Stachlig und scharf, wo man hinsieht: der Mechanismus der Selbstschärfung von Seeigelzähnen

Unterhaltungen über Zähne werden oft mit Karies, Zahnspangen und Sadisten in weißen Kitteln assoziiert, die nur davon träumen, sich eine Kette aus deinen Zähnen zu machen. Aber Spaß beiseite: Ohne Zahnärzte und die festgelegten Hygienevorschriften würden wir uns nur von zerdrückten Kartoffeln und Suppe durch einen Strohhalm ernähren. Das liegt an der Evolution, die uns lange nicht die haltbarsten Zähne geschenkt hat, die zudem nicht regenerieren, was wohl die Vertreter der Zahnmedizin sehr erfreut. Spricht man von Zähnen in der Tierwelt, denkt man sofort an majestätische Löwen, blutgierige Haie und äußerst positive Hyänen. Allerdings sind trotz der Kraft ihrer Kiefer ihre Zähne nicht so bemerkenswert wie die der Seeigel. Ja, dieser Stachelball unter Wasser, auf den man treten könnte und sich einen Großteil des Urlaubs vermasseln kann, hat ganz anständige Zähnchen. Es sind zwar nur fünf, aber sie sind auf ihre Weise einzigartig und können sich selbst schärfen. Wie haben Wissenschaftler diese Eigenschaft entdeckt, wie genau läuft dieser Prozess ab und wie kann er den Menschen helfen? Das werden wir im Bericht der Forschungsgruppe erfahren. Los geht's.

Basis der Forschung

Zunächst sollten wir unseren Hauptdarsteller näher kennenlernen – Strongylocentrotus fragilis, umgangssprachlich der rosafarbene Seeigel. Diese Art von Seeigeln unterscheidet sich nicht wesentlich von ihren anderen Verwandten, abgesehen von der etwas abgeflachten Form und der glamourösen Färbung. Sie leben ziemlich tief (von 100 m bis 1 km) und wachsen bis zu 10 cm im Durchmesser.

Das „Skelett“ des Seeigels, das die fünfstrahlige Symmetrie zeigt.

Seeigel gibt es, so grob es auch klingt, in richtigen und falschen Formen. Erstere besitzen eine nahezu perfekt runde Körperform mit ausgeprägter fünfstrahliger Symmetrie, während letztere eher asymmetrisch sind.

Das Erste, was ins Auge fällt, wenn man einen Seeigel sieht, sind die Stacheln, die seinen ganzen Körper bedecken. Bei verschiedenen Arten können die Stacheln zwischen 2 mm und bis zu 30 cm lang sein. Neben den Stacheln sind am Körper Sphäroiden (Gleichgewichtsorgane) und Pedicellarien (Fortsetzungen, die wie Zangen aussehen) vorhanden.

In der Mitte sind deutlich alle fünf Zähne zu sehen.

Um einen Seeigel darzustellen, muss man zunächst kopfstehend stehen, da sein Mund auf der Unterseite seines Körpers sitzt, während sich die anderen Öffnungen oben befinden. Der Mund der Seeigel ist mit einem Kaukaugerät ausgestattet, das den schönen wissenschaftlichen Namen „Aristoteles-Lampe“ trägt (es war Aristoteles, der dieses Organ erstmals beschrieb und es in seiner Form mit einer antiken Laterne verglich). Dieses Organ hat fünf Kiefer, von denen jeder mit einem scharfen Zahn endet (die Aristoteles-Lampe des untersuchten rosa Seeigels ist auf Bild 1C unten abgebildet).

Es wird angenommen, dass die Langlebigkeit der Zähne der Seeigel durch ihre ständige Schärfung gewährleistet ist, die durch einen schrittweisen Abbau der mineralisierten Zahnschalen erfolgt, um die Schärfe der distal gelegenen Oberfläche zu erhalten.

Aber wie genau verläuft dieser Prozess, welche Zähne müssen geschärft werden, welche nicht, und wie wird diese wichtige Entscheidung getroffen? Wissenschaftler haben versucht, Antworten auf diese Fragen zu finden.

Ergebnisse der Studie

Bild Nr. 1

Bevor wir die zahnärztlichen Geheimnisse der Seeigel enthüllen, betrachten wir zunächst die Struktur ihrer Zähne im Allgemeinen.

Auf den Bildern 1A—1C wird der Forschungsheld – der rosa Seeigel – gezeigt. Wie andere Seeigel beziehen auch die Vertreter dieser Art ihre mineralischen Komponenten aus dem Meerwasser. Unter den skeletalen Elementen sind die Zähne stark mineralisiert (zu 99%) mit Calcit, angereichert mit Magnesium.

