Samtaler om tænder hos folk forbindes ofte med karies, tandretning og sadister i hvide kits, der kun drømmer om at lave perler af dine tænder. Men spøg til side, for uden tandlæger og etablerede hygiejneregler ville vi nøjes med kartoffelmos og suppe gennem et sugerør. Skylden ligger hos evolutionen, der har givet os tænder, som ikke er specielt holdbare, og som ikke regenererer, hvilket uden tvivl glæder dem i tandlægeindustrien. Når man taler om tænder hos dyrene i naturen, så tænker man straks på majestætiske løver, blodtørstige hajer og ekstremt positive hyæner. Men på trods af deres kraftfulde kæber er deres tænder ikke så fantastiske som en søpindsvins tænder. Ja, denne klump af pigge, som du kan træde på og ødelægge en god del af din ferie, har ganske gode tænder. De er selvfølgelig få, kun fem, men de er unikke på deres egen måde og kan slibe sig selv. Hvordan har forskerne fundet ud af denne egenskab, hvordan fungerer denne proces, og hvordan kan det hjælpe mennesker? Det får vi at vide i rapporten fra forskningsgruppen. Lad os komme i gang.
Basis for undersøgelsen
Først og fremmest er det værd at lære hovedpersonen i undersøgelsen bedre at kende — Strongylocentrotus fragilis, på menneskesprog, den lyserøde søpindsvin. Denne art af søpindsvin adskiller sig ikke meget fra sine artsfæller, bortset fra den mere fladtrykte form og det glamourøse udseende. De lever ret dybt (fra 100 m til 1 km), og de kan vokse op til 10 cm i diameter.
«Skeletet» af søpindsvinet viser den femtakkede symmetri.
Søpindsvin findes, så groft det nu end lyder, i rette og urette former. De første har en næsten perfekt rund krop med udtalt femtakket symmetri, mens de andre er mere asymmetrisk.
Det første, der springer i øjnene ved synet af et søpindsvin, er dets pigge, der dækker hele kroppen. Hos forskellige arter kan piggene være alt fra 2 mm til 30 cm lange. Udover piggene har de på kroppen sphærider (balanceorganer) og pediceller (grene, der ligner tænger).
I midten ses tydeligt de fem tænder.
For a sea urchin representation, one must first turn upside down, as its mouth is located on the underside of its body, while other openings are on the top. The mouth of sea urchins is equipped with a chewing apparatus with the beautiful scientific name 'Aristotle's lantern' (it was Aristotle who first described this organ and compared its shape to an ancient portable lantern). This organ has five jaws, each ending in a sharp tooth (the Aristotle's lantern of the studied pink urchin is shown in photo 1C below).
It is assumed that the durability of sea urchins' teeth is maintained by their constant sharpening, which occurs through the gradual destruction of the mineralized plates of the tooth to keep the distal surface sharp.
But how exactly does this process occur, which teeth need to be sharpened, and which do not, and how is this important decision made? These questions are what scientists have been trying to answer.
Resultaterne af undersøgelsen
Billede nr. 1
Before revealing the dental secrets of sea urchins, let’s take a look at the structure of their teeth in general.
In the images 1A—1C the hero of the study — the pink sea urchin is shown. Like other sea urchins, members of this species obtain their mineral components from seawater. Among the skeletal elements, the teeth are highly mineralized (99%) with calcite enriched with magnesium.
As we discussed earlier, sea urchins use their teeth to scrape food. However, they also dig burrows with their teeth to hide from predators or bad weather. Given this unusual use of teeth, they must be extremely strong and sharp.
På billedet 1D shown is the micro-computed tomography of a whole tooth segment, indicating that the tooth is formed along an elliptical curve with a T-shaped cross-section.
