Stachelig und scharf, wohin man schaut: der Selbstschärfungsmechanismus der Seeigelstacheln

Gespräche über Zähne werden oft mit Karies, Zahnspangen und Sadisten in weißen Kitteln assoziiert, die nur darauf warten, sich eine Halskette aus Ihren Zähnen zu machen. Aber genug geschert, denn ohne Zahnärzte und festgelegte Hygieneregeln würden wir uns nur von pürierten Kartoffeln und Suppe aus einem Strohhalm ernähren. Dafür ist die Evolution verantwortlich, die uns nicht gerade die langlebigsten Zähne geschenkt hat, die zudem nicht regenerieren, was sicherlich die Vertreter der zahnmedizinischen Industrie erfreut. Wenn wir über Zähne in der Tierwelt sprechen, denken wir sofort an majestätische Löwen, blutrünstige Haie und äußerst positive Hyänen. Doch trotz der Kraft ihrer Kiefer sind ihre Zähne nicht so bemerkenswert wie die von Seeigeln. Ja, dieser Stachelball unter Wasser, auf den man treten kann und sich massiven Urlaubsschaden zufügen kann, hat durchaus brauchbare Zähne. Es sind zwar nur fünf, aber sie sind auf ihre eigene Weise einzigartig und können sich selbst schleifen. Wie haben Wissenschaftler diese Fähigkeit entdeckt, wie verläuft dieser Prozess und wie könnte das den Menschen helfen? Darüber erfahren wir in dem Bericht der Forschungsgruppe. Lassen Sie uns anfangen.

Grundlage der Forschung

Zunächst ist es wichtig, unseren Hauptakteur der Untersuchung näher kennenzulernen – Strongylocentrotus fragilis, umgangssprachlich bekannt als der rosa Seeigel. Diese Art von Seeigeln unterscheidet sich nicht wesentlich von anderen, abgesehen von ihrer abgeflachten Form an den Polen und ihrer auffälligen Färbung. Sie leben ziemlich tief (zwischen 100 m und 1 km) und erreichen Durchmesser von bis zu 10 cm.

Das ‘Skelett’ des Seeigels, das die fünfstrahlige Symmetrie zeigt.

Seeigel sind, so grob es auch klingen mag, in ‘richtige’ und ‘falsche’ eingeteilt. Erstere haben eine nahezu perfekt runde Körperform mit deutlicher fünfstrahliger Symmetrie, während letztere asymmetrischer sind.

Das erste, was ins Auge fällt, wenn man einen Seeigel sieht, sind seine Stacheln, die seinen gesamten Körper bedecken. Bei den verschiedenen Arten können die Stacheln von 2 mm bis zu 30 cm reichen. Neben den Stacheln befinden sich am Körper Sphäridien (Gleichgewichtsorgane) und Pedicellarien (fortsatzartige Strukturen, die Zangen ähneln).

In der Mitte sind deutlich alle fünf Zähne zu erkennen.

Um einenSeeigel darzustellen, muss man zunächst auf den Kopf stehen, da sich das Maul an der Unterseite des Körpers befindet, während sich die anderen Öffnungen oben befinden. Der Mund der Seeigel ist mit einem Kauapparat ausgestattet, der einen schönen wissenschaftlichen Namen trägt: „Aristoteles-Laterne“ (Aristoteles beschrieb dieses Organ als Erster und verglich es in seiner Form mit einer antiken tragbaren Laterne). Dieses Organ besitzt fünf Kiefer, von denen jeder mit einem scharfen Zahn endet (die Aristoteles-Laterne des untersuchten rosa Seeigels ist auf dem Bild 1C unten zu sehen).

Es wird vermutet, dass die Langlebigkeit der Zähne von Seeigeln durch die ständige Schärfung gewährleistet wird, die durch schrittweise Abnutzung der mineralisierten Zahnschichten erfolgt, um die Schärfe der distal gelegenen Fläche zu erhalten.

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

Die Forschungsergebnisse

Abbildung Nr. 1

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

Auf den Bildern 1A—1C Der Protagonist der Studie ist der rosa Seeigel. Wie andere Seeigel bezieht diese Art ihre Mineralbestandteile aus dem Meerwasser. Die Zähne haben eine außergewöhnlich hohe Mineralisierung (99%) mit calziumhaltigem Magnesium.

