Hablar de dientes en las personas se asocia más a menudo con caries, aparatos ortopédicos y sádicos con batas blancas que solo sueñan con hacer cuentas con tus dientes. Pero bromas aparte, porque sin dentistas y sin unas normas de higiene bucal establecidas, sólo comeríamos patatas trituradas y sopa con pajita. Y todo tiene la culpa de la evolución, que nos dio dientes lejos de ser los más duraderos, que aún no se regeneran, lo que probablemente complace indescriptiblemente a los representantes de la industria dental. Si hablamos de los dientes de los representantes de la naturaleza, inmediatamente vienen a la mente leones majestuosos, tiburones sedientos de sangre y hienas extremadamente positivas. Sin embargo, a pesar del poder y fuerza de sus mandíbulas, sus dientes no son tan sorprendentes como los de los erizos de mar. Sí, esta bola de agujas bajo el agua, pisando la que puedes arruinar buena parte de tus vacaciones, tiene bastante buena dentadura. Por supuesto, no hay muchos de ellos, solo cinco, pero son únicos a su manera y pueden afilarse solos. ¿Cómo identificaron los científicos tal característica, cómo procede exactamente este proceso y cómo puede ayudar a las personas? Aprendemos sobre esto del informe del grupo de investigación. Ir.
Base de investigación
En primer lugar, vale la pena conocer al personaje principal del estudio: Strongylocentrotus fragilis, en términos humanos, con un erizo de mar rosado. Este tipo de erizo de mar no se diferencia mucho del resto de sus homólogos, con la excepción de una forma más aplanada en los polos y un color glamuroso. Viven bastante profundo (de 100 m a 1 km), y crecen hasta 10 cm de diámetro.
El "esqueleto" de un erizo de mar, que muestra simetría de cinco rayos.
Los erizos de mar, no importa lo grosero que parezca, tienen razón o no. Los primeros tienen una forma de cuerpo casi perfectamente redonda con una pronunciada simetría de cinco haces, mientras que los segundos son más asimétricos.
Lo primero que llama la atención cuando ves un erizo de mar son sus púas que cubren todo el cuerpo. En diferentes especies, las agujas pueden ser de 2 mm hasta 30 cm Además de las agujas, el cuerpo tiene esferidios (órganos de equilibrio) y pedicelarios (procesos que se asemejan a fórceps).
Los cinco dientes son claramente visibles en el centro.
Para representar un erizo de mar, primero debe pararse boca abajo, ya que la abertura de la boca está ubicada en la parte inferior del cuerpo, pero los otros orificios están en la parte superior. La boca de los erizos de mar está equipada con un aparato masticador con un hermoso nombre científico "linterna de Aristóteles" (fue Aristóteles quien describió por primera vez este órgano y lo comparó en forma con una linterna portátil antigua). Este órgano está equipado con cinco mandíbulas, cada una de las cuales termina en un diente afilado (la linterna aristotélica del erizo rosado investigado se muestra en la imagen 1C a continuación).
Existe la suposición de que la durabilidad de los dientes de los erizos de mar está asegurada por su afilado constante, que ocurre a través de la destrucción gradual de las placas dentales mineralizadas para mantener la nitidez de la superficie distal.
Pero, ¿cómo procede exactamente este proceso, qué dientes deben afilarse y cuáles no, y cómo se toma esta importante decisión? Los científicos han tratado de encontrar respuestas a estas preguntas.
Resultados de la investigación
Imagen #1
Antes de revelar los secretos dentales de los erizos de mar, considere la estructura de sus dientes en general.
en las fotos 1А-1S se muestra el héroe del estudio: un 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 discutimos anteriormente, los erizos usan sus dientes para raspar la comida. Pero además de esto, con la ayuda de sus dientes, cavan agujeros para sí mismos, en los que se esconden de los depredadores o del mal tiempo. Dado este uso inusual de los dientes, estos últimos deben ser extremadamente fuertes y afilados.
en la imagen 1D Se muestra una tomografía microcomputarizada de un segmento de un diente completo, lo que deja en claro que el diente está formado a lo largo de una curva elíptica con una sección transversal en forma de T.
Sección transversal del diente (1E) muestra que el diente está compuesto por tres regiones estructurales: láminas primarias, región del cálculo y láminas secundarias. El área de piedra consiste en fibras de pequeño diámetro, rodeadas por una capa orgánica. Las fibras están encerradas en una matriz policristalina compuesta de partículas de calcita ricas en magnesio. El diámetro de estas partículas es de unos 10-20 nm. Los investigadores notan que la concentración de magnesio no es uniforme en todo el diente y aumenta más cerca de su extremo, lo que proporciona una mayor resistencia al desgaste y dureza.
Sección longitudinal (1F) del cálculo del diente muestra la destrucción de las fibras, así como la separación, que ocurre debido a la delaminación en la interfase entre las fibras y la cubierta orgánica.
