Las conversaciones sobre dientes en las personas suelen asociarse con caries, brackets y sadistas en batas blancas que solo sueñan con hacerse collares con tus dientes. Pero dejando las bromas de lado, sin dentistas y las normas establecidas de higiene bucal, nosotros solo nos alimentaríamos de puré de papas y sopa a través de una pajita. Y todo esto es culpa de la evolución, que nos ha otorgado dientes que no son precisamente duraderos y que tampoco se regeneran, lo que probablemente alegra mucho a los representantes de la industria dental. Hablando de dientes en la fauna salvaje, inmediatamente pensamos en majestuosos leones, sangrientas tiburones y las extremadamente positivas hienas. Sin embargo, a pesar de la fuerza y el poder de sus mandíbulas, sus dientes no son tan sorprendentes como los dientes de los erizos de mar. Sí, este manojo de espinas bajo el agua, al que si pises puedes arruinar una buena parte de tus vacaciones, tiene unos dientes bastante decentes. Son pocos, solo cinco, pero son únicos a su manera y pueden afilarse a sí mismos. ¿Cómo se ha descubierto esta característica, cómo se produce este proceso y cómo puede ayudar a los humanos? De esto aprenderemos del informe del grupo de investigación. Vamos.
Base de la investigación
Primero, es importante conocer al protagonista del estudio: Strongylocentrotus fragilis, en términos humanos, el erizo de mar rosa. Esta especie de erizos no se diferencia mucho de sus parientes, salvo por su forma achatada en los polos y su colorido glamuroso. Habitan a profundidades bastante considerables (de 100 m a 1 km) y pueden crecer hasta 10 cm de diámetro.
El 'esqueleto' del erizo de mar, que muestra la simetría pentarradial.
Los erizos de mar pueden ser, por más grosero que suene, regulares e irregulares. Los primeros tienen una forma casi perfectamente redonda con pronunciada simetría pentarradial, mientras que los segundos son más asimétricos.
Lo primero que llama la atención al ver un erizo de mar son sus espinas, que cubren todo su cuerpo. En diferentes especies, las espinas pueden variar desde 2 mm hasta 30 cm. Además de las espinas, en su cuerpo se encuentran los esferas (órganos de equilibrio) y las pedicelarias (apéndices que parecen pinzas).
En el centro se pueden ver claramente los cinco dientes.
Para representar a un erizo de mar, es necesario ponerse de pie y luego darse la vuelta, ya que su boca se encuentra en la parte inferior de su cuerpo, mientras que los otros orificios están en la parte superior. La boca de los erizos de mar está equipada con un aparato masticador que lleva el bello nombre científico de 'linterna de Aristóteles' (fue Aristóteles quien describió por primera vez este órgano y lo comparó en forma con una lámpara portátil de la antigüedad). Este órgano tiene cinco mandíbulas, cada una de las cuales termina en un diente afilado (la linterna de Aristóteles del erizo rosa en estudio se muestra en la imagen 1C a continuación).
Se supone que la durabilidad de los dientes de los erizos de mar se asegura gracias a su constante afilado, que se produce mediante una destrucción gradual de las placas mineralizadas del diente para mantener la agudeza de la superficie distal.
Pero ¿cómo se lleva a cabo exactamente este proceso, qué dientes necesitan afilarse y cuáles no, y cómo se toma esta importante decisión? Los científicos han intentado encontrar respuestas a estas preguntas.
Resultados de la investigación
Imagen No. 1
Antes de revelar los secretos dentales de los erizos de mar, examinemos la estructura de sus dientes en general.
En las imágenes 1A—1C se muestra el héroe de la investigación: el erizo de mar rosa. Al igual que otros erizos de mar, los representantes de esta especie obtienen sus componentes minerales del agua de mar. Entre los elementos esqueléticos, los dientes están altamente mineralizados (en un 99%) con calcita enriquecida con magnesio.
