Mluvení o zubech u lidí je nejčastěji spojováno s kazy, rovnátky a sadisty v bílých pláštích, kteří jen sní o tom, že si z vašich zubů vyrobí korálky. Ale žerty stranou, protože bez zubařů a zavedených pravidel ústní hygieny bychom jedli jen drcené brambory a polévku brčkem. A za vše může evoluce, která nám dala daleko od těch nejodolnějších zubů, které se stále neregenerují, což asi nepopsatelně těší představitele dentálního průmyslu. Pokud mluvíme o zubech zástupců divočiny, okamžitě se nám vybaví majestátní lvi, krvežízniví žraloci a extrémně pozitivní hyeny. Navzdory síle a síle jejich čelistí však jejich zuby nejsou tak úžasné jako u ježků. Ano, tahle koule jehličí pod vodou, na kterou si můžete zkazit pořádnou část dovolené, má docela dobré zuby. Není jich samozřejmě mnoho, jen pět, ale jsou svým způsobem unikátní a dokážou se vypilovat. Jak vědci takovou vlastnost identifikovali, jak přesně tento proces probíhá a jak může lidem pomoci? O tom se dozvídáme ze zprávy výzkumné skupiny. Jít.
Výzkumná základna
V první řadě stojí za to poznat hlavní postavu studie - Strongylocentrotus fragilis, lidsky řečeno, s růžovým ježkem. Tento typ mořského ježka se příliš neliší od svých ostatních protějšků, s výjimkou více zploštělého tvaru na pólech a okouzlující barvy. Žijí poměrně hluboko (od 100 m do 1 km) a dorůstají až 10 cm v průměru.
„Kostra“ mořského ježka, která vykazuje pětipaprskovou symetrii.
Mořští ježci jsou, bez ohledu na to, jak hrubě to může znít, správné a špatné. První jmenované mají téměř dokonale kulatý tvar těla s výraznou pětipaprskovou symetrií, zatímco druhé jsou více asymetrické.
První věc, která vás upoutá, když uvidíte mořského ježka, jsou jeho brka, která pokrývají celé tělo. U různých druhů mohou mít jehly od 2 mm do 30 cm.Kromě jehel má tělo sféridie (orgány rovnováhy) a pedicellaria (procesy připomínající kleště).
Všech pět zubů je jasně viditelných uprostřed.
Chcete-li zobrazit mořského ježka, musíte se nejprve postavit hlavou dolů, protože jeho ústní otvor je umístěn ve spodní části těla, ale ostatní otvory jsou nahoře. Ústa ježovek jsou opatřena žvýkacím přístrojem s krásným vědeckým názvem „Aristotelova lucerna“ (byl to Aristoteles, kdo tento orgán jako první popsal a tvarově jej srovnal se starožitnou přenosnou lucernou). Tento orgán je vybaven pěti čelistmi, z nichž každá je zakončena ostrým zubem (aristotelská lucerna zkoumaného růžového ježka je znázorněna na obrázku 1C níže).
Existuje předpoklad, že trvanlivost zubů ježovek je zajištěna jejich neustálým ostřením, ke kterému dochází postupnou destrukcí mineralizovaných zubních destiček pro zachování ostrosti distální plochy.
Jak ale přesně tento proces probíhá, které zuby je potřeba brousit a které ne a jak se toto důležité rozhodnutí dělá? Na tyto otázky se vědci pokusili najít odpovědi.
Výsledky výzkumu
Obrázek č. 1
Než odhalíte dentální tajemství mořských ježků, zvažte stavbu jejich zubů obecně.
Na obrázcích 1А-1S je zobrazen hrdina studie - růžový mořský ježek. Stejně jako ostatní ježovky získávají zástupci tohoto druhu minerální složky z mořské vody. Mezi kosterními prvky jsou zuby vysoce mineralizované (z 99 %) kalcitem obohaceným hořčíkem.
