Hovor o zubech u lidí se většinou spojuje s kazem, rovnátky a sadisty v bílých pláštích, kteří sní o tom, že si udělají korálky z vašich zubů. Ale vtipy stranou, bez zubařů a zavedených hygienických pravidel bychom nyní jedli jenom rozmačkané brambory a polévku skrze brčko. A za to může evoluce, která nám dala rozhodně ne nejodolnější zuby, které se navíc neregenerují, což pravděpodobně nesmírně těší zástupce zubařského průmyslu. Pokud hovoříme o zubech u divokých zvířat, okamžitě si vzpomeneme na majestátní lvy, krvelačné žraloky a velmi pozitivní hyeny. I když mají mocné čelisti, jejich zuby nejsou tak překvapující, jako zuby mořských ježků. Ano, tento klubíčko trnů pod vodou, na který když šlápnete, můžete si zkazit velkou část dovolené, má docela pěkné zuby. Je jich sice jen pět, ale jsou unikátní a dokážou se samy obrušovat. Jak vědci zjistili tuto zvláštnost, jak přesně tento proces probíhá a jak by to mohlo pomoci lidem? O tom se dozvíme z reportu výzkumné skupiny. Jdeme na to.
Základ výzkumu
Než se vrhneme do výzkumu, měli bychom se blíže seznámit s hlavním hrdinou studie — Strongylocentrotus fragilis, lidsky řečeno, růžovým mořským ježkem. Tento druh mořských ježků se příliš neliší od svých příbuzných, až na více zploštělou formu a lesklou barvu. Žijí poměrně hluboko (od 100 m do 1 km) a dorůstají až 10 cm v průměru.
„Skeleton“ mořského ježka, na kterém je vidět pětiramenná symetrie.
Mořské ježky dělíme, jakkoli to může znít hrubě, na správné a nesprávné. První mají prakticky dokonale kulatou tělesnou formu s výraznou pětiramennou symetrií, zatímco druhé jsou spíše asymetrické.
První věc, která na mořském ježku zaujme, jsou jeho trny pokrývající celé tělo. U různých druhů mohou trny měřit od 2 mm až po 30 cm. Kromě trnů mají na těle sféridia (orgány vyvažování) a pedicellarie (výběžky podobající se pinzetám).
V centru jsou jasně vidět všechny pět zubů.
Aby zobrazit mořskou ježkovou, je nejprve třeba se postavit vzhůru nohama, protože ústní otvor je umístěn na spodní části těla, zatímco ostatní otvory jsou nad ním. Ústa mořských ježků jsou vybavena žvýkacím aparátem s krásným vědeckým názvem „aristotelův lucerna“ (to on jako první tuto část popsal a přirovnal ji tvarem k antickému přenosnému lampě). Tento orgán má pět čelistí, z nichž každá končí ostrým zubem (aristotelův lucerna zkoumaného růžového ježka je znázorněna na obrázku 1C níže).
Existuje domněnka, že trvanlivost zubů mořských ježků je zajištěna jejich neustálým broušením, které probíhá postupným rozkladem mineralizovaných zubních destiček pro udržení ostrosti distální plochy.
Ale jak přesně tento proces probíhá, které zuby je třeba brousit a které ne, a jak toto důležité rozhodnutí vzniká? Na tyto otázky se vědci snažili najít odpovědi.
Výsledky výzkumu
Obrázek č. 1
Než začneme odhalovat zubní tajemství mořských ježků, podívejme se nejprve na strukturu jejich zubů jako celku.
Na snímcích 1A—1B je zobrazen hrdina výzkumu — růžový mořský ježek. Stejně jako další mořští ježci, zástupci tohoto druhu získávají své minerální složky z mořské vody. Mezi kosterními prvky jsou zuby silně mineralizovány (na 99%) kalcitem obohaceným hořčíkem.
Jak jsme již diskutovali dříve, své zuby ježci používají k seškrabávání potravy. Kromě toho si pomocí zubů vykopávají nory, ve kterých se skrývají před predátory nebo nepřízní počasí. S ohledem na tak neobvyklé využití zubů musí být poslední vysoce odolné a ostré.