Las carillas primarias suelen estar compuestas de monocristales de calcita y se ubican en la superficie convexa del diente, mientras que las carillas secundarias rellenan la superficie cóncava.
En la foto 1G se puede ver una serie de placas primarias curvas que yacen paralelas entre sí. La imagen también muestra fibras y una matriz policristalina llenando el espacio entre las placas. quilla (1H) forma la base de la sección en T transversal y aumenta la rigidez a la flexión del diente.
Como sabemos qué estructura tiene el diente del erizo de mar rosa, ahora necesitamos averiguar las propiedades mecánicas de sus componentes. Para ello se realizaron pruebas de compresión utilizando un microscopio electrónico de barrido y el método nanoindentación*. Las muestras cortadas a lo largo de las orientaciones longitudinal y transversal del diente participaron en pruebas nanomecánicas.
Nanoindentación* — verificación del material por el método de indentación en la superficie de la muestra de una herramienta especial — el indentador.
El análisis de datos mostró que el módulo de Young (E) y la dureza (H) promedio en la punta del diente en las direcciones longitudinal y transversal 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* - una cantidad física que describe la capacidad de un material para resistir la tensión y la compresión.
Dureza* - la propiedad del material para resistir la introducción de un cuerpo más sólido (indentador).
Además, se realizaron rebajes en dirección longitudinal con una carga adicional cíclica para crear un modelo de daño dúctil para el área de piedra. En 2А se muestra la curva carga-desplazamiento.
Imagen #2
El módulo para cada ciclo se calculó con base en el método de Oliver-Farr usando datos de descarga. Los ciclos de sangría mostraron una disminución monótona en el módulo con el aumento de la profundidad de sangría (2V). Tal deterioro de la rigidez se explica por la acumulación de daño (2C) como resultado de una deformación irreversible. Es de destacar que el desarrollo del tercero ocurre alrededor de las fibras, y no a través de ellas.
Las propiedades mecánicas de los componentes dentales también se evaluaron mediante experimentos de compresión de micropilares cuasiestáticos. Se utilizó un haz de iones enfocado para fabricar pilares del tamaño de un micrómetro. Para evaluar la fuerza de la conexión entre las placas primarias en el lado convexo del diente, se fabricaron micropilares con una orientación oblicua en relación con la interfaz normal entre las placas (2D). En la foto 2E se muestra una microcolumna con una interfaz inclinada. Y en el gráfico 2F se muestran los resultados de la medición del esfuerzo cortante.
Los científicos notan un hecho interesante: el módulo de elasticidad medido es casi la mitad del de las pruebas de indentación. Esta discrepancia entre las pruebas de indentación y compresión también se observa en el esmalte dental. Por el momento, existen varias teorías que explican esta discrepancia (desde las influencias ambientales durante las pruebas hasta la contaminación de las muestras), pero no hay una respuesta clara a la pregunta de por qué ocurre la discrepancia.
El siguiente paso en el estudio de los dientes del erizo de mar fueron las pruebas de desgaste realizadas con un microscopio electrónico de barrido. El diente se pegó a un soporte especial y se presionó contra un sustrato de diamante ultrananocristalino (3А).
Imagen #3
Los científicos señalan que su versión de la prueba de desgaste es lo contrario de lo que se suele hacer cuando se presiona una punta de diamante en un sustrato del material en estudio. Los cambios en la metodología de las pruebas de desgaste permiten una mejor comprensión de las propiedades de las microestructuras y los componentes dentales.
Como podemos ver en las imágenes, cuando se alcanza la carga crítica, comienzan a formarse virutas. Vale la pena considerar que la fuerza del “mordisco” de la linterna aristotélica 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 toda la linterna aristotélica (ya que hay cinco dientes).
En la foto 3B(yo) se ven pequeñas partículas (flecha roja), formadas como resultado del desgaste de la zona de piedra. A medida que el área de piedra se desgasta y se contrae, se pueden originar y propagar grietas en las interfaces entre las placas debido a la carga de compresión-cizallamiento y la acumulación de tensiones en el área de las placas de calcita. Instantáneas 3B(ii) и 3B(iii) mostrar los lugares donde los fragmentos se rompieron.
A modo de comparación, se llevaron a cabo dos tipos de experimentos de desgaste: con una carga constante correspondiente al comienzo del límite elástico (WCL) y con una carga constante correspondiente al límite elástico (WCS). Como resultado se obtuvieron dos variantes de desgaste dentario.
Vídeo de prueba de uso:
Etapa I
Etapa II
Etapa III
Etapa IV
En el caso de una carga constante en la prueba WCL, se observó compresión del área, sin embargo, no se notó astillado u otro daño en las placas (4A). Pero en la prueba WCS, cuando se incrementó la fuerza normal para mantener constante el voltaje de contacto nominal, se observaron astillamientos y caídas de las placas (4V).
Imagen #4
Estas observaciones son confirmadas por la trama (4S) mediciones del área de compresión y el volumen de placas astilladas en función de la longitud de deslizamiento (muestra sobre diamante durante la prueba).