Jak jsme již diskutovali dříve, ježci používají zuby ke škrábání potravy. Kromě toho si však pomocí zubů vyhrabávají díry, ve kterých se schovávají před predátory nebo špatným počasím. Vzhledem k tomuto neobvyklému použití zubů musí být zuby extrémně silné a ostré.
Na obrázku 1D je znázorněna mikropočítačová tomografie segmentu celého zubu, z čehož je zřejmé, že zub je vytvořen podél eliptické křivky s průřezem ve tvaru T.
Průřez zubem (1E) ukazuje, že zub se skládá ze tří strukturních oblastí: primárních lamin, oblasti zubního kamene a sekundárních lamel. Oblast kamene se skládá z vláken malého průměru, obklopených organickou slupkou. Vlákna jsou obalena v polykrystalické matrici složené z částic kalcitu bohatých na hořčík. Průměr těchto částic je asi 10-20 nm. Vědci poznamenávají, že koncentrace hořčíku není v celém zubu rovnoměrná a zvyšuje se blíže k jeho konci, což zajišťuje jeho zvýšenou odolnost proti opotřebení a tvrdost.
Podélný řez (1F) zubního kamene ukazuje destrukci vláken a také separaci, ke které dochází v důsledku delaminace na rozhraní mezi vlákny a organickou skořápkou.
Primární fazety jsou obvykle složeny z monokrystalů kalcitu a jsou umístěny na konvexním povrchu zubu, zatímco sekundární fazety vyplňují konkávní povrch.
Na obrázku 1G lze vidět řadu zakřivených primárních desek ležících vzájemně rovnoběžně. Obrázek také ukazuje vlákna a polykrystalickou matrici vyplňující prostor mezi deskami. kýl (1H) tvoří základ příčného T-profilu a zvyšuje ohybovou tuhost zubu.
Protože víme, jakou strukturu má zub ježovky růžové, musíme nyní zjistit mechanické vlastnosti jeho součástí. Za tímto účelem byly provedeny kompresní testy pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu a metody nanoindentace*. Vzorky řezané podél podélné a příčné orientace zubu se zúčastnily nanomechanických testů.
Nanoindentace* — kontrola materiálu metodou vtlačování do povrchu vzorku speciálního nástroje — indentoru.
Analýza dat ukázala, že průměrný 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 (podélně) a ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (příčně).
Youngův modul* - fyzikální veličina, která popisuje schopnost materiálu odolávat tahu a tlaku.
Tvrdost* - vlastnost materiálu odolávat vnášení pevnějšího tělesa (indentoru).
Dále byly provedeny zápichy v podélném směru s cyklickým přídavným zatížením pro vytvoření modelu tvárného poškození pro oblast kamene. Na 2А je zobrazena křivka zatížení-posunutí.
Obrázek č. 2
Modul pro každý cyklus byl vypočítán na základě Oliver-Farrovy metody s použitím údajů o vykládce. Indentační cykly vykazovaly monotónní pokles modulu s rostoucí hloubkou vtisku (2V). Takové zhoršení tuhosti se vysvětluje akumulací poškození (2C) v důsledku nevratné deformace. Je pozoruhodné, že vývoj třetího se vyskytuje kolem vláken, a ne přes ně.
Mechanické vlastnosti součástí zubu byly také hodnoceny pomocí kvazistatických mikropilárních kompresních experimentů. Fokusovaný iontový paprsek byl použit k výrobě pilířů o velikosti mikrometru. Pro posouzení pevnosti spojení mezi primárními destičkami na konvexní straně zubu byly vyrobeny mikropilíře se šikmou orientací vzhledem k normálnímu rozhraní mezi destičkami (2D). Na snímku 2E je znázorněna mikrokolona se šikmým rozhraním. A na grafu 2F jsou uvedeny výsledky měření smykového napětí.
Vědci si všimli zajímavé skutečnosti – naměřený modul pružnosti je téměř poloviční oproti vtlačovacím testům. Tento rozpor mezi testem vtlačování a kompresí je také zaznamenán u zubní skloviny. V tuto chvíli existuje několik teorií vysvětlujících tento rozpor (od vlivů prostředí při testech až po kontaminaci vzorků), ale na otázku, proč k rozporům dochází, neexistuje jednoznačná odpověď.