Wie bereits zuvor erwähnt, nutzen die Seeigel ihre Zähne, um Nahrung abzukratzen. Darüber hinaus graben sie mit ihren Zähnen Höhlen, in denen sie sich vor Raubtieren oder Unwettern verstecken. Angesichts dieser ungewöhnlichen Anwendung müssen die Zähne extrem stark und scharf sein.

In der Abbildung 1D gezeigt ist die Mikro-Computertomographie eines ganzen Zahnesegments, die verdeutlicht, dass der Zahn entlang einer elliptischen Kurve mit einem T-förmigen Querschnitt geformt ist.

Der Querschnitt des Zahnes (1Е) zeigt, dass der Zahn aus drei strukturellen Bereichen besteht: primären Platten, einem Steinbereich und sekundären Platten. Der Steinbereich besteht aus Fasern mit kleinem Durchmesser, die von einer organischen Hülle umgeben sind. Die Fasern sind in einer polykristallinen Matrix eingeschlossen, die aus magnesiumreichem Calcitpartikeln besteht. Der Durchmesser dieser Partikel beträgt etwa 10-20 nm. Forscher bemerken, dass die Magnesiumkonzentration im gesamten Zahn ungleichmäßig ist und sich zum Ende hin erhöht, was seine erhöhte Abriebfestigkeit und Härte gewährleistet.

Querschnitt (1F) des Steinbereichs des Zahns zeigt die Zerstörung der Fasern sowie Ablösungen, die aufgrund der Abblätterung an der Grenze zwischen Fasern und organischer Hülle auftreten.

Primäre Platten bestehen normalerweise aus Monokristallen von Calcit und befinden sich auf der konvexen Oberfläche des Zahns, während sekundäre Platten die konkave Oberfläche ausfüllen.

Auf dem Bild 1G man kann ein Bündel gekrümmter primärer Platten sehen, die parallel zueinander liegen. Das Bild zeigt auch die Fasern und die polykristalline Matrix, die den Raum zwischen den Platten ausfüllt. Die Kiel (1H) bildet die Basis des queren T-Querschnitts und erhöht die Steifigkeit des Zahns beim Biegen.

Da wir nun wissen, welche Struktur der Zahn des rosa Seeigels hat, müssen wir nun die mechanischen Eigenschaften seiner Komponenten bestimmen. Hierfür wurden Kompressionstests unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie und der Methode durchgeführt. Nanoindentation*. Bei den nanomechanischen Tests wurden Proben untersucht, die entlang der longitudinalen und transversalen Ausrichtungen des Zahns geschnitten wurden.

Nanoindentation* — Überprüfung des Materials durch Eindrücken eines speziellen Instruments — Indentors — in die Oberfläche der Probe.

Die Datenanalyse ergab, dass der durchschnittliche Young-Modul (E) und die Härte (H) an der Spitze des Zahns in longitudinaler und transversal Richtung betragen: EL = 77,3 ± 4,8 GPa, HL = 4,3 ± 0,5 GPa (longitudinal) und ET = 70,2 ± 7,2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (transversal).

Young-Modul* — physikalische Größe, die die Fähigkeit eines Materials beschreibt, sich gegen Zug- und Druckbelastung zu widersetzen.

Härte* — Eigenschaft eines Materials, sich dem Eindringen eines härteren Körpers (Indentor) zu widersetzen.

Darüber hinaus wurden im Längsverlauf Vertiefungen mit zyklischen Zusatzlasten durchgeführt, um ein Modell der visko-plastischen Schädigung für den Steingebiet zu erstellen. An 2A ist die Last-Verschiebungs-Kurve dargestellt.

Abbildung Nr. 2

Der Modul für jeden Zyklus wurde basierend auf der Oliver-Pharr-Methode unter Verwendung der Entlade Daten berechnet. Die Eintauchzyklen zeigten eine monotone Abnahme des Moduls mit zunehmender Eintieftiefe (2B). Eine derartige Verschlechterung der Steifigkeit wird durch die Ansammlung von Schädigungen (2C) infolge irreversibler Deformation erklärt. Bemerkenswert ist, dass die Entwicklung der dritten Art um die Fasern herum erfolgt und nicht durch sie hindurch.

Die mechanischen Eigenschaften der Zahnkomponenten wurden ebenfalls durch Experimente zur quasi-statischen Kompression von Mikrosäulen bewertet. Zur Herstellung der mikrometergroßen Säulen wurde ein fokussierter Ionenstrahl verwendet. Um die Festigkeit der Verbindung zwischen den primären Platten auf der konkaven Seite des Zahns zu bewerten, wurden Mikrosäulen mit schräger Ausrichtung relativ zur normalen Schnittstelle zwischen den Platten hergestellt (2D). Auf dem Bild 2E ist eine Mikrosäule mit schräger Schnittstelle zu sehen. Und im Diagramm 2F sind die Ergebnisse der Messung der Scherbeanspruchung dargestellt.