Este gráfico también muestra que en el caso de WCL no se forman chips incluso si la distancia de deslizamiento es mayor que en el caso de WCS. Inspección de placas comprimidas y astilladas para 4V le permite comprender mejor el mecanismo de autoafilado de los dientes de erizo de mar.
El área del área comprimida de la piedra aumenta a medida que la placa se rompe, lo que hace que se elimine parte del área comprimida [4B(iii-v)]. Las características microestructurales, como la unión entre la piedra y las losas, facilitan este proceso. La microscopía ha demostrado que las fibras del cálculo están dobladas y penetran a través de las capas de placas en la parte convexa del diente.
en el gráfico 4S hay un salto en el volumen del área astillada cuando la nueva placa se separa del diente. Es curioso que en el mismo momento se produzca una fuerte disminución del ancho de la región achatada (4D), que indica el proceso de autoafilado.
En pocas palabras, estos experimentos han demostrado que mientras se mantiene una carga normal constante (no crítica) durante las pruebas de desgaste, la punta se vuelve desafilada, mientras que el diente permanece afilado. Resulta que los dientes de los erizos se afilan durante el uso, si la carga no supera la crítica, de lo contrario, pueden producirse daños (astillas) y no afilarse.
Imagen #5
Para comprender el papel de las microestructuras dentales, sus propiedades y su contribución al mecanismo de autoafilado, se llevó a cabo un análisis de elementos finitos no lineales del proceso de desgaste (5А). Para ello se utilizaron imágenes de un corte longitudinal de la punta del diente, que sirvió de base para un modelo bidimensional compuesto por piedra, placas, quilla e interfases entre placas y piedra.
Изображения 5B–5H son gráficos de contorno del criterio de Mises (criterio de plasticidad) en el borde del área de piedra y losa. Cuando se comprime un diente, el cálculo sufre grandes deformaciones viscoplásticas, acumula daños y se contrae (“aplana”) (5B и 5C). La compresión adicional induce una banda de corte en la piedra, donde se acumula la mayor parte de la deformación plástica y el daño, arrancando parte de la piedra y poniéndola en contacto directo con el sustrato (5D). Tal fragmentación de la piedra en este modelo corresponde a observaciones experimentales (fragmentos divididos en 3B(yo)). La compresión también da como resultado la deslaminación entre las placas, ya que los elementos de la interfaz se someten a cargas mixtas que dan como resultado la decohesión (desprendimiento). A medida que aumenta el área de contacto, aumentan las tensiones de contacto, lo que provoca el inicio y la propagación de una fisura en la interfase (5B-5E). La pérdida de adherencia entre las placas refuerza la torcedura, lo que hace que la placa exterior se desprenda.
El rayado exacerba el daño de la interfaz, lo que resulta en la eliminación de la placa cuando la(s) placa(s) se rompe(n) (donde las grietas se desvían de la interfaz y penetran en la placa, 5G). A medida que avanza el proceso, los fragmentos de la placa se desprenden de la punta del diente (5H).
Es curioso que la simulación prediga con mucha precisión el astillado tanto en las regiones de piedra como de placa, que los científicos ya han notado durante las observaciones (3B и 5I).
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, recomiendo mirar и a él.
El acto final
Este trabajo confirmó una vez más que la evolución no apoyaba mucho a los dientes humanos. En serio, en su estudio, los científicos pudieron examinar en detalle y explicar el mecanismo de autoafilado de los dientes de los erizos de mar, que se basa en la estructura inusual del diente y la carga correcta sobre él. Las placas que cubren el diente de erizo se desprenden bajo cierta carga, lo que le permite mantener el diente afilado. Pero esto no significa que los erizos de mar puedan triturar piedras, porque cuando se alcanzan indicadores de carga críticos, se forman grietas y astillas en los dientes. Resulta que el principio "hay poder, no se necesita mente" ciertamente no traería ningún beneficio.
Podría pensarse que el estudio de la dentición de los habitantes de las profundidades marinas no aporta ningún beneficio al hombre, salvo la satisfacción de la insaciable curiosidad humana. Sin embargo, el conocimiento adquirido durante este estudio puede servir como base para la creación de nuevos tipos de materiales que tendrán propiedades similares a los dientes de los erizos: resistencia al desgaste, autoafilado a nivel de material sin ayuda externa y durabilidad.
Sea como fuere, la naturaleza guarda muchos secretos que aún tenemos por desvelar. ¿Serán útiles? Quizás sí, quizás no. Pero a veces, incluso en la investigación más compleja, a veces no es el destino lo que importa, sino el viaje en sí.
Viernes fuera de la cima:
Los bosques submarinos de algas gigantes sirven como lugar de reunión para los erizos de mar y otros habitantes del océano inusuales. (BBC Earth, voz en off - David Attenborough).
¡Gracias por mirar, manténganse curiosos y tengan un gran fin de semana a todos! 🙂
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Fuente: habr.com