Wenn man bei Menschen über Zähne spricht, wird es am häufigsten mit Karies, Zahnspangen und Sadisten in weißen Kitteln in Verbindung gebracht, die nur davon träumen, Perlen aus den Zähnen zu formen. Aber Spaß beiseite, denn ohne Zahnärzte und etablierte Mundhygieneregeln würden wir nur zerdrückte Kartoffeln und Suppe durch einen Strohhalm essen. Und alles ist schuld an der Evolution, die uns bei weitem nicht die langlebigsten Zähne beschert hat, die sich immer noch nicht regenerieren, was den Vertretern der Dentalindustrie wohl unbeschreiblich gefällt. Wenn wir über die Zähne von Vertretern der Wildnis sprechen, fallen uns sofort majestätische Löwen, blutrünstige Haie und äußerst positive Hyänen ein. Doch trotz der Kraft und Stärke ihrer Kiefer sind ihre Zähne nicht so beeindruckend wie die von Seeigeln. Ja, dieses Nadelballen unter Wasser, auf das man einen guten Teil seines Urlaubs ruinieren kann, hat ziemlich gute Zähne. Natürlich gibt es nicht viele davon, nur fünf, aber sie sind auf ihre Weise einzigartig und können sich selbst schärfen. Wie haben Wissenschaftler ein solches Merkmal identifiziert, wie genau läuft dieser Prozess ab und wie kann er den Menschen helfen? Das erfahren wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Gehen.
Forschungsgrundlage
Zunächst lohnt es sich, die Hauptfigur der Studie kennenzulernen – Strongylocentrotus fragilis, menschlich ausgedrückt, mit einem rosa Seeigel. Diese Seeigelart unterscheidet sich kaum von ihren anderen Artgenossen, mit Ausnahme einer flacheren Form an den Stangen und einer glamourösen Farbe. Sie leben ziemlich tief (von 100 m bis 1 km) und erreichen einen Durchmesser von bis zu 10 cm.
Das „Skelett“ eines Seeigels, das eine Fünfstrahlsymmetrie aufweist.
Seeigel haben, egal wie unhöflich es auch klingen mag, Recht und Unrecht. Erstere haben eine nahezu perfekt runde Körperform mit ausgeprägter Fünfstrahlsymmetrie, während letztere eher asymmetrisch sind.
Das erste, was Ihnen ins Auge fällt, wenn Sie einen Seeigel sehen, sind seine Federn, die den gesamten Körper bedecken. Bei verschiedenen Arten können die Nadeln zwischen 2 mm und 30 cm lang sein. Zusätzlich zu den Nadeln verfügt der Körper über Spheridien (Gleichgewichtsorgane) und Pedicellarien (Fortsätze, die einer Pinzette ähneln).
Alle fünf Zähne sind in der Mitte gut sichtbar.
Um einen Seeigel darzustellen, muss man sich zunächst auf den Kopf stellen, da sich seine Mundöffnung am unteren Teil des Körpers befindet, die anderen Löcher jedoch am oberen. Das Maul von Seeigeln ist mit einem Kauapparat mit dem schönen wissenschaftlichen Namen „Laterne des Aristoteles“ ausgestattet (Aristoteles beschrieb dieses Organ als Erster und verglich seine Form mit einer antiken tragbaren Laterne). Dieses Organ ist mit fünf Kiefern ausgestattet, die jeweils in einem scharfen Zahn enden (die aristotelische Laterne des untersuchten rosa Igels ist in Bild 1C unten dargestellt).
Es wird angenommen, dass die Haltbarkeit der Zähne von Seeigeln durch deren ständige Schärfung gewährleistet wird, die durch die allmähliche Zerstörung der mineralisierten Zahnplatten erfolgt, um die Schärfe der distalen Oberfläche aufrechtzuerhalten.
Doch wie läuft dieser Prozess genau ab, welche Zähne müssen geschärft werden und welche nicht und wie wird diese wichtige Entscheidung getroffen? Wissenschaftler haben versucht, Antworten auf diese Fragen zu finden.
Ergebnisse der Studie
Bild #1
Bevor Sie die Zahngeheimnisse von Seeigeln enthüllen, sollten Sie sich die Struktur ihrer Zähne im Allgemeinen ansehen.
Auf den Bildern 1А-1S Dargestellt ist der Held der Studie – ein rosa Seeigel. Wie andere Seeigel beziehen Vertreter dieser Art ihre Mineralstoffe aus dem Meerwasser. Unter den Skelettelementen sind die Zähne stark mineralisiert (um 99 %) mit mit Magnesium angereichertem Calcit.