Wie bereits erwähnt, verwenden die Seeigel ihre Zähne, um Nahrung abzuschaben. Aber sie nutzen ihre Zähne auch, um Höhlen zu graben, in denen sie sich vor Räubern und schlechtem Wetter verstecken können. Angesichts dieser besonderen Verwendung müssen die Zähne extrem robust und scharf sein.

Im Bild 1D ist die Mikrokopiertomographie eines gesamten Zahns gezeigt, die verdeutlicht, dass der Zahn entlang einer elliptischen Kurve mit einem T-förmigen Querschnitt gebildet ist.

Der Querschnitt des Zahns (1E) zeigt, dass der Zahn aus drei strukturellen Bereichen besteht: primären Schichten, dem Steinbereich und sekundären Schichten. Der Steinbereich besteht aus langfaserigen, kleinen Durchmessers, die von einer organischen Hülle umgeben sind. Die Fasern sind in einer polykristallinen Matrix eingeschlossen, die aus magnesiumreichen Calcitpartikeln besteht. Der Durchmesser dieser Partikel beträgt etwa 10-20 nm. Forscher bemerken, dass die Magnesiumkonzentration im gesamten Zahn ungleichmäßig ist und sich näher zur Spitze erhöht, was zu einer erhöhten Abriebfestigkeit und Härte führt.

Längsschnitt (1F) des Steinbereichs des Zahns zeigt die Zerstörung der Fasern sowie Abplatzungen, die aufgrund der Ablösung an der Grenze zwischen den Fasern und der organischen Hülle auftreten.

Die primären Schichten bestehen normalerweise aus Monokristallen von Calcit und sind auf der gewölbten Oberfläche des Zahns angeordnet, während die sekundären Schichten die konkave Oberfläche ausfüllen.

Auf dem Bild 1G kann man eine Menge gebogener primärer Schichten sehen, die parallel zueinander liegen. Das Bild zeigt auch die Fasern und die polykristalline Matrix, die den Raum zwischen den Schichten ausfüllt. Die Kiel (1H) bildet die Grundlage für den Querschnitt und erhöht die Steifigkeit des Zahnes bei Biegung.

Da wir nun wissen, welche Struktur der Zahn des roten Seeigels hat, müssen wir nun die mechanischen Eigenschaften seiner Bestandteile klären. Dazu wurden Drucktests unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops und der Methode Nanoindentation*. Bei den nanomechanischen Tests wurden Proben, die entlang der longitudinalen und transversal orientierten Zähne geschnitten wurden, verwendet.

Nanoindentation* — Prüfung des Materials durch Eintauchen eines speziellen Werkzeugs – des Indentors – in die Oberfläche der Probe.

Die Analyse der Daten ergab, dass der durchschnittliche Elastizitätsmodul (E) und die Härte (H) an der Spitze des Zahnes in longitudinaler und transversal direktion folgende Werte aufweisen: 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).

Elastizitätsmodul* — physikalische Größe, die die Fähigkeit des Materials beschreibt, sich Dehnungen und Kompressionen zu widersetzen.

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

Zusätzlich wurden im Längsprofil Vertiefungen mit zyklischer Zusatzbelastung ausgeführt, um ein Modell für die visko-plastische Schädigung im Gesteinsbereich zu erstellen. Auf 2A wird die Last-Verschiebungs-Kurve dargestellt.

Abbildung Nr. 2

Der Modul für jeden Zyklus wurde basierend auf der Oliver-Farr-Methode unter Verwendung der Entlastungsdaten berechnet. Die Eindringzyklen zeigten eine monotone Abnahme des Moduls mit zunehmender Eindringtiefe (2B). Eine ähnliche Verschlechterung der Steifigkeit ist auf die Ansammlung von Beschädigungen (2C) infolge irreversibler Deformation zurückzuführen. Es ist bemerkenswert, dass die Entwicklung des Dritten um die Fasern herum und nicht durch sie hindurch erfolgt.

Die mechanischen Eigenschaften der Zahnkomponenten wurden ebenfalls durch quasistatische Drucktests von Mikrosäulen bewertet. Für die Herstellung der mikrometer-großen Säulen wurde ein fokussierter Ionenstrahl verwendet. Um die Festigkeit der Verbindung zwischen den primären Platten auf der konvexen Seite des Zahns zu bewerten, wurden Mikrosäulen mit geneigter Orientierung gegenüber der normalen Schnittstelle zwischen den Platten hergestellt (2D). Auf dem Bild 2E Ein Mikrokegel mit geneigter Oberfläche wird gezeigt. Und im Diagramm 2F werden die Ergebnisse der Verschiebungsspannungsmessung dargestellt.