Como ya hemos discutido anteriormente, los erizos utilizan sus dientes para raspar alimentos. Pero además, también cavan con sus dientes agujeros donde se esconden de los depredadores o de las inclemencias del tiempo. Dada esta inusual aplicación de los dientes, estos deben ser extremadamente resistentes y afilados.
En la imagen 1D se muestra la microtomografía computarizada de un segmento de un diente completo, que indica que el diente se forma a lo largo de una curva elíptica con una sección transversal en forma de T.
La sección transversal del diente (1E) muestra que el diente está compuesto por tres áreas estructurales: láminas primarias, área mineral y láminas secundarias. El área mineral está formada por fibras de diámetro pequeño, rodeadas por una envoltura orgánica. Las fibras están encerradas en una matriz policristalina compuesta de partículas de calcita ricas en magnesio. El diámetro de estas partículas es de aproximadamente 10-20 nm. Los investigadores observan que la concentración de magnesio es heterogénea en todo el diente y aumenta cerca de su extremo, lo que proporciona una mayor resistencia al desgaste y dureza.
La sección longitudinal (1F) del área mineral del diente muestra la destrucción de las fibras, así como el desprendimiento que ocurre debido a la delaminación en el límite entre las fibras y la envoltura orgánica.
Las láminas primarias generalmente consisten en monocristales de calcita y se encuentran en la superficie convexa del diente, mientras que las láminas secundarias llenan la superficie cóncava.
En la imagen 1G se puede ver un conjunto de láminas primarias curvadas, dispuestas paralelamente entre sí. La imagen también muestra fibras y la matriz policristalina que llena el espacio entre las láminas. La quilla (1H) forma la base de la sección transversal en T y aumenta la rigidez del diente al doblarse.
Dado que sabemos qué estructura tiene el diente del erizo marino rosado, ahora debemos determinar las propiedades mecánicas de sus componentes. Para ello, se realizaron pruebas de compresión utilizando un microscopio electrónico de barrido y el método de nanoindentación*. En las pruebas nanomecánicas participaron muestras cortadas a lo largo de las orientaciones longitudinal y transversal del diente.
La nanoindentación* es la verificación del material mediante la impresión en la superficie de la muestra con una herramienta especial: un indentor.
El análisis de datos mostró que el módulo de Young promedio (E) y la dureza (H) en la punta del diente en direcciones longitudinales y transversales son: EL = 77.3 ± 4.8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (longitudinal) y ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3.8 ± 0.6 GPa (transversal).
El módulo de Young* es una magnitud física que describe la capacidad del material para resistir la tensión y la compresión.
La dureza* es la propiedad del material para resistir la penetración de un cuerpo más duro (indentor).
Además, se realizaron profundidades en dirección longitudinal con carga cíclica añadida para crear un modelo de daño viscoplástico para el área de piedra. En 2A se muestra la curva de carga-desplazamiento.
Imagen Nº 2
El módulo para cada ciclo se calculó utilizando el método de Oliver-Pharr con datos de descarga. Los ciclos de hundimiento mostraron una disminución monótona del módulo con el aumento de la profundidad de hundimiento (2B). Tal deterioro de la rigidez se explica por la acumulación de daños (2C) debido a la deformación irreversible. Es notable que el desarrollo de la tercera ocurre alrededor de las fibras, y no a través de ellas.
Las propiedades mecánicas de los componentes de los dientes también se evaluaron mediante experimentos de compresión cuasisitática de microcolumnas. Para fabricar columnas de tamaño micrométrico se utilizó un haz de iones enfocado. Para evaluar la resistencia de la unión entre las placas primarias en el lado convexo del diente, se fabricaron microcolumnas con orientación inclinada respecto a la interfaz normal entre las placas (2D). En la imagen 2E se muestra una microcolumna con interfaz inclinada. Y en el gráfico 2F se muestran los resultados de la medición de la tensión de corte.