Wie wir bereits erwähnt haben, benutzen Igel ihre Zähne zum Schaben von Futter. Darüber hinaus graben sie sich mit Hilfe ihrer Zähne Löcher, in denen sie sich vor Raubtieren oder schlechtem Wetter verstecken. Aufgrund dieser ungewöhnlichen Verwendung der Zähne müssen diese äußerst stark und scharf sein.
Auf dem Bild 1D Gezeigt wird eine Mikrocomputertomographie eines Segments eines ganzen Zahns, die deutlich macht, dass der Zahn entlang einer elliptischen Kurve mit T-förmigem Querschnitt geformt ist.
Querschnitt des Zahns (1Е) zeigt, dass der Zahn aus drei Strukturbereichen besteht: Primärlamellen, Zahnsteinbereich und Sekundärlamellen. Der Steinbereich besteht aus Fasern mit kleinem Durchmesser, umgeben von einer organischen Hülle. Die Fasern sind von einer polykristallinen Matrix umgeben, die aus Magnesium-reichen Calcit-Partikeln besteht. Der Durchmesser dieser Partikel beträgt etwa 10–20 nm. Die Forscher stellen fest, dass die Magnesiumkonzentration im gesamten Zahn nicht gleichmäßig ist und zum Ende hin zunimmt, was zu einer erhöhten Verschleißfestigkeit und Härte führt.
Längsschnitt (1F) des Zahnsteins zeigt die Zerstörung der Fasern sowie die Trennung, die durch Delamination an der Grenzfläche zwischen den Fasern und der organischen Hülle auftritt.
Primärveneers bestehen in der Regel aus Calcit-Einkristallen und befinden sich auf der konvexen Oberfläche des Zahns, während Sekundärveneers die konkave Oberfläche ausfüllen.
Auf dem Bild 1G man erkennt eine Reihe gekrümmter Primärplatten, die parallel zueinander liegen. Das Bild zeigt außerdem Fasern und eine polykristalline Matrix, die den Raum zwischen den Platten füllen. Kiel (1H) bildet die Basis des transversalen T-Profils und erhöht die Biegesteifigkeit des Zahns.
Da wir wissen, welche Struktur der Zahn des rosa Seeigels hat, müssen wir nun die mechanischen Eigenschaften seiner Bestandteile herausfinden. Hierzu wurden Kompressionsversuche mit einem Rasterelektronenmikroskop und dem Verfahren durchgeführt Nanoindentation*. Proben, die entlang der Längs- und Querausrichtung des Zahns geschnitten wurden, nahmen an nanomechanischen Tests teil.
Nanoindentation* — Prüfung des Materials durch Einprägen in die Oberfläche der Probe mit einem Spezialwerkzeug – dem Eindringkörper.
Die Datenanalyse ergab, dass der durchschnittliche Elastizitätsmodul (E) und die Härte (H) an der Zahnspitze in Längs- und Querrichtung EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (längs) und ET = 70.2 ± 7.2 betragen GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (quer).
Elastizitätsmodul* - eine physikalische Größe, die die Fähigkeit eines Materials beschreibt, Zug und Druck standzuhalten.
Härte* - die Eigenschaft des Materials, dem Einbringen eines festeren Körpers (Eindringkörper) zu widerstehen.
Zusätzlich wurden Vertiefungen in Längsrichtung mit einer zyklischen Zusatzlast eingebracht, um ein Modell der duktilen Schädigung für den Steinbereich zu erstellen. An 2А Dargestellt ist die Last-Weg-Kurve.
Bild #2
Der Modul für jeden Zyklus wurde basierend auf der Oliver-Farr-Methode unter Verwendung von Entladedaten berechnet. Die Eindruckzyklen zeigten eine monotone Abnahme des Moduls mit zunehmender Eindrucktiefe (2V). Eine solche Verschlechterung der Steifigkeit wird durch die Anhäufung von Schäden erklärt (2C) als Folge einer irreversiblen Verformung. Es ist bemerkenswert, dass die Entwicklung des Dritten um die Fasern herum und nicht durch sie hindurch erfolgt.
Die mechanischen Eigenschaften der Zahnbestandteile wurden auch mithilfe quasistatischer Mikropillar-Kompressionsexperimente bewertet. Mithilfe eines fokussierten Ionenstrahls wurden mikrometergroße Säulen hergestellt. Um die Stärke der Verbindung zwischen den Primärplatten auf der konvexen Seite des Zahns zu beurteilen, wurden Mikropillaren mit einer schrägen Ausrichtung relativ zur normalen Grenzfläche zwischen den Platten hergestellt (2D). Abgebildet 2Е Dargestellt ist eine Mikrosäule mit geneigter Schnittstelle. Und auf der Karte 2F Die Ergebnisse der Scherspannungsmessung werden angezeigt.
