At tale om tænder hos mennesker forbindes oftest med caries, seler og sadister i hvide kitler, som kun drømmer om at lave perler af dine tænder. Men vittigheder til side, for uden tandlæger og etablerede mundhygiejneregler ville vi kun spise knuste kartofler og suppe gennem et sugerør. Og alt er skyld i evolutionen, som gav os langt fra de mest holdbare tænder, som stadig ikke regenererer, hvilket nok ubeskriveligt glæder tandindustriens repræsentanter. Hvis vi taler om tænderne på repræsentanter for naturen, kommer majestætiske løver, blodtørstige hajer og ekstremt positive hyæner straks til at tænke på. På trods af deres kæbers kraft og styrke er deres tænder dog ikke så fantastiske som søpindsvin. Ja, denne nålekugle under vand, som du træder på, som du kan ødelægge en god del af din ferie på, har ganske gode tænder. Dem er der selvfølgelig ikke mange af, kun fem, men de er unikke på hver deres måde og er i stand til at skærpe sig. Hvordan identificerede videnskabsmænd en sådan funktion, hvordan forløber denne proces præcist, og hvordan kan den hjælpe folk? Det lærer vi om fra forskningsgruppens rapport. Gå.
Forskningsgrundlag
Først og fremmest er det værd at lære hovedpersonen i undersøgelsen at kende - Strongylocentrotus fragilis, i menneskelige termer, med en lyserød søpindsvin. Denne type søpindsvin adskiller sig ikke meget fra dens andre modstykker, med undtagelse af en mere flad form ved stængerne og en glamourøs farve. De lever ret dybt (fra 100 m til 1 km), og de vokser op til 10 cm i diameter.
"Skelettet" af et søpindsvin, som viser femstrålesymmetri.
Søpindsvin er, uanset hvor uhøfligt det lyder, rigtige og forkerte. Førstnævnte har en næsten perfekt rund kropsform med udtalt fem-strålesymmetri, mens sidstnævnte er mere asymmetriske.
Det første, der fanger dit øje, når du ser et søpindsvin, er dens fjerpinde, der dækker hele kroppen. Hos forskellige arter kan nålene være fra 2 mm op til 30 cm. Udover nålene har kroppen spheridia (balanceorganer) og pedicellaria (processer, der minder om pincet).
Alle fem tænder er tydeligt synlige i midten.
For at skildre en søpindsvin skal du først stå på hovedet, da dens mundåbning er placeret på den nederste del af kroppen, men de andre huller er på den øverste. Søpindsvinenes mund er udstyret med et tyggeapparat med et smukt videnskabeligt navn "Aristoteles lanterne" (det var Aristoteles, der først beskrev dette organ og sammenlignede det i form med en antik transportabel lanterne). Dette organ er udstyret med fem kæber, som hver ender i en skarp tand (den aristoteliske lanterne fra det undersøgte lyserøde pindsvin er vist på billede 1C nedenfor).
Der er en antagelse om, at holdbarheden af tænderne på søpindsvin er sikret ved deres konstante slibning, hvilket sker gennem den gradvise ødelæggelse af de mineraliserede tandplader for at opretholde skarpheden af den distale overflade.
Men hvordan forløber denne proces helt præcist, hvilke tænder skal slibes og hvilke ikke, og hvordan træffes denne vigtige beslutning? Forskere har forsøgt at finde svar på disse spørgsmål.
Forskningsresultater
Billede #1
Før du afslører søpindsvinens tandhemmeligheder, skal du overveje strukturen af deres tænder generelt.
På billederne 1А—1С undersøgelsens helt er vist - en pink søpindsvin. Som andre søpindsvin får repræsentanter for denne art deres mineralske komponenter fra havvand. Blandt skeletelementerne er tænderne stærkt mineraliserede (med 99%) med magnesiumberiget calcit.