Dalším krokem ve studiu zubů mořského ježka byly testy opotřebení prováděné pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu. Zub byl nalepen na speciální držák a přitlačen na substrát z ultrananokrystalického diamantu (3А).
Obrázek č. 3
Vědci poznamenávají, že jejich verze testu opotřebení je opakem toho, co se obvykle dělá, když je diamantový hrot vtlačen do substrátu studovaného materiálu. Změny v metodice testů opotřebení umožňují lepší pochopení vlastností mikrostruktur a součástí zubů.
Jak můžeme vidět na obrázcích, při dosažení kritického zatížení se začnou tvořit třísky. Stojí za zvážení, že síla „kousnutí“ aristotelské lucerny u mořských ježků se liší v závislosti na druhu od 1 do 50 newtonů. V testu byla aplikována síla od stovek mikronewtonů do 1 newtonu, tzn. od 1 do 5 newtonů pro celou aristotelskou lucernu (protože má pět zubů).
Na obrázku 3B(i) jsou viditelné malé částice (červená šipka), které vznikly v důsledku opotřebení oblasti kamene. Jak se oblast kamene opotřebovává a smršťuje, trhliny na rozhraních mezi deskami mohou vznikat a šířit se v důsledku zatížení tlakem a smykem a nahromadění napětí v oblasti kalcitových desek. Snímky 3B(ii) и 3B(iii) ukázat místa, kde se úlomky odlomily.
Pro srovnání byly provedeny dva typy experimentů s opotřebením: s konstantním zatížením odpovídajícím začátku kluzu (WCL) as konstantním zatížením odpovídajícím meze kluzu (WCS). V důsledku toho byly získány dvě varianty opotřebení zubů.
Video testu opotřebení:
Fáze I
Etapa II
Stupeň III
Etapa IV
V případě konstantního zatížení v testu WCL bylo pozorováno stlačení oblasti, nicméně nebylo zaznamenáno žádné odštípnutí nebo jiné poškození desek (4A). Ale v testu WCS, kdy byla normálová síla zvýšena, aby se udrželo konstantní jmenovité kontaktní napětí, bylo pozorováno odlupování a vypadávání desek (4V).
Obrázek č. 4
Tato pozorování jsou potvrzena grafem (4S) měření kompresní plochy a objemu odštípnutých desek v závislosti na délce posuvu (vzorek přes diamant během testu).
Tento graf také ukazuje, že v případě WCL se netvoří třísky, i když je posuvná vzdálenost větší než v případě WCS. Kontrola lisovaných a štípaných desek pro 4V umožňuje lépe porozumět mechanismu samoostříní zubů mořského ježka.
Plocha stlačené oblasti kamene se zvětšuje, když se deska odlomí, což způsobí odstranění části stlačené oblasti [4B(iii-v)]. Mikrostrukturální prvky, jako je vazba mezi kamenem a deskami, tento proces usnadňují. Mikroskopie ukázala, že vlákna v zubním kamene jsou ohnutá a pronikají vrstvami destiček v konvexní části zubu.
Na grafu 4S při odlepení nové dlahy od zubu dochází ke skoku v objemu odštípnuté oblasti. Je zvláštní, že ve stejném okamžiku dochází k prudkému poklesu šířky zploštělé oblasti (4D), což naznačuje proces samoostření.
Jednoduše řečeno, tyto experimenty ukázaly, že při zachování konstantního normálního (nikoli kritického) zatížení během testů opotřebení se hrot otupí, zatímco zub zůstane ostrý. Ukazuje se, že zuby ježků jsou během používání ostřeny, pokud zatížení nepřekročí kritickou hodnotu, jinak může dojít k poškození (štěpky) a ne k ostření.