The cross-section of the tooth (1E) viser, at tanden består af tre strukturelle områder: primære plader, kerneområdet og sekundære plader. Kerneområdet består af fibre af lille diameter, der er omgivet af en organisk skal. Fibrene er indkapslet i en polykrystallinsk matrix, der består af magnesiumholdige kalkpartikler. Diameteren af disse partikler er omkring 10-20 nm. Forskere bemærker, at koncentrationen af magnesium er ujævn i hele tanden og stiger tættere på spidsen, hvilket giver en øget slidstyrke og hårdhed.
Det longitudinale snit (1F) af kerneområdet i tanden viser ødelæggelse af fibrene samt afskæringer, der opstår på grund af afskalning ved grænsen mellem fibrene og den organiske skal.
De primære plader består typisk af monokrystaller af kalk og er placeret på den konvekse overflade af tanden, mens de sekundære plader udfylder den konkave overflade.
På billedet 1G kan man se et array af buede primære plader, der ligger parallelt med hinanden. Billedet viser også fibre og den polykrystallinske matrix, der udfylder rummet mellem pladerne. Kilen (1H) danner basen for det tværgående T-snit og øger tandens stivhed ved bøjning.
Da vi kender strukturen af tanden fra den lyserøde søpindsvin, er det nu nødvendigt at undersøge de mekaniske egenskaber af dens komponenter. Til dette blev der udført kompressionstests ved hjælp af et rasterelektronmikroskop og metoden nanoindentering*. I nanomekaniske tests blev der anvendt prøver, der blev skåret langs de longitudinale og tværgående orienteringer af tanden.
Nanoindentering* — en metode til at teste materialet ved at presse et specielt værktøj — en indenter — ind i overfladen af prøven.
Dataanalysen viste, at den gennemsnitlige Youngs modul (E) og hårdhed (H) ved spidsen af tanden i longitudinel og tværgående retning er: EL = 77,3 ± 4,8 GPa, HL = 4,3 ± 0,5 GPa (longitudinel) og ET = 70,2 ± 7,2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (tværgående).
Youngs modul* — en fysisk størrelse, der beskriver materialets evne til at modstå stræk og kompression.
Hårdhed* — materialets egenskab til at modstå indtrængen fra et hårdere objekt (indenter).
Desuden blev der i længderetningen udført fordybninger med cyklisk tillægsbelastning for at skabe en model for visko-plastisk skader i det stenede område. På 2A vises last-forskydningskurven.
Billede Nr. 2
Modulet for hver cyklus blev beregnet baseret på Oliver-Farrah-metoden ved hjælp af affladningsdata. Indtrykscyklusserne viste et monoton reducerende modul med stigende indtryk dybde (2B). En sådan forringelse af stivheden forklares med akkumulering af skader (2C) som følge af irreversibel deformation. Bemærkelsesværdigt er, at udviklingen af den tredje sker omkring fibrerne, og ikke gennem dem.
De mekaniske egenskaber af tandens komponenter blev også vurderet ved hjælp af eksperimenter med kvasi-statiske kompression af mikropiller. Der blev anvendt en fokuseret ionstråle til fremstilling af piller i mikrometerstørrelse. For at vurdere styrken af forbindelsen mellem de primære plader på den konvekse side af tanden, blev der fremstillet mikropiller med skrå orientering i forhold til den normale grænseflade mellem pladerne (2D). Billedet 2E viser en mikropille med skrå grænseflade. Og på grafen 2F vises resultaterne af målingen af skæringsspændingen.
Forskere bemærker en interessant kendsgerning - den målte elastisitetsmodul er næsten halvdelen af det, der blev fundet ved indtrykstest. Denne uoverensstemmelse mellem indtryk- og kompressionstests observeres også for tandemalje. Indtil videre er der flere teorier, der forklarer denne uoverensstemmelse (fra indflydelsen af miljøet under testene til forurening af prøverne), men der er endnu ikke noget klart svar på spørgsmålet om, hvorfor uoverensstemmelsen eksisterer.