Na obrázku 1C je zobrazena mikrokomputerová tomografie segmentu celého zubu, což ukazuje, že zub je tvořen podél eliptické křivky s T-typem průřezu.
Průřez zubu (1D) ukazuje, že zub se skládá ze tří strukturálních oblastí: primárních desek, kamenné oblasti a sekundárních desek. Kamenná oblast se skládá z vláken malého průměru, obklopených organickou skořápkou. Vláken jsou uzavřena v polykrystalické matrici, složené z částic kalcitu bohatého na hořčík. Průměr těchto částic se pohybuje kolem 10-20 nm. Výzkumníci upozorňují, že koncentrace hořčíku není v celém zubu rovnoměrná a zvyšuje se blíže k jeho konci, což poskytuje vyšší odolnost proti opotřebení a tvrdost.
Podélný průřez (1F) kamenné oblasti zubu ukazuje destrukci vláken, stejně jako oddělení, které nastává v důsledku odlupování na rozhraní vláken a organické skořápky.
Primární desky se obvykle skládají z monokrystalů kalcitu a jsou umístěny na vypouklém povrchu zubu, zatímco sekundární desky vyplňují konkávní povrch.
Na snímku 1G je vidět masa zakřivených primárních desek, ležících paralelně k sobě. Obrázek také ukazuje vlákna a polykrystalickou matrici, která vyplňuje prostor mezi deskami. Hřbet (1H) vytváří základ příčného T-průřezu a zvyšuje tuhost zubu při ohybu.
Jelikož víme, jakou strukturu má zub růžového mořského ježka, je nyní třeba zjistit mechanické vlastnosti jeho komponentů. K tomu byly provedeny zkoušky na tlak s použitím rastrového elektronového mikroskopu a metody nanoindentace*. V nanomechanických zkouškách byly použity vzorky, řezané podél podélné a příčné orientace zubu.
Nanoindentace* — zkouška materiálu metodou vtlačení speciálního nástroje — indentoru do povrchu vzorku.
Analýza dat ukázala, že střední Youngův modul (E) a tvrdost (H) na špičce zubu v podélném a příčném směru jsou: EL = 77,3 ± 4,8 GPa, HL = 4,3 ± 0,5 GPa (podélné) a ET = 70,2 ± 7,2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (příčné).
Youngův modul* — fyzikální veličina popisující schopnost materiálu odolávat tahovému a tlakové napětí.
Tvrdost* — vlastnost materiálu odolávat vnikání tvrdších těles (indentoru).
Kromě toho byly v podélném směru provedeny prohlubně s cyklickou dodatečnou zátěží, aby se vytvořil model viskoplastického poškození pro kamennou oblast. Na 2A je zobrazena křivka zatížení-posunutí.
Obrázek č. 2
Modul pro každý cyklus byl vypočítán na základě Oliver-Farrarovy metody s použitím dat uvolnění. Cyklus vtláčení ukázal monotónní pokles modulu se vz increasing hloubkou vtláčení (2V). Takové zhoršení tuhosti je vysvětleno akumulací poškození (2C) v důsledku nevratné deformace. Je pozoruhodné, že vývoj třetího se odehrává kolem vláken, a ne přes ně.
Mechanické vlastnosti složek zubů byly také hodnoceny pomocí experimentů kvazistatického stlačení mikrosloupků. Pro výrobu sloupků mikrometrické velikosti byl použit zaměřený iontový paprsek. K hodnocení pevnosti spojení mezi primárními deskami na konvexní straně zubu byly vyrobeny mikrosloupky s nakloněnou orientací vůči normálnímu rozhraní mezi deskami (2D). Na snímku 2E je zobrazen mikrosloupek s nakloněným rozhraním. A na grafu 2F jsou uvedeny výsledky měření smykového napětí.