Los científicos señalan un hecho curioso: el módulo de elasticidad medido es casi dos veces menor que en las pruebas de hundimiento. Esta discrepancia entre las pruebas de hundimiento y compresión también se observa en el esmalte dental. Hasta el momento, existen varias teorías que explican esta discrepancia (desde la influencia del entorno durante las pruebas hasta la contaminación de las muestras), sin embargo, aún no hay una respuesta clara sobre por qué ocurre la discrepancia.
La siguiente etapa de la investigación sobre los dientes de erizo de mar fueron las pruebas de desgaste, realizadas con un microscopio electrónico de barrido. El diente se pegaba a un portador especial y se presionaba contra un sustrato de diamante ultrananocristalino (3A).
Imagen Nº 3
Los científicos señalan que su variante de la prueba de desgaste es opuesta a las que se suelen realizar, cuando la punta de diamante se hunde en el sustrato del material en estudio. Los cambios en la metodología de la prueba de desgaste permiten estudiar mejor las propiedades de las microestructuras y los componentes del diente.
Como podemos ver en las imágenes, al alcanzar una carga crítica comienzan a formarse astillas. Cabe tener en cuenta que la fuerza de 'mordida' del faro de Aristóteles en los erizos de mar varía según la especie, de 1 a 50 newtons. En la prueba se aplicó una fuerza de cientos de micronewtons a 1 newton, es decir, de 1 a 5 newtons para todo el faro de Aristóteles (ya que hay cinco dientes).
En la imagen 3V(i) se pueden ver pequeñas partículas (flecha roja) que se formedaron como resultado del desgaste en el área de la piedra. A medida que el área de la piedra se desgasta y se comprime, pueden surgir y propagarse grietas en las interfaces entre las placas debido a la carga de compresión-cizallamiento y acumulación de tensiones en el área de las placas de calcita. Las imágenes 3V(ii) y 3V(iii) muestran los lugares donde se han desprendido fragmentos.
Para la comparación se realizaron dos tipos de experimentos de desgaste: con carga constante, correspondiente al inicio de la fluidez (WCL), y con carga constante, correspondiente al límite de fluidez (WCS). Como resultado, se obtuvieron dos variantes de desgaste del diente.
Vídeos de pruebas de desgaste:
Fase I
Fase II
Fase III
Fase IV
En el caso de la carga constante en la prueba WCL, se observó compresión en el área, aunque no se notaron astillas ni otros daños en las placas (4A). En la prueba WCS, cuando se incrementó el esfuerzo normal para mantener constante la tensión de contacto nominal, se observaron astillas y desprendimiento de placas (4B).
Imagen número 4
Estas observaciones están corroboradas por el gráfico (4C) de las mediciones del área de compresión y el volumen de las placas astilladas en función de la distancia de deslizamiento (de la muestra sobre el diamante durante la prueba).
Este gráfico también muestra que, en el caso de WCL, no se forman astillas incluso si la distancia de deslizamiento es mayor que en el caso de WCS. La inspección de las placas comprimidas y astilladas en 4B permite entender mejor el mecanismo de autoafilado de los dientes del erizo de mar.
El área de compresión de la piedra aumenta a medida que la placa se astilla, lo que conduce a la eliminación de parte del área comprimida [4B (iii-v)]. Las características microestructurales, como la conexión entre la piedra y las placas, facilitan este proceso. La microscopía mostró que las fibras en el área de la piedra se doblan y penetran a través de las capas de las placas en la parte convexa del diente.
En el gráfico 4C se observa un aumento en el volumen de la zona fracturada cuando una nueva placa se desconecta del diente. Curiosamente, en ese mismo momento se produce una disminución abrupta en el ancho de la zona aplanada (4D), lo que indica un proceso de autoafilado.
En términos simples, estos experimentos mostraron que, durante el mantenimiento de una carga normal (no crítica) constante, el desgaste provoca el desgaste de la punta, mientras que el diente permanece afilado. Esto sugiere que los dientes de los erizos se afilan durante el uso, siempre que la carga no exceda lo crítico; de lo contrario, pueden producirse daños (fracturas) en lugar de afilado.