Som vi diskuterede tidligere, bruger pindsvin deres tænder til at skrabe mad. Men udover dette graver de ved hjælp af deres tænder huller til sig selv, hvor de gemmer sig for rovdyr eller dårligt vejr. I betragtning af denne usædvanlige brug af tænder skal sidstnævnte være ekstremt stærk og skarp.
På billedet 1D Der er vist mikrocomputertomografi af et segment af en hel tand, hvilket gør det klart, at tanden er dannet langs en elliptisk kurve med et T-formet tværsnit.
Tværsnit af tanden (1E) viser, at tanden er sammensat af tre strukturelle regioner: primære laminae, calculus region og sekundære lameller. Stenområdet består af fibre med lille diameter, omgivet af en organisk skal. Fibrene er indkapslet i en polykrystallinsk matrix sammensat af magnesiumrige calcitpartikler. Diameteren af disse partikler er omkring 10-20 nm. Forskerne bemærker, at koncentrationen af magnesium ikke er ensartet i hele tanden og stiger tættere på dens ende, hvilket giver dens øgede slidstyrke og hårdhed.
Længdesnit (1F) af tandstenen viser ødelæggelsen af fibrene, såvel som adskillelsen, som opstår på grund af delaminering ved grænsefladen mellem fibrene og den organiske skal.
Primære finer er normalt sammensat af calcit enkeltkrystaller og er placeret på den konvekse overflade af tanden, mens sekundære finer fylder den konkave overflade.
Afbildet 1G man kan se en række buede primærplader, der ligger parallelt med hinanden. Billedet viser også fibre og en polykrystallinsk matrix, der fylder rummet mellem pladerne. køl (1H) danner bunden af den tværgående T-sektion og øger tandens bøjningsstivhed.
Da vi ved, hvilken struktur tanden på det lyserøde søpindsvin har, skal vi nu finde ud af de mekaniske egenskaber af dens komponenter. Til dette blev der udført kompressionstest ved hjælp af et scanningselektronmikroskop og metoden nanoindentation*. Prøver skåret langs tandens langsgående og tværgående orienteringer deltog i nanomekaniske tests.
Nanoindentation* — kontrol af materialet ved hjælp af indrykning i overfladen af prøven af et specialværktøj — indrykning.
Dataanalyse viste, at det gennemsnitlige Youngs modul (E) og hårdhed (H) ved tandspidsen i længde- og tværretningen er: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (langsgående) og ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (tværgående).
Youngs modul* - en fysisk størrelse, der beskriver et materiales evne til at modstå spændinger og kompression.
Hårdhed* - materialets egenskab til at modstå indførelsen af et mere solidt legeme (indenter).
Derudover blev der lavet fordybninger i længderetningen med en cyklisk ekstra belastning for at skabe en model af duktile skader for stenområdet. På 2А last-forskydningskurven er vist.
Billede #2
Modulus for hver cyklus blev beregnet baseret på Oliver-Farr-metoden under anvendelse af aflæsningsdata. Indrykningscyklusserne viste et monotont fald i modul med stigende indrykningsdybde (2V). En sådan forringelse af stivhed forklares ved akkumulering af skader (2C) som følge af irreversibel deformation. Det er bemærkelsesværdigt, at udviklingen af den tredje sker omkring fibrene og ikke gennem dem.
De mekaniske egenskaber af tandbestanddelene blev også vurderet ved hjælp af kvasistatiske mikropillar kompressionseksperimenter. En fokuseret ionstråle blev brugt til at fremstille søjler i mikrometerstørrelse. For at vurdere styrken af forbindelsen mellem de primære plader på den konvekse side af tanden, blev mikropiller fremstillet med en skrå orientering i forhold til den normale grænseflade mellem pladerne (2D). Afbildet 2E en mikrosøjle med en skrå grænseflade er vist. Og på diagrammet 2F resultaterne af forskydningsspændingsmålinger er vist.
Forskere bemærker en interessant kendsgerning - den målte elasticitetsmodul er næsten halvdelen af fordybningstests. Denne uoverensstemmelse mellem indrykning og kompressionstest er også bemærket for tandemalje. I øjeblikket er der flere teorier, der forklarer denne uoverensstemmelse (fra miljøpåvirkninger under test til kontaminering af prøver), men der er ikke noget klart svar på spørgsmålet om, hvorfor uoverensstemmelsen opstår.