Wissenschaftler weisen auf die interessante Tatsache hin, dass der gemessene Elastizitätsmodul fast halb so groß ist wie bei den Eindringversuchen. Eine solche Diskrepanz zwischen Eindring- und Kompressionstests wird auch für Zahnschmelz festgestellt. Derzeit gibt es mehrere Theorien, die diese Diskrepanz erklären (von der Einwirkung der Umgebung während der Tests bis zur Kontamination der Proben), jedoch gibt es noch keine klare Antwort auf die Frage, warum diese Diskrepanz existiert.

Der nächste Schritt in der Untersuchung der Zähne des Seeigels waren Abriebtests, die mit einem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt wurden. Der Zahn wurde an einem speziellen Halter befestigt und auf ein Substrat aus ultrastrukturierter Diamant-Nanokristallen gedrückt (3A).

Bild Nr. 3

Wissenschaftler weisen darauf hin, dass ihre Variante des Abriebtests das Gegenteil von dem ist, was normalerweise durchgeführt wird, wenn die Diamantspitze in das Substrat des untersuchten Materials eindringt. Veränderungen in der Testmethodik ermöglichen ein besseres Studium der Eigenschaften von Mikostrukturen und der Komponenten des Zahns.

Wie wir auf den Bildern sehen können, bilden sich bei kritischer Belastung Abplatzer. Es ist zu beachten, dass die ‚Bisskraft‘ des Aristoteles-Lichts bei Seeigeln je nach Art zwischen 1 und 50 Newton variiert. Im Test wurde jedoch eine Kraft von Hunderten Mikronewton bis 1 Newton angewendet, d.h. von 1 bis 5 Newton für das gesamte Aristoteles-Licht (da es fünf Zähne gibt).

Auf dem Bild 3B(i) sind feine Partikel (rote Pfeile) sichtbar, die durch den Abrieb im Bereich des Steins entstanden sind. Da der Bereich des Steins abgetragen und komprimiert wird, können Risse an den Schnittstellen zwischen den Platten aufgrund von Druck- und Scherbelastungen sowie der Ansammlung von Spannungen im Bereich der Kalzitplatten entstehen. Die Bilder 3B(ii) und 3B(iii) zeigen die Stellen, an denen Fragmente abgebrochen sind.

Zum Vergleich wurden zwei Arten von Abriebexperimenten durchgeführt: mit konstanter Last, die dem Beginn der Fließgrenze entspricht (WCL), und mit konstanter Last, die der Fließgrenze entspricht (WCS). Dadurch wurden zwei Varianten des Zahnabriebs erzielt.

Videos der Abriebtests:

Phase I

Phase II

Phase III

Phase IV

Im Fall der konstanten Belastung im WCL-Test wurde eine Kompression des Bereichs beobachtet, jedoch wurden keine Abplatzer oder andere Beschädigungen der Platten festgestellt (4A). Im WCS-Test hingegen, als die normale Kraft erhöht wurde, um die nominelle Kontaktspannung konstant zu halten, wurden Abplatzer und das Ausfallen von Platten beobachtet (4В).

Abbildung Nr. 4

Diese Beobachtungen werden durch das Diagramm (4С) der Messungen der komprimierten Fläche und des Volumens der abgebrochenen Platten in Abhängigkeit von der Gleitstrecke (der Probe auf Diamant während des Tests) bestätigt.

Dieses Diagramm zeigt auch, dass im Fall von WCL keine Abplatzer entstehen, auch wenn die Gleiteme größer sind als im Fall von WCS. Die Untersuchung der komprimierten und abgebrochenen Platten an 4В ermöglicht ein besseres Verständnis des Selbstschärfungsmechanismus der Zähne des Seeigels.

Die Fläche des komprimierten Bereichs des Steins nimmt zu, da die Platte abbricht, was zur Entfernung eines Teils des komprimierten Bereichs führt [4B (iii-v)]. Mikrosstrukturmerkmale, wie die Verbindung zwischen Stein und Platten, erleichtern diesen Prozess. Die Mikroskopie zeigte, dass die Fasern im Steinbereich sich biegen und durch die Schichten der Platten in der konvexen Teil des Zahns dringen.

Im Diagramm 4С Es wird ein Anstieg des Volumens der abgebrochenen Zone beobachtet, wenn die neue Platte vom Zahn getrennt wird. Interessanterweise tritt zu diesem Zeitpunkt auch eine plötzliche Verringerung der Breite der abgeflachten Zone auf (4D), was auf den Prozess der Selbstschleifung hinweist.