Vědci zdůrazňují zajímavý fakt - změřený modul pružnosti je téměř dvakrát menší než při zkouškách na vtláčení. Takové nesoulady mezi testy na vtláčení a stlačení jsou také pozorovány u zubní skloviny. V současné době existuje několik teorií, které vysvětlují tento nesoulad (od vlivu prostředí během testů po kontaminaci vzorků), avšak dosud neexistuje jasná odpověď na otázku, proč nesoulad existuje.
Dalším krokem ve výzkumu zubů mořského ježka byly testy na opotřebení prováděné pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu. Zub byl přilepen k speciálnímu držáku a přitlačen k podložce z ultrananokristalického diamantu (3A).
Obrázek č. 3
Vědci poukazují na to, že jejich varianta testu na opotřebení je opačná k těm, které se obvykle provádějí, když je diamantový hrot vtlačován do podložky z prozkoumávaného materiálu. Změny v metodice provádění testu na opotřebení umožňují lépe prozkoumat vlastnosti mikrostruktury a složek zubu.
Jak vidíme na snímcích, při dosažení kritické zátěže začínají vznikat odštěpky. Je třeba mít na paměti, že síla "kousnutí" aristotelova světla u mořských ježků se liší podle druhu od 1 do 50 newtonů. V testu byla aplikována síla od stovek mikronewtonů do 1 newtonu, tj. od 1 do 5 newtonů na celé aristotelovo světlo (protože má pět zubů).
Na snímku 3B(i) jsou viditelné malé částice (červená šipka), které vznikly v důsledku opotřebení oblasti kamene. Jak se oblast kamene opotřebovává a stlačuje, trhliny na rozhraních mezi deskami mohou vznikat a šířit se v důsledku kompresního střihu a nahromadění napětí v oblasti kalcitových desek. Snímky 3B(ii) a 3B(iii) ukazují místa, kde se fragmenty odlomily.
Pro srovnání byly provedeny dva typy experimentů na opotřebení: s konstantní zátěží odpovídající počátku tokovitosti (WCL) a s konstantní zátěží odpovídající mezní tokovitosti (WCS). Jako výsledek bylo získáno dva varianty opotřebení zubu.
Video testů na opotřebení:
Fáze I
Fáze II
Fáze III
Fáze IV
V případě konstantní zátěže v testu WCL bylo pozorováno stlačení oblasti, avšak odštěpky nebo jiná poškození desek nebyla zaznamenána (4A). Naopak v testu WCS, kdy byla normální síla zvýšena pro udržení nominálního kontaktního napětí konstantního, byly pozorovány odštěpky a zlomení desek (4B).
Obrázek č. 4
Tato pozorování potvrzují graf (4С) měření plochy stlačení a objemu odložených desek v závislosti na délce skluzu (vzorku na diamantu během testu).
Tento graf ukazuje také to, že v případě WCL se odštěpky netvoří, i když je délka skluzu větší než v případě WCS. Prohlídka stlačených a odštěpených desek na 4B umožňuje lépe porozumět mechanismu samostříhání zubů mořského ježka.
Plocha stlačené oblasti kamene se zvyšuje, protože deska se odlamuje, což vede k odstranění části stlačené oblasti [4B (iii-v)]. Mikrostukturální charakteristiky, jako vazba mezi kamenem a deskami, tento proces usnadňují. Mikroskopie ukázala, že vlákna v kamenité oblasti se ohýbají a pronikají skrz vrstvy desek v konvexní části zubu.
Na grafu 4С je vidět skok objemu odštěpené oblasti, když se nová ploténka odpojuje od zubu. Zajímavé je, že v tu samou chvíli dochází k náhlému zmenšení šířky zploštělé oblasti (4D), což naznačuje proces samoostření.
Jednoduše řečeno, tato data z experimentů ukázala, že při udržování konstantního normálního (ne kritického) zatížení během testů na opotřebení dochází k otupění hrotu, zatímco zub zůstává ostrý. To znamená, že zuby ježků se ostří během používání, pokud zatížení nepřekračuje kritickou úroveň, jinak mohou vznikat poškození (odštěpení), a ne ostření.