Det næste trin i undersøgelsen af søpinnertænderne var slidtests, der blev udført ved hjælp af et scanning elektronmikroskop. Tanden blev limet til en speciel holder og presset mod et underlag lavet af ultra-nanokrystallinsk diamant (3A).
Billede nr. 3
Forskere bemærker, at deres slidtestvariant er modsat den, der normalt udføres, når spidsen af diamanten presses ind i underlaget af det undersøgte materiale. Ændringerne i metoden til udførelse af slidtesten giver mulighed for bedre at undersøge de mikrosk strukturer og komponenter af tanden.
Som vi kan se på billederne, begynder der at dannes chips ved kritisk belastning. Det skal bemærkes, at "bidstyrken" af Aristoteles' lampe hos søpindsvin varierer fra 1 til 50 newton afhængigt af arten. I testen blev der anvendt kræfter fra hundrede mikronewton til 1 newton, dvs. fra 1 til 5 newton for hele Aristoteles' lampe (da der er fem tænder).
På billedet 3В(i) små partikler er synlige (rød pil), dannet som følge af slid på stenen. Da stenens område slides og komprimeres, kan revner opstå og sprede sig mellem pladerne som følge af kompressions- og skydelasten samt ophobning af spændinger i området for calcitpladerne. Billederne 3В(ii) og 3В(iii) viser steder, hvor fragmenter er knækket af.
For sammenligning blev der udført to typer slidtests: en med konstant belastning svarende til begyndelsen af flydeevne (WCL) og en med konstant belastning svarende til grænsen for flydeevne (WCS). Resultatet var to varianter af slid på tanden.
Video af slidtests:
Fase I
Fase II
Fase III
Fase IV
I tilfælde af konstant belastning under WCL-testen blev der observeret kompression af området, men der blev ikke bemærket chips eller andre skader på pladerne (4A). I WCS-testen, hvor den normale kraft blev øget for at holde det nominelle kontakttryk konstant, blev der observeret chips og pladeafsmitning (4B).
Image No. 4
Disse observationer bekræftes af graferne (4C) for målingerne af kompressionsarealet og volumenet af de knækkede plader i forhold til glidens længde (prøven mod diamanten i testen).
Denne graf viser også, at i WCL ikke dannes der chips, selv når glidningen overstiger den for WCS. Inspektionen af de komprimerede og knækkede plader på 4B giver en bedre forståelse af mekanismen for selvslibning af søpindsvins tænder.
Det komprimerede område af stenen øges, efterhånden som pladen knækker, hvilket fører til, at en del af det komprimerede område fjernes [4B (iii-v)]. Mikrostrukturelle egenskaber, såsom forbindelsen mellem stenen og pladerne, letter denne proces. Mikroskopi har vist, at fibrene i det stenede område bøjes og gennemborer lagene af plader i den udskrevne del af tanden.
På grafen 4C der ses et spring i det skårne områdes volumen, når den nye plade adskilles fra tanden. Det er interessant, at der på samme tidspunkt sker et pludseligt fald i bredden af det flade område (4D), hvilket indikerer en selvslibende proces.
Kort sagt viste data fra eksperimenterne, at der under vedligeholdelse af en konstant normal (ikke kritisk) belastning under slidtest sker der en udskærpning af spidsen, mens tanden forbliver skarp. Det viser sig, at eretænder sliber sig selv under brug, så længe belastningen ikke overstiger det kritiske niveau, ellers kan der opstå skader (chips) i stedet for slibning.
Billede nr. 5
For at forstå rollen af tandens mikrostrukturer, deres egenskaber og deres bidrag til mekanismen for selvslibning, blev der udført en nonlineær analyse af slidprocessen ved hjælp af finite element-metoden (5A). Til dette blev billeder af longitudinel tværsnit af tandspidsen anvendt, der dannede grundlag for en to-dimensionel model bestående af sten, plader, køl og grænseflader mellem pladerne og stenen.
