb una càrrega addicional cíclica per crear un model de dany dúctil per a la zona de pedra. Encès 2A es mostra la corba càrrega-desplaçament.
Imatge #2
El mòdul de cada cicle es va calcular a partir del mètode Oliver-Farr mitjançant dades de descàrrega. Els cicles de sagnat van mostrar una disminució monòtona del mòdul amb l'augment de la profunditat de sagnat (2V). Aquest deteriorament de la rigidesa s'explica per l'acumulació de danys (2C) com a conseqüència d'una deformació irreversible. Cal destacar que el desenvolupament de la tercera es produeix al voltant de les fibres, i no a través d'elles.
Les propietats mecàniques dels components de les dents també es van avaluar mitjançant experiments de compressió de micropilars quasi estàtics. Es va utilitzar un feix d'ions enfocat per fabricar pilars de mida micròmetre. Per avaluar la força de la connexió entre les plaques primàries del costat convex de la dent, es van fabricar micropilars amb una orientació obliqua respecte a la interfície normal entre les plaques (2D). A la imatge 2E es mostra una microcolumna amb una interfície inclinada. I al gràfic 2F es mostren els resultats de la mesura de l'esforç tallant.
Els científics observen un fet interessant: el mòdul d'elasticitat mesurat és gairebé la meitat del de les proves de sagnat. Aquesta discrepància entre les proves de sagnat i compressió també es nota per a l'esmalt dental. De moment, hi ha diverses teories que expliquen aquesta discrepància (des de les influències ambientals durant les proves fins a la contaminació de les mostres), però no hi ha una resposta clara a la pregunta de per què es produeix la discrepància.
El següent pas en l'estudi de les dents de l'eriçó de mar van ser les proves de desgast realitzades amb un microscopi electrònic d'escaneig. La dent es va enganxar a un suport especial i es va pressionar contra un substrat de diamant ultrananocristal·lí (3A).
Imatge #3
Els científics assenyalen que la seva versió de la prova de desgast és l'oposada a la que es fa habitualment quan es pressiona una punta de diamant sobre un substrat del material objecte d'estudi. Els canvis en la metodologia de la prova de desgast permeten una millor comprensió de les propietats de les microestructures i components de la dent.
Com podem veure a les imatges, quan s'arriba a la càrrega crítica, comencen a formar-se xips. Val la pena tenir en compte que la força de la "mossegada" de la llanterna aristotèlica en els eriçons de mar varia segons l'espècie d'1 a 50 newtons. A la prova, es va aplicar una força des de centenars de micronewtons fins a 1 newton, és a dir. d'1 a 5 newtons per a tota la llanterna aristotèlica (ja que hi ha cinc dents).
A la imatge 3B(i) Són visibles petites partícules (fletxa vermella), formades com a conseqüència del desgast de la zona de pedra. A mesura que la zona de pedra es desgasta i es contrau, les esquerdes a les interfícies entre les plaques es poden originar i propagar a causa de la càrrega de cisalla per compressió i l'acumulació d'estrès a la zona de les plaques de calcita. Imatges instantànies 3B(ii) и 3B(iii) mostra els llocs on es van trencar els fragments.
Per a la comparació, es van dur a terme dos tipus d'experiments de desgast: amb una càrrega constant corresponent a l'inici del rendiment (WCL) i amb una càrrega constant corresponent al límit elàstic (WCS). Com a resultat, es van obtenir dues variants de desgast dental.
Vídeo de prova de desgast:
Etapa I
Etapa II
Etapa III
Etapa IV
En el cas d'una càrrega constant a la prova WCL, es va observar compressió de la zona, però, no es va notar cap trencament ni altres danys a les plaques (4A). Però a la prova WCS, quan es va augmentar la força normal per mantenir constant la tensió de contacte nominal, es van observar estelles i caigudes de les plaques (4V).
Imatge #4
Aquestes observacions es confirmen amb la trama (4S) mesures de l'àrea de compressió i el volum de plaques estellades en funció de la longitud de lliscament (mostra sobre diamant durant la prova).
Aquest gràfic també mostra que en el cas de WCL no es formen xips encara que la distància de lliscament sigui més gran que en el cas de WCS. Inspecció de plaques comprimides i estellades per 4V permet entendre millor el mecanisme d'autoafinació de les dents d'eriçó de mar.
L'àrea de la zona comprimida de la pedra augmenta a mesura que la placa es trenca, fent que s'elimini part de la zona comprimida. [4B(iii-v)]. Les característiques microestructurals com la unió entre la pedra i les lloses faciliten aquest procés. La microscòpia ha demostrat que les fibres del càlcul es dobleguen i penetren a través de les capes de plaques a la part convexa de la dent.