Wissenschaftler weisen auf einen interessanten Fakt hin — der gemessene Elastizitätsmodul ist fast doppelt so gering wie bei Eindringtests. Diese Diskrepanz zwischen Eindring- und Kompressionstests wird auch bei Zahnschmelz beobachtet. Es gibt mehrere Theorien, die diese Diskrepanz erklären (von den Umwelteinflüssen während der Tests bis hin zur Kontamination der Proben), jedoch gibt es momentan keine klare Antwort auf die Frage, warum diese Diskrepanz besteht.

Der nächste Schritt in der Untersuchung der Zähne des Seeigels umfasste Abnutzungstests, die mit einem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt wurden. Der Zahn wurde an einem speziellen Halter befestigt und gegen ein Substrat aus ultrastrahlend nanokristallinem Diamant gedrückt (3A).

Abbildung Nr. 3

Wissenschaftler stellen fest, dass ihre Variante des Abnutzungstests das Gegenteil von dem ist, was normalerweise durchgeführt wird, wenn die Diamantspitze in das Substrat des getesteten Materials eingedrückt wird. Die Änderungen in der Testmethode erlauben es, die Eigenschaften von Mikostrukturen und dem Zahnmaterial besser zu untersuchen.

Wie auf den Bildern zu sehen ist, beginnen bei kritischer Belastung Absplitterungen zu entstehen. Es ist zu beachten, dass die „Bisskraft“ des Aristoteles-Lampensterns bei Seeigeln je nach Art zwischen 1 und 50 Newton variiert. Im Test wurde jedoch eine Kraft von Hunderten von Mikronewton bis 1 Newton angewendet, d.h. von 1 bis 5 Newton für die gesamte Aristoteles-Lampe (da es fünf Zähne gibt).

Auf dem Bild 3B(i) kleine Partikel sind sichtbar (rote Pfeile), die durch den Verschleiß des Steinbereichs entstanden sind. Da der Steinbereich abnutzt und sich zusammenzieht, können Risse an den Schnittstellen zwischen den Platten aufgrund von Kompressionsschiebebelastung und der Ansammlung von Spannungen im Bereich der Calcitplatten entstehen und sich ausbreiten. Die Bilder 3B(ii) und 3B(iii) zeigen die Stellen, an denen Fragmente abgeplatzt sind.

Zum Vergleich wurden zwei Arten von Verschleißversuchen durchgeführt: mit konstanter Belastung, die dem Beginn der Fließgrenze (WCL) entspricht, und mit konstanter Belastung, die dem Fließgrenzenwert (WCS) entspricht. Dadurch wurden zwei Varianten des Zahnverschleißes erhalten.

Verschleißtests Video:

Phase I

Phase II

Phase III

Phase IV

Bei dauerhafter Belastung im WCL-Test wurde eine Verdichtung des Bereichs beobachtet, jedoch wurden keine Abplatzungen oder anderen Beschädigungen der Platten festgestellt (4A). Im WCS-Test hingegen, als die normale Kraft erhöht wurde, um die nominale Kontaktspannung konstant zu halten, wurden Abplatzungen und ein Verlust von Platten beobachtet (4B).

Bild Nr. 4

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

Dieses Diagramm zeigt auch, dass im Fall von WCL keine Abplatzungen entstehen, auch wenn die Gleitstrecke größer ist als im Fall von WCS. Die Inspektion der komprimierten und abgebrochenen Platten auf 4B erlaubt ein besseres Verständnis des Selbstschärfungsmechanismus der Seeigelzähne.

Die Fläche des komprimierten Bereichs des Steins nimmt zu, da die Platte abplatzt, was zur Entfernung eines Teils des komprimierten Bereichs führt [4B (iii-v)]. Mikroskopische Merkmale, 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 Teile des Zahns eindringen.

Im Diagramm 4С Es wurde ein Anstieg des Volumens im geschliffenen Bereich festgestellt, wenn die neue Platte vom Zahn abgelöst wird. Interessanterweise kommt es in diesem Moment zu einem plötzlichen Rückgang der Breite des abgeflachten Bereichs (4D), was auf den Selbstschärfungsprozess hindeutet.