Billeder 5B–5H — er konturdiagrammer af von Mises-kriteriet (plasticitetskriteriet) i kanten af sten- og pladeområdet. Når tanden presses, udsættes stenen for store viskoelastiske deformationer, akkumulerer skader og komprimeres ("fladespreder") (5B og 5C). Yderligere kompression forårsager en skydelinje i stenen, hvor størstedelen af den plastiske deformation og skader akkumuleres, hvilket løsner en del af stenen og bringer den i direkte kontakt med underlaget (5D). Sådan fragmentering af stenen i denne model svarer til de eksperimentelle observationer (afbrudte fragmenter ved 3B(i)). Kompressionen fører også til afskalning mellem pladerne, da grænsefladeelementerne udsættes for blandet belastning, hvilket resulterer i dekohesion (afskalning). Efterhånden som kontaktområdet øges, stiger kontaktspændingerne, hvilket fører til dannelse og udbredelse af revner i grænsefladen (5B—5E). Tab af vedhæftning mellem pladerne forstærker bøjningen, hvorefter den yderste plade adskilles.
Ridser forværrer skaden på grænsefladen, hvilket fører til fjernelse af pladen, når pladerne udsættes for spaltning (hvor revnerne afviger fra grænsefladen og trænger ind i pladen, 5G). Efterhånden som processen fortsætter, løsner pladens fragmenter sig fra tandens spids (5H).
Det er interessant, at modelleringen meget præcist forudsiger flækning både i området af stenen og i området af pladerne, hvilket forskerne allerede har bemærket under observationer (3B og 5I).
For mere detaljeret information om nuancerne i undersøgelsen anbefaler jeg at kigge i og til det.
Epilog
Dette arbejde bekræfter endnu en gang, at evolutionen ikke har været særlig velvillig mod menneskets tænder. Seriøst, i sin undersøgelse har forskerne været i stand til at undersøge og forklare mekanismen bag selvslibningen af søpindsvinets tænder, som er baseret på en usædvanlig tandstruktur og korrekt belastning. Pladerne, der dækker søpindsvinets tand, løsner sig under visse belastninger, hvilket gør det muligt at holde tanden skarp. Men det betyder ikke, at søpindsvinene kan knuse sten, for ved kritiske belastninger dannes der revner og chips på tænderne. Det viser sig, at princippet "styrke er, at intelligens ikke er nødvendigt" bestemt ikke ville give nogen fordel.
Man kunne tænke, at undersøgelsen af tænderne hos indbyggerne i havets dybder ikke gavner mennesker, udover at tilfredsstille den umætte menneskelige nysgerrighed. Men den viden, der er opnået gennem denne forskning, kan danne grundlag for udviklingen af nye typer materialer, der vil have egenskaber, der ligner søpindsvinets tænder — slidstyrke, selvslibning på materialeniveau uden ekstern hjælp og holdbarhed.
Uanset hvad, gemmer naturen på mange hemmeligheder, som vi endnu har til gode at afdække. Vil de være nyttige? Måske ja, måske nej. Men nogle gange er det ikke destinationen, men rejsen, der er vigtig, også i de mest komplekse undersøgelser.
Fredags off-topic:
Undervandskrove af gigantiske alger fungerer som samlingssteder for søpindsvin og andre usædvanlige indbyggere af oceanerne. (BBC Earth, voiceover — David Attenborough).
Tak for opmærksomheden, forbliv nysgerrige, og hav en fantastisk weekend, folkens! 🙂
Tak fordi du er med os. Kan du lide vores artikler? Vil du se flere interessante materialer? Støt os ved at lave en bestilling eller anbefale os til dine bekendte. 30% rabat til brugere af Habr på en unik entry-level server, som vi har opfundet til dig: (tilgængelige muligheder med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).
Dell R730xd er 2 gange billigere? Kun hos os i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra 99 $! Læs om hvordan
Kilde: habr.com