Wissenschaftler stellen eine interessante Tatsache fest: Der gemessene Elastizitätsmodul ist fast halb so hoch wie bei Eindrucktests. Diese Diskrepanz zwischen Eindruck- und Kompressionstests wird auch beim Zahnschmelz festgestellt. Derzeit gibt es mehrere Theorien, die diese Diskrepanz erklären (von Umwelteinflüssen bei Tests bis hin zur Kontamination von Proben), eine eindeutige Antwort auf die Frage, warum die Diskrepanz auftritt, gibt es jedoch nicht.
Der nächste Schritt bei der Untersuchung der Zähne des Seeigels waren Abnutzungstests mit einem Rasterelektronenmikroskop. Der Zahn wurde auf einen speziellen Halter geklebt und gegen ein Substrat aus ultrananokristallinem Diamant gedrückt (3А).
Bild #3
Die Wissenschaftler stellen fest, dass ihre Version des Verschleißtests das Gegenteil von dem ist, was normalerweise durchgeführt wird, wenn eine Diamantspitze in ein Substrat des untersuchten Materials gedrückt wird. Änderungen in der Verschleißtestmethodik ermöglichen ein besseres Verständnis der Eigenschaften von Mikrostrukturen und Zahnkomponenten.
Wie wir auf den Bildern sehen können, beginnen sich beim Erreichen der kritischen Belastung Späne zu bilden. Es ist zu bedenken, dass die Kraft des „Bisses“ der Aristotelischen Laterne bei Seeigeln je nach Art zwischen 1 und 50 Newton variiert. Im Test wurde eine Kraft von mehreren Hundert Mikronewton bis 1 Newton ausgeübt, d. h. von 1 bis 5 Newton für die gesamte Aristotelische Laterne (da es fünf Zähne gibt).
Auf dem Bild 3B(i) Es sind kleine Partikel (roter Pfeil) sichtbar, die durch Abnutzung des Steinbereichs entstanden sind. Wenn sich der Steinbereich abnutzt und zusammenzieht, können durch Druck-Scher-Belastung und Spannungsaufbau im Bereich der Calcitplatten Risse an den Grenzflächen zwischen den Platten entstehen und sich ausbreiten. Schnappschüsse 3B(ii) и 3B(iii) Zeigen Sie die Stellen an, an denen die Fragmente abgebrochen sind.
Zum Vergleich wurden zwei Arten von Verschleißversuchen durchgeführt: mit einer konstanten Belastung entsprechend dem Beginn der Streckgrenze (WCL) und mit einer konstanten Belastung entsprechend der Streckgrenze (WCS). Als Ergebnis wurden zwei Varianten des Zahnverschleißes erhalten.
Tragetestvideo:
Stufe I
Stadium II
Stufe III
Stufe IV
Bei einer konstanten Belastung im WCL-Test war eine Kompression der Fläche zu beobachten, es konnten jedoch keine Absplitterungen oder andere Schäden an den Platten festgestellt werden (4A). Beim WCS-Test wurden jedoch Absplitterungen und Herausfallen der Platten beobachtet, als die Normalkraft erhöht wurde, um die nominale Kontaktspannung konstant zu halten (4V).
Bild #4
Diese Beobachtungen werden durch das Diagramm bestätigt (4S) Messungen der Kompressionsfläche und des Volumens abgebrochener Platten in Abhängigkeit von der Gleitlänge (Probe über Diamant während des Tests).
Diese Grafik zeigt auch, dass bei WCL auch bei größeren Gleitwegen als bei WCS keine Späne entstehen. Inspektion von komprimierten und abgebrochenen Platten für 4V ermöglicht es Ihnen, den Mechanismus der Selbstschärfung von Seeigelzähnen besser zu verstehen.
Die Fläche des komprimierten Bereichs des Steins vergrößert sich, wenn die Platte abbricht, wodurch ein Teil des komprimierten Bereichs entfernt wird [4B(iii-v)]. Mikrostrukturelle Merkmale wie der Verbund zwischen Stein und Platten begünstigen diesen Prozess. Die Mikroskopie hat gezeigt, dass die Fasern im Zahnstein gebogen sind und durch die Plattenschichten im konvexen Teil des Zahns dringen.
Auf dem Diagramm 4S Beim Ablösen der neuen Platte vom Zahn kommt es zu einem Volumensprung im abgebrochenen Bereich. Es ist merkwürdig, dass gleichzeitig die Breite des abgeplatteten Bereichs stark abnimmt (4D), was auf den Prozess der Selbstschärfung hinweist.
Vereinfacht gesagt haben diese Experimente gezeigt, dass die Spitze stumpf wird, während der Zahn scharf bleibt, während bei Verschleißtests eine konstante normale (nicht kritische) Belastung aufrechterhalten wird. Es stellt sich heraus, dass die Zähne von Igeln während des Gebrauchs geschärft werden, wenn die Belastung den kritischen Wert nicht überschreitet, da sonst Schäden (Späne) und kein Schärfen auftreten können.