Obrázek č. 5
Abychom porozuměli roli mikrostruktur zubů, jejich vlastnostem a jejich příspěvku k samoostřícímu mechanismu, byla provedena nelineární analýza konečných prvků procesu opotřebení (5А). K tomu byly použity snímky podélného řezu špičkou zubu, které posloužily jako základ pro dvourozměrný model skládající se z kamene, destiček, kýlu a rozhraní mezi destičkami a kamenem.
Obraz 5B-5H jsou obrysové grafy Misesova kritéria (kritérium plasticity) na okraji oblasti kamene a desky. Když je zub stlačen, zubní kámen podléhá velkým viskoplastickým deformacím, hromadí poškození a smršťuje se („zplošťuje“) (5B и 5C). Další stlačování vyvolává smykový pás v kameni, kde se hromadí většina plastické deformace a poškození, odtrhává část kamene a přivádí jej do přímého kontaktu s podkladem (5D). Taková fragmentace kamene v tomto modelu odpovídá experimentálním pozorováním (rozdělené fragmenty na 3B(i)). Komprese také vede k delaminaci mezi deskami, protože prvky rozhraní jsou vystaveny smíšenému zatížení, které má za následek dekohezi (odlupování). Jak se kontaktní plocha zvětšuje, zvětšují se kontaktní napětí, což způsobuje iniciaci a šíření trhliny na rozhraní (5B-5E). Ztráta adheze mezi deskami zesiluje zalomení, které způsobí uvolnění vnější desky.
Poškrábání zhoršuje poškození rozhraní, které má za následek odstranění plátu, když se plát(y) rozštěpí (kdy se trhliny odchylují od rozhraní a pronikají plátem, 5G). Jak proces pokračuje, fragmenty dlahy se oddělují od špičky zubu (5H).
Je zvláštní, že simulace velmi přesně předpovídá odštěpování jak v oblasti kamene, tak v oblasti desek, čehož si vědci již všimli během pozorování (3B и 5I).
Pro podrobnější seznámení s nuancemi studie doporučuji nahlédnout и jemu.
Epilog
Tato práce opět potvrdila, že evoluce lidské zuby příliš nepodporovala. Vážně, vědci ve své studii dokázali podrobně prozkoumat a vysvětlit mechanismus samoostříní zubů ježovek, který je založen na neobvyklé stavbě zubu a jeho správném zatížení. Destičky pokrývající ježčí zub se při určité zátěži odlupují, což umožňuje udržet zub ostrý. To však neznamená, že mořští ježci mohou drtit kameny, protože při dosažení kritických ukazatelů zatížení se na zubech tvoří praskliny a třísky. Ukazuje se, že princip „existuje síla, není potřeba mysl“ by rozhodně nepřinesl žádný užitek.
Někdo by si mohl myslet, že studium zubů obyvatel hlubokého moře nepřináší člověku žádný užitek, kromě uspokojení neukojitelné lidské zvědavosti. Poznatky získané během tohoto studia však mohou posloužit jako základ pro tvorbu nových typů materiálů, které budou mít vlastnosti podobné zubům ježků – odolnost proti opotřebení, samoostření na materiálové úrovni bez vnější pomoci a trvanlivost.
Ať je to jak chce, příroda skrývá mnoho tajemství, která ještě musíme odhalit. Budou užitečné? Možná ano, možná ne. Ale někdy, dokonce i v tom nejsložitějším výzkumu, někdy není důležitý cíl, ale samotná cesta.
Pátek off-top:
Podvodní lesy obřích řas slouží jako shromažďovací místo pro ježovky a další neobvyklé obyvatele oceánu. (BBC Earth, voice-over - David Attenborough).
Děkujeme za sledování, zůstaňte zvědaví a přeji všem krásný víkend! 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavého obsahu? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením přátelům, 30% sleva pro uživatele Habr na unikátní obdobu entry-level serverů, kterou jsme pro vás vymysleli: (k dispozici s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2x levnější? Pouze zde V Nizozemsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 $! Číst o
Zdroj: www.habr.com