Imagen Nº 5
Para entender el papel de las microestructuras del diente, sus propiedades y su contribución al mecanismo de autoafilado, se realizó un análisis no lineal del proceso de desgaste mediante el método de elementos finitos (5A). Para ello, se utilizaron imágenes de un corte longitudinal de la punta del diente, que sirvieron de base para un modelo bidimensional compuesto por piedra, placas, quilla e interfaces entre las placas y la piedra.
Imágenes 5B–5H son gráficos de contorno del criterio de von Mises (criterio de plasticidad) en el borde de la zona de piedra y placa. Cuando el diente está comprimido, la piedra experimenta grandes deformaciones viscoplásticas, acumula daños y se comprime (‘se aplana’) (5B y 5C). La compresión adicional provoca una banda de corte en la piedra, donde se acumula la mayor parte de la deformación plástica y el daño, desprendiendo parte de la piedra, lo que lleva al contacto directo con la base (5D). Esta fragmentación de la piedra en este modelo corresponde a las observaciones experimentales (fragmentos rotos en 3B(i)). La compresión también provoca el deslaminado entre las placas, ya que los elementos de la interfaz están sujetos a una carga mixta, lo que resulta en decogesión (desprendimiento). A medida que aumenta el área de contacto, las tensiones de contacto aumentan, provocando la nucleación y propagación de grietas en la interfaz (5B—5E). La pérdida de adherencia entre las placas acentúa la flexión, lo que provoca que la placa externa se desconecte.
El rayado agrava el daño en la interfaz, lo que lleva a la eliminación de la placa cuando las placas están sujetas a escisión (donde las grietas se desvían de la interfaz y penetran en la placa, 5G). A medida que el proceso avanza, los fragmentos de la placa se desprenden de la punta del diente (5H).
Curiosamente, la simulación predice con gran precisión el astillado tanto en la zona de la roca como en la de las placas, algo que los científicos ya han notado durante sus observaciones (3B y 5I).
Para un conocimiento más detallado de las sutilezas de la investigación, recomiendo echar un vistazo a y a ello.
Epílogo
Este trabajo confirma una vez más que la evolución no ha sido muy benevolente con los dientes humanos. Hablando en serio, en su investigación, los científicos pudieron examinar y explicar detalladamente el mecanismo de autoafilado de los dientes de los erizos de mar, que se basa en la inusual estructura del diente y la carga adecuada sobre él. Las placas que cubren el diente del erizo se desprenden bajo una cierta carga, lo que permite mantener el diente afilado. Pero no significa que los erizos de mar puedan triturar piedras, ya que al alcanzar niveles críticos de carga en los dientes, se forman grietas y astillas. Así que el principio de 'fuerza hay, inteligencia no se necesita' definitivamente no sería de ninguna utilidad.
Se podría pensar que el estudio de los dientes de los habitantes de las profundidades marinas no tiene ningún beneficio para los humanos, excepto para satisfacer la insaciable curiosidad humana. Sin embargo, el conocimiento adquirido durante esta investigación podría servir como base para la creación de nuevos tipos de materiales que posean propiedades similares a los dientes de los erizos: resistencia al desgaste, autoafilado a nivel del material sin ayuda externa y durabilidad.
De todos modos, la naturaleza guarda muchos secretos que aún nos queda por descubrir. ¿Serán útiles? Quizás sí, y quizás no. Pero a veces, incluso en las investigaciones más complejas, lo que importa no es el destino, sino el propio viaje.
Off-topic del viernes:
Los bosques submarinos de algas gigantes sirven como refugio para los erizos de mar y otros inusuales habitantes de los océanos. (BBC Earth, voz en off — David Attenborough).
Gracias por su atención, sigan siendo curiosos y que todos tengan un excelente fin de semana, chicos! 🙂
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Fuente: habr.com