Einfach gesagt, zeigten diese Experimente, dass während der Aufrechterhaltung einer konstanten normalen (nicht kritischen) Belastung während der Abnutzungstests die Spitze abstumpft, während der Zahn scharf bleibt. Somit schärfen sich die Zähne der Igel während des Gebrauchs, solange die Belastung nicht die kritische überschreitet; andernfalls kann es zu Schäden (Absplitterungen) und nicht zu einer Schärfung kommen.

Abbildung Nr. 5

Um die Rolle der Mikrostrukturen des Zahns, ihre Eigenschaften und ihren Beitrag zum Mechanismus der Selbstschleifung zu verstehen, wurde eine nichtlineare Analyse des Abnutzungsprozesses mit der Finite-Elemente-Methode (5А) durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden Schnappschüsse des Längsschnitts der Zahnsch Spitze verwendet, die die Grundlage für ein zweidimensionales Modell bildeten, das aus Stein, Platten, Kiel und den Schnittstellen zwischen den Platten und dem Stein besteht.

Bilder 5B–5H — sind Konturdiagramme des von Mises-Kriteriums (Plastizitätskriterium) am Rand des Bereichs von Stein und Platte. Wenn der Zahn komprimiert wird, erfährt der Stein große viskoplastische Verformungen, akkumuliert Schäden und wird komprimiert ("abgeflacht") (5B und 5C). Weitere Kompression verursacht eine Scherzone im Stein, in der die Hauptmenge an plastischer Verformung und Schäden akkumuliert wird, wodurch ein Teil des Steins abgerissen wird, was zu einem direkten Kontakt mit dem Untergrund führt (5D). Diese Fragmentierung des Steins in diesem Modell entspricht den experimentellen Beobachtungen (abgebrochene Fragmente bei 3B(i)). Die Kompression führt auch zu einer Delaminierung zwischen den Platten, da die Schnittstellenelemente gemischten Belastungen ausgesetzt sind, was zu Dekohäsion (Abschälung) führt. Mit zunehmender Kontaktfläche steigen die Kontaktspannungen, was die Keimbildung und Ausbreitung von Rissen an der Schnittstelle verursacht (5B—5E). Der Verlust der Haftung zwischen den Platten verstärkt die Biegung, bei der die äußere Platte sich löst.

Das Kratzen verschärft die Beschädigung der Schnittstelle, was zur Entfernung der Platte führt, wenn die Platten einer Spaltung ausgesetzt sind (wo Risse von der Schnittstelle abweichen und in die Platte eindringen, 5G.). Im Verlauf des Prozesses lösen sich die Scherben der Platte vom Spitzenzahn ab (5H).

Interessanterweise sagt die Modellierung sehr genau das Absplittern sowohl im Bereich des Steins als auch der Platten voraus, was von den Wissenschaftlern bereits während der Beobachtungen festgestellt wurde (3B und 5I).

Für eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick in den Bericht der Wissenschaftler und Zusatzmaterial dazu.

Epilog

Diese Studie hat einmal mehr bestätigt, dass die Evolution nicht besonders gnädig zu den Zähnen des Menschen war. Im Ernst, in ihrer Untersuchung konnten die Wissenschaftler den Mechanismus der Selbstschärfung der Zähne von Seeigeln detailliert untersuchen und erklären, der auf einer ungewöhnlichen Zahnstruktur und der richtigen Belastung basiert. Die Platten, die den Zahn des Seeigels bedecken, lösen sich bei bestimmter Belastung ab, was es ermöglicht, den Zahn scharf zu halten. Aber das bedeutet nicht, dass Seeigel Steine zerbrechen können, denn bei Erreichen kritischer Belastungswerte bilden sich Risse und Absplitterungen an den Zähnen. Das Prinzip "Rohkraft ohne Verstand" würde hier sicherlich keinen Nutzen bringen.

Man könnte denken, dass die Untersuchung der Zähne von Meeresbewohnern für den Menschen keinen Nutzen hat, außer die unstillbare menschliche Neugier zu befriedigen. Allerdings könnte das Wissen, das aus dieser Forschung gewonnen wurde, die Grundlage für die Entwicklung neuer Materialien bilden, die ähnliche Eigenschaften wie die Zähne der Seeigel aufweisen — Abriebfestigkeit, selbstständiges Schärfen auf Materialebene ohne externe Hilfe und Langlebigkeit.

Wie dem auch sei, die Natur birgt viele Geheimnisse, die wir noch lüften müssen. Werden sie nützlich sein? Vielleicht ja, vielleicht auch nicht. Aber manchmal ist in den kompliziertesten Forschungen nicht das Ziel wichtig, sondern die Reise selbst.

Freitags Off-Topic:

Unterwasserwälder aus riesigen Algen dienen als Sammelplatz für Seeigel und andere ungewöhnliche Ozeanbewohner. (BBC Earth, Off-Stimme — David Attenborough).

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie ein tolles Wochenende, Leute! 🙂

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Quelle: habr.com