Obrázek č. 5
Abychom porozuměli roli mikrostuktur zubu, jejich vlastnostem a jejich příspěvku k mechanismu samoostření, byla provedena nelineární analýza procesu opotřebení metodou konečných prvků (5А). K tomu byly použity snímky podélného řezu špičky zubu, které posloužily jako základ pro dvourozměrný model skládající se z kamene, plotének, kýlu a rozhraní mezi ploténkami a kamenem.
Obrázky 5B–5H — to jsou konturové grafy Misesova kritéria (kritéria plasticity) na okraji oblasti kamene a plotny. Když je zub stlačen, kámen podléhá velkým viskoplastickým deformacím, hromadí poškození a stlačuje se („zplošťuje se“) (5B a 5C). Další stlačení způsobuje posuvný pás v kameni, kde se hromadí většina plastické deformace a poškození, což vede k odtržení části kamene a přímému kontaktu s podložkou (5D). Taková fragmentace kamene v tomto modelu odpovídá experimentálním pozorováním (odštípnuté fragmenty na 3B(i)). Stlačení také způsobuje odlepení mezi ploténkami, protože prvky rozhraní podléhají smíšenému zatížení, což vede k dekohézi (odlepení). Jak se zvyšuje kontaktní plocha, kontaktní napětí narůstá, což způsobuje vznik a šíření trhliny na rozhraní (5B—5E). Ztráta adheze mezi ploténkami zvyšuje ohyb, při kterém se vnější ploténka odpojuje.
Škrábání zhoršuje poškození rozhraní, což vede k odstranění ploténky, když jsou ploténky(na) vystaveny štěpení (kde trhliny se odklánějí od rozhraní a pronikají do ploténky, 5G.). Jak proces pokračuje, fragmenty desky se odlomují od hrotu zubu (5H).
Zajímavé je, že modelování velmi přesně předpovídá odlomení jak v oblasti kamene, tak v oblasti desek, což si vědci již všimli při pozorování (3B a 5I).
Pro podrobnější seznámení se s nuancemi výzkumu doporučuji nahlédnout do a k ní.
Epilog
Tato práce znovu potvrdila, že evoluce nebyla k zubům člověka příliš laskavá. Pokud to vezmeme vážně, ve svém výzkumu se vědci podařilo detailně prozkoumat a objasnit mechanismus samoostření zubů mořských ježků, jehož základem je neobvyklá struktura zubu a správné zatížení. Desky pokrývající zub ježka se odlupují při určitém zatížení, což umožňuje udržet zub ostrý. To ale neznamená, že mořští ježci mohou tříštit kameny, neboť při dosažení kritických hodnot zatížení se na zubech tvoří trhliny a štěpiny. Vychází to tak, že princip 'síla je, rozum není' by rozhodně nepřinesl žádný prospěch.
Můžeme si myslet, že výzkum zubů obyvatel mořských hlubin nenese žádný užitek pro člověka, kromě uspokojení neukojitelné lidské zvědavosti. Nicméně získané znalosti během tohoto výzkumu mohou posloužit jako základ pro vytvoření nových typů materiálů, které budou mít podobné vlastnosti jako zuby ježků — odolnost vůči opotřebení, samostatné ostření na úrovni materiálu bez vnější pomoci a trvanlivost.
Ať už je to jakkoliv, příroda skrývá mnoho tajemství, která nám ještě zbývá odhalit. Budou užitečné? Možná ano, možná ne. Ale občas je v nejkomplikovanějších výzkumech důležitější ne cílová destinace, ale samotná cesta.
Páteční off-topic:
Podmořské lesy obřích řas slouží jako místo setkání mořských ježků a dalších neobvyklých obyvatel oceánů. (BBC Earth, hlas na pozadí — David Attenborough).
Děkuji za pozornost, zůstaňte zvědaví a přeji všem skvělé víkendy, kamarádi! 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavých materiálů? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením známým, 30 % sleva pro uživatele Habra na jedinečný analog entry-level serverů, který jsme pro vás vymysleli: (k dispozici varianty s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40GB DDR4).
Dell R730xd za polovinu ceny? Jen u nás v Nizozemsku! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 $! Čtěte o tom
Zdroj: habr.com