Næste trin i undersøgelsen af søpindsvinens tænder var slidtest udført ved hjælp af et scanningselektronmikroskop. Tanden blev limet til en speciel holder og presset mod et substrat af ultrananokrystallinsk diamant (3А).
Billede #3
Forskerne bemærker, at deres version af slidtesten er det modsatte af, hvad der normalt gøres, når en diamantspids presses ind i et underlag af materialet, der undersøges. Ændringer i slidtestmetoden muliggør en bedre forståelse af egenskaberne af mikrostrukturer og tandkomponenter.
Som vi kan se på billederne, begynder der at dannes spåner, når den kritiske belastning er nået. Det er værd at overveje, at kraften af "bid" af den aristoteliske lanterne i søpindsvin varierer afhængigt af arten fra 1 til 50 newton. I testen blev der påført en kraft fra hundredvis af mikronewton til 1 newton, dvs. fra 1 til 5 newton for hele den aristoteliske lanterne (da der er fem tænder).
Afbildet 3B(i) små partikler (rød pil) er synlige, dannet som følge af slid på stenområdet. Efterhånden som stenområdet slides og trækker sig sammen, kan revner ved grænsefladerne mellem pladerne opstå og forplante sig på grund af kompressionsforskydningsbelastning og spændingsopbygning i området af calcitpladerne. Snapshots 3B(ii) и 3B(iii) vis de steder, hvor fragmenterne brækkede af.
Til sammenligning blev der udført to typer slidforsøg: med en konstant belastning svarende til begyndelse af flydeevne (WCL) og med en konstant belastning svarende til flydespænding (WCS). Som et resultat blev der opnået to varianter af tandslid.
Slidtestvideo:
Fase I
Fase II
Fase III
Fase IV
I tilfælde af en konstant belastning i WCL-testen blev der observeret kompression af området, dog blev der ikke bemærket nogen skår eller anden skade på pladerne (4A). Men i WCS-testen, når normalkraften blev øget for at holde den nominelle kontaktspænding konstant, blev der observeret afslag og fald ud af pladerne (4V).
Billede #4
Disse observationer bekræftes af plottet (4С) målinger af kompressionsområdet og volumen af afhuggede plader afhængig af glidelængden (prøve over diamant under testen).
Denne graf viser også, at der i tilfælde af WCL ikke dannes chips, selvom glideafstanden er større end i tilfælde af WCS. Eftersyn af sammenpressede og tilhuggede plader vedr 4V giver dig mulighed for bedre at forstå mekanismen for selvslibning af søpindsvinstænder.
Arealet af det komprimerede område af stenen øges, når pladen brækker af, hvilket får en del af det komprimerede område til at blive fjernet [4B(iii-v)]. Mikrostrukturelle egenskaber såsom bindingen mellem sten og plader letter denne proces. Mikroskopi har vist, at fibrene i tandstenen er bøjet og trænger gennem lagene af plader i den konvekse del af tanden.
På diagrammet 4С der er et spring i volumen af det afhuggede område, når den nye plade løsnes fra tanden. Det er mærkeligt, at der i samme øjeblik er et kraftigt fald i bredden af oblatområdet (4D), som angiver processen med selvskærpning.
Kort sagt har disse eksperimenter vist, at mens man opretholder en konstant normal (ikke kritisk) belastning under slidtest, bliver spidsen stump, mens tanden forbliver skarp. Det viser sig, at pindsvinens tænder skærpes under brug, hvis belastningen ikke overstiger den kritiske, ellers kan der opstå skader (spåner) og ikke slibning.
Billede #5
For at forstå rollen af tandmikrostrukturer, deres egenskaber og deres bidrag til den selvslibende mekanisme, blev der udført en ikke-lineær finite element-analyse af slidprocessen (5А). For at gøre dette blev der brugt billeder af et længdesnit af tandspidsen, som tjente som grundlag for en todimensionel model bestående af sten, plader, køl og grænseflader mellem plader og sten.