Bild #5
Um die Rolle der Zahnmikrostrukturen, ihre Eigenschaften und ihren Beitrag zum Selbstschärfungsmechanismus zu verstehen, wurde eine nichtlineare Finite-Elemente-Analyse des Verschleißprozesses durchgeführt (5А). Hierzu wurden Bilder eines Längsschnitts der Zahnspitze verwendet, die als Grundlage für ein zweidimensionales Modell bestehend aus Stein, Platten, Kiel und Grenzflächen zwischen Platten und Stein dienten.
Изображения 5B-5H sind Konturdiagramme des Mises-Kriteriums (Plastizitätskriterium) am Rand des Stein- und Plattenbereichs. Wenn ein Zahn komprimiert wird, erfährt der Zahnstein große viskoplastische Verformungen, häuft Schäden an und schrumpft („abflacht“) (5B и 5C). Durch weitere Kompression entsteht ein Scherband im Stein, in dem sich die meisten plastischen Verformungen und Schäden ansammeln, wodurch ein Teil des Steins abgerissen wird und dieser in direkten Kontakt mit dem Untergrund kommt (5D). Eine solche Fragmentierung des Steins in diesem Modell entspricht experimentellen Beobachtungen (gespaltene Fragmente auf 3B(i)). Die Kompression führt auch zu einer Delaminierung zwischen den Platten, da die Schnittstellenelemente einer gemischten Belastung ausgesetzt sind, was zu einer Dekohäsion (Ablösung) führt. Mit zunehmender Kontaktfläche nehmen die Kontaktspannungen zu, was zur Entstehung und Ausbreitung eines Risses an der Grenzfläche führt (5B-5E). Der Verlust der Haftung zwischen den Platten verstärkt den Knick, was dazu führt, dass sich die äußere Platte löst.
Kratzer verschlimmern die Beschädigung der Grenzfläche und führen zum Entfernen der Platte, wenn die Platte(n) spaltet (wobei Risse von der Grenzfläche abweichen und in die Platte eindringen). 5G). Im weiteren Verlauf lösen sich die Fragmente der Platte von der Zahnspitze (5H).
Es ist merkwürdig, dass die Simulation Absplitterungen sowohl im Stein- als auch im Plattenbereich sehr genau vorhersagt, was Wissenschaftler bereits bei Beobachtungen bemerkt haben (3B и 5I).
Für eine detailliertere Bekanntschaft mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick auf и zu ihm.
Letzter Akt
Diese Arbeit bestätigte erneut, dass die Evolution den menschlichen Zähnen nicht sehr zuträglich war. Im Ernst: In ihrer Studie konnten die Wissenschaftler den Mechanismus der Selbstschärfung der Zähne von Seeigeln, der auf der ungewöhnlichen Struktur des Zahns und der richtigen Belastung beruht, detailliert untersuchen und erklären. Die Platten, die den Igelzahn bedecken, lösen sich bei einer bestimmten Belastung ab, wodurch Sie den Zahn scharf halten können. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Seeigel Steine zertrümmern können, denn bei Erreichen kritischer Belastungsindikatoren bilden sich Risse und Späne an den Zähnen. Es stellt sich heraus, dass der Grundsatz „Es gibt Macht, es braucht keinen Verstand“ sicherlich keinen Nutzen bringen würde.
Man könnte meinen, dass das Studium der Zähne der Bewohner der Tiefsee dem Menschen keinen Nutzen bringt, außer der Befriedigung der unstillbaren menschlichen Neugier. Die im Rahmen dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse können jedoch als Grundlage für die Schaffung neuartiger Materialien dienen, die ähnliche Eigenschaften wie Igelzähne aufweisen – Verschleißfestigkeit, Selbstschärfen auf Materialebene ohne fremde Hilfe und Haltbarkeit.
Wie dem auch sei, die Natur birgt viele Geheimnisse, die wir noch nicht preisgegeben haben. Werden sie hilfreich sein? Vielleicht ja, vielleicht auch nicht. Aber manchmal, selbst bei der komplexesten Recherche, kommt es manchmal nicht auf das Ziel an, sondern auf die Reise selbst.
Freitag Off-Top:
Unterwasserwälder aus Riesenalgen dienen als Sammelplatz für Seeigel und andere ungewöhnliche Meeresbewohner. (BBC Earth, Voice-over – David Attenborough).
Vielen Dank fürs Zuschauen, bleiben Sie neugierig und wünschen Ihnen allen ein tolles Wochenende! 🙂
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Source: habr.com