Al gràfic 4S hi ha un salt en el volum de la zona estellada quan la placa nova es desprèn de la dent. És curiós que al mateix moment hi hagi una forta disminució de l'amplada de la regió oblata (4D), que indica el procés d'autoafilat.
En poques paraules, aquests experiments han demostrat que mentre es manté una càrrega normal constant (no crítica) durant les proves de desgast, la punta es torna roma, mentre que la dent es manté afilada. Resulta que les dents dels eriçons s'afilen durant l'ús, si la càrrega no supera la crítica, en cas contrari es poden produir danys (encenalls) i no esmolar.
Imatge #5
Per tal d'entendre el paper de les microestructures dentals, les seves propietats i la seva contribució al mecanisme d'autoafilat, es va realitzar una anàlisi no lineal d'elements finits del procés de desgast (5A). Per fer-ho, es van utilitzar imatges d'una secció longitudinal de la punta de la dent, que van servir de base per a un model bidimensional format per pedra, plaques, quilla i interfícies entre plaques i pedra.
Изображения 5B-5H són trames de contorn del criteri Mises (criteri de plasticitat) a la vora de la zona de pedra i llosa. Quan una dent es comprimeix, el càlcul pateix grans deformacions viscoplàstiques, acumula danys i es contrau ("aplana") (5B и 5C). Una compressió addicional indueix una banda de cisalla a la pedra, on s'acumula la major part de la deformació plàstica i els danys, arrancant part de la pedra i posant-la en contacte directe amb el substrat (5D). Aquesta fragmentació de la pedra en aquest model correspon a observacions experimentals (fragments dividits sobre 3B(i)). La compressió també provoca una delaminació entre les plaques, ja que els elements de la interfície estan sotmesos a una càrrega mixta que resulta en decohesió (pel·lació). A mesura que augmenta l'àrea de contacte, augmenten les tensions de contacte, provocant l'inici i propagació d'una esquerda a la interfície (5B-5E). La pèrdua d'adhesió entre les plaques reforça la torsió, la qual cosa fa que la placa exterior es desenganxi.
Les ratllades agreugen el dany de la interfície que resulta en l'eliminació de la placa quan les plaques es divideixen (on les esquerdes es desvien de la interfície i penetren a la placa, 5G). A mesura que el procés continua, els fragments de la placa es desprenen de la punta de la dent (5H).
És curiós que la simulació prediu amb molta precisió l'estellament tant a les regions de pedra com de plaques, que els científics ja han observat durant les observacions (3B и 5I).
Per a un coneixement més detallat dels matisos de l'estudi, recomano mirar и A ell.
Epíleg
Aquest treball va confirmar una vegada més que l'evolució no era molt favorable a les dents humanes. De debò, en el seu estudi, els científics van poder examinar en detall i explicar el mecanisme d'autoafinació de les dents dels eriçons de mar, que es basa en l'estructura inusual de la dent i la càrrega correcta sobre ella. Les plaques que cobreixen la dent d'eriçó es desprenen sota una determinada càrrega, cosa que permet mantenir la dent afilada. Però això no vol dir que els eriçons de mar puguin aixafar pedres, perquè quan s'assoleixen els indicadors de càrrega crítics, es formen esquerdes i estelles a les dents. Resulta que el principi "hi ha poder, no es necessita cap ment" sens dubte no aportaria cap benefici.
Es podria pensar que l'estudi de les dents dels habitants de les profunditats marines no aporta cap benefici a l'home, llevat de la satisfacció de la insaciable curiositat humana. No obstant això, els coneixements adquirits durant aquest estudi poden servir de base per a la creació de nous tipus de materials que tindran propietats similars a les dents dels eriçons: resistència al desgast, autoesmolat a nivell de material sense ajuda externa i durabilitat.
Sigui com sigui, la natura guarda molts secrets que encara hem de revelar. Seran útils? Potser sí, potser no. Però de vegades, fins i tot en les investigacions més complexes, de vegades no és el destí el que importa, sinó el viatge en si.
Divendres fora de dalt:
Els boscos submarins d'algues gegants serveixen de lloc de trobada per als eriçons de mar i altres habitants de l'oceà inusuals. (BBC Earth, veu en off - David Attenborough).
Gràcies per mirar-nos, sigueu curiosos i passeu un bon cap de setmana a tothom! 🙂
Gràcies per quedar-te amb nosaltres. T'agraden els nostres articles? Vols veure més contingut interessant? Doneu-nos suport fent una comanda o recomanant als amics, 30% de descompte per als usuaris d'Habr en un únic anàleg de servidors d'entrada, que hem inventat per a tu: (disponible amb RAID1 i RAID10, fins a 24 nuclis i fins a 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 vegades més barat? Només aquí als Països Baixos! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - a partir de 99 $! Llegeix sobre
Font: www.habr.com