Einfach ausgedrückt haben diese Experimente gezeigt, dass bei konstantem normalem (nicht kritischen) Belastung während der Abriebtests die Spitze abstumpft, während der Zahn scharf bleibt. Es zeigt sich, dass die Zähne des Igels während des Gebrauchs geschärft werden, solange die Belastung nicht kritische Werte überschreitet; andernfalls können Schäden (Absplitterungen) statt einer Schärfung auftreten.

Bild Nr. 5

Um die Rolle der Mikrostrukturen des Zahns, deren Eigenschaften und deren Beitrag zum Selbstschärfungsmechanismus zu verstehen, wurde eine nichtlineare Analyse des Abriebsprozesses mittels Finite-Elemente-Methode durchgeführt (5A). Hierfür wurden Aufnahmen des Längsschnitts der Zahnspitze verwendet, die die Grundlage für ein zweidimensionales Modell aus Stein, Platten, Kiel und Schnittstellen zwischen den Platten und dem Stein bildeten.

Bilder 5B–5H — dies sind die Konturdiagramme des Mises-Kriteriums (Plastizitätskriteriums) am Rand des Gesteins- und Plattenbereichs. Wenn der Zahn komprimiert wird, erfährt der Stein große viskoplastische Deformationen, sammelt Schäden an und wird komprimiert („abgeflacht“) (5B und 5C). Weitere Kompression verursacht eine Scherzone im Stein, wo der Großteil der plastischen Deformation und der Schäden angesammelt wird, was dazu führt, dass ein Teil des Steins abbricht und direkten Kontakt zur Unterlage hat (5D). Diese Fragmentierung des Steins in diesem Modell entspricht experimentellen Beobachtungen (abgebrochene Fragmente auf 3B(i)). Die Kompression führt auch zur Delaminierung zwischen den Platten, da die Schnittstellenelemente einer Mischlast ausgesetzt sind, was zu Dekohäsion (Abschälung) führt. Mit zunehmender Kontaktfläche steigen die Kontaktspannungen, was zur Entstehung und Ausbreitung eines Risses an der Schnittstelle führt (5B—5E). Der Verlust der Haftung zwischen den Platten verstärkt die Biegung, wodurch sich die äußere Platte löst.

Das Kratzen verschärft die Beschädigung der Oberfläche, was dazu führt, dass die Platte entfernt wird, wenn die Platten einem Bruch unterliegen (dort, wo Risse von der Oberfläche abweichen und in die Platte eindringen, 5G). Während der Prozess fortschreitet, lösen sich die Plattenfragmente von der Spitze des Zahns (5H).

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

Für eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Feinheiten der Forschung empfehle ich einen Blick in den Bericht der Wissenschaftler und Zusätzliche Materialien dazu.

Epilog

Diese Arbeit bestätigt einmal mehr, 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. Dieser beruht auf einer ungewöhnlichen Zahnstruktur und dem richtigen Druck darauf. Die Platten, die den Zahn des Seeigels bedecken, lösen sich bei bestimmtem Druck ab, was es ermöglicht, den Zahn scharf zu halten. Das bedeutet jedoch nicht, dass Seeigel Steine zerdrücken können, denn bei Erreichen kritischer Belastungsgrenzen entstehen Risse und Absplitterungen an den Zähnen. Somit würde das Prinzip „Kraft statt Verstand“ definitiv keinen Nutzen bringen.

Man könnte denken, dass die Untersuchung der Zähne von Bewohnern der Tiefsee für den Menschen keine Vorteile bringt, außer der Befriedigung menschlicher Neugier. Die während dieser Forschung gewonnenen Erkenntnisse könnten jedoch die Grundlage für die Entwicklung neuer Materialien bilden, die ähnliche Eigenschaften wie die Zähne von Seeigeln aufweisen – Abriebfestigkeit, Selbstschärfung auf Materialebene ohne externe Hilfe und Langlebigkeit.

Wie auch immer, die Natur birgt viele Geheimnisse, die wir noch zu entdecken haben. Werden sie nützlich sein? Vielleicht ja, vielleicht nein. Doch manchmal zählt bei der schwierigsten Forschung nicht das Ziel, sondern die Reise selbst.

Freitagsthema:

Unterwasserwälder von riesigen Algen dienen als Sammelplatz für Seeigel und andere ungewöhnliche Bewohner der Ozeane. (BBC Earth, Off-Stimme — David Attenborough).

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und ein schönes Wochenende an alle, Leute! 🙂

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Quelle: habr.com