Изображения 5B-5H er konturplot af Mises-kriteriet (plasticitetskriteriet) i kanten af sten- og pladeområdet. Når en tand presses sammen, gennemgår tandstenen store viskoplastiske deformationer, akkumulerer skader og krymper ("flader ud") (5B и 5C). Yderligere kompression inducerer et forskydningsbånd i stenen, hvor det meste af den plastiske deformation og skade akkumuleres, river en del af stenen af og bringer den i direkte kontakt med underlaget (5D). En sådan fragmentering af stenen i denne model svarer til eksperimentelle observationer (split fragmenter på 3B(i)). Kompression resulterer også i delaminering mellem pladerne, da grænsefladeelementerne udsættes for blandet belastning, hvilket resulterer i dekohæsion (afskalning). Når kontaktarealet øges, øges kontaktspændingerne, hvilket forårsager initiering og udbredelse af en revne ved grænsefladen (5B—5E). Tab af vedhæftning mellem pladerne forstærker knækningen, som får den ydre plade til at frigøres.
Ridser forværrer grænsefladeskader, hvilket resulterer i pladefjernelse, når pladen/pladerne bliver flækket (hvor revner afviger fra grænsefladen og trænger ind i pladen, 5G). Efterhånden som processen fortsætter, løsnes pladens fragmenter fra spidsen af tanden (5H).
Det er mærkeligt, at simuleringen meget præcist forudsiger spåntagning i både sten- og pladeregionerne, hvilket forskerne allerede har bemærket under observationer (3B и 5I).
For et mere detaljeret bekendtskab med nuancerne i undersøgelsen, anbefaler jeg at se på и til ham.
Epilog
Dette arbejde bekræftede endnu en gang, at evolutionen ikke var særlig støttende for menneskets tænder. Seriøst, i deres undersøgelse var forskerne i stand til at undersøge i detaljer og forklare mekanismen for selvslibning af søpindsvinstænder, som er baseret på tandens usædvanlige struktur og den korrekte belastning på den. Pladerne, der dækker pindsvinetanden, skaller af under en vis belastning, hvilket giver dig mulighed for at holde tanden skarp. Men det betyder ikke, at søpindsvin kan knuse sten, for når kritiske belastningsindikatorer nås, dannes der revner og skår på tænderne. Det viser sig, at princippet "der er magt, intet sind er nødvendigt" bestemt ikke ville bringe nogen fordel.
Man kunne tro, at studiet af indbyggerne i dybhavets tænder ikke bringer nogen fordel for mennesket, bortset fra tilfredsstillelsen af umættelig menneskelig nysgerrighed. Den viden, der er opnået under denne undersøgelse, kan dog tjene som grundlag for skabelsen af nye typer materialer, der vil have egenskaber, der ligner pindsvintænderne - slidstyrke, selvslibning på materialeniveau uden ekstern assistance og holdbarhed.
Hvorom alting er, så rummer naturen mange hemmeligheder, som vi endnu ikke har afsløret. Vil de være nyttige? Måske ja, måske ikke. Men nogle gange, selv i den mest komplekse forskning, er det nogle gange ikke destinationen, der betyder noget, men selve rejsen.
Fredag off-top:
Undervandsskove af gigantiske alger tjener som et samlingssted for søpindsvin og andre usædvanlige havbeboere. (BBC Earth, voice-over - David Attenborough).
Tak fordi du så med, bliv nysgerrig og hav en god weekend alle sammen! 🙂
Tak fordi du blev hos os. Kan du lide vores artikler? Vil du se mere interessant indhold? Støt os ved at afgive en ordre eller anbefale til venner, 30% rabat til Habr-brugere på en unik analog af entry-level servere, som er opfundet af os til dig: (tilgængelig med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gange billigere? Kun her i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Læse om
Kilde: www.habr.com