Torkivad ja teravad, kuhu iganes vaatad: merikuradi isetehtud lõikemehanism

Inimeste jutte hammaste üle seondub sageli kaariese, breketite ja valgetes kitlites sadistidega, kes unistavad teie hammaste kujul enda jaoks kaelakee valmistamisest. Kuid naljad naljaks, ilma hambaarstide ja suuhügieeni reegliteta saaksime me toituda vaid mulgustatud kartulist ja suppidest läbi õle. Kõik see on evolutsiooni süü, mis on andnud meile kaugel ei kõige vastupidavamaid hambaid, mis ei taastu, mis arvatavasti toob naeratuse hambaarstide näole. Kui rääkida loomade hammastest, meenuvad kohe võimsad lõvid, verejanulised haid ja äärmiselt positiivsed hüäänid. Kuid hoolimata nende lõualuudest ja jõust ei ole nende hambad nii hämmastavad kui meriehete hambad. Jah, see nõelkübar vee all, millele astumine võib rikkuda teie puhkuse, omab päris häid hambaid. Neid on küll vähe, vaid viis, kuid nad on omamoodi unikaalsed ja suudavad end ise teritada. Kuidas teadlased tuvastasid sellise eripära, kuidas see protsess kulgeb ja kuidas see võiks aidata inimesi? Sellest saame teada uurimisgrupi aruandest. Alustame.

Uuringu alus

Esiteks tasub lähemalt tutvuda uuringu peategelasega — Strongylocentrotus fragilis, inimkeeles öeldes, roosa meriheinaga. See meriheina liik ei erine eriti oma teistest sugulastest, välja arvatud rohkem lamendatud pooluste poolest ja glamuurse värvuse poolest. Nad elavad üsna sügaval (100 m kuni 1 km), ulatudes kuni 10 cm läbimõõduni.

Meriheina „skeletist”, millel on nähtav viieharuline sümmeetria.

Meriheinad on, kuidas see ka ei kõlaks, õiged ja vale vormid. Esimesed on praktiliselt ideaalset ringikujulist keha kuju välja arendades viieharulise sümmeetria, samas kui teised on rohkem asümmeetrilised.

Esimene asi, mis silma torkab, kui vaadata meriheina, on tema okkad, mis katavad kogu keha. Erinevatel liikidel võivad okkad ulatuda 2 mm kuni 30 cm. Lisaks okkadele kehast leiab sfäärid (tasakaalu organid) ja peditselle (harud, mis meenutavad pintsette).

Keskosas on selgelt nähtavad kõik viis hammast.

Kuidas kujutada merivähki, tuleb kõigepealt võtta pea jalgu, kuna selle suue asub keha alumises osas, samas kui teised avad on ülemises osas. Merivähkede suu on varustatud närimisseadmega, millel on ilus teaduslik nimi „Aristotelese lamp” (just Aristoteles kirjeldas seda organit esmakordselt ja võrdsustas selle kuju antiikse kantava laternaga). See organ on varustatud viie lõuaga, millest igaühel on terav hammas (uuringuobjekti roosa merivähk on kujutatud pildil 1C allpool).

On oletus, et merivähkede hammaste pikaealisust tagab nende pidev teritamine, mis toimub mineraliseeritud hamba plaatide etappide kaupa hävitamise kaudu, et hoida distaalpinna teravust.

Aga kuidas see protsess täpselt käib, milliseid hambaid tuleb teritada ja milliseid mitte, ning kuidas see oluline otsus tehakse? Need on küsimused, millele teadlased püüdsid vastuseid leida.

Uuringu tulemused

Pilt nr 1

Enne kui hakkame avama merivähkede hambaravi saladusi, vaatame esmalt nende hammaste struktuuri üldiselt.

Piltidelt 1A—1C Uuringu kangelane on roosa merikäpa. Nagu teisedki merikäpad, saadud selle liigi esindajad oma mineraalained merest. Skeletielementide seas on hambad tugevalt mineraliseerunud (99%) magneesiumiga rikastatud kaltsiidiga.

Nagu me juba varem arutasime, kasutavad merikäpad oma hambaid toidu nühkimiseks. Kuid lisaks sellele kaevavad nad hambaid kasutades endale urke, kus nad peituvad röövlite või halva ilma eest. Sellest ebatavalisest kasutusviisist tulenevalt peavad viimased olema äärmiselt tugevad ja teravad.

Pildil 1D on näidatud mikrokombutermograafia kogu hamba segmendist, mis näitab, et hammas on kujunenud elliptilise kõveriku pidi T-kujulise ristlõikega.

Hambas oleva ristlõige (1E) näitab, et hammas koosneb kolmest struktuurilisest piirkonnast: esmaste plaatide, kivi piirkonna ja teisteste plaatide. Kivi piirkond koosneb väikese diameetriga kiududest, mida ümbritseb orgaaniline kest. Kiud on suletud polükristallilisse maatriksisse, mis koosneb magneesiumirikastest kaltsiidi osakestest. Nende osakeste diameeter on umbes 10–20 nm. Uuringute kohaselt on magneesiumi kontsentratsioon hambas ebaühtlane ja suureneb suunas hammaste otsa, tagades suurema kulumiskindluse ja kõvaduse.

Pikkustsükliline (1F) hammaste kivi piirkonna osa näitab kiudude purunemist ja ka eraldumist, mis toimub kiudude ja orgaanilise kestade piiril.

Esmased plaadid koosnevad tavaliselt kaltsiidi monokristallidest ja asuvad hamba kumeral pinnal, samas kui teised plaadid täidavad kohanduvat pinda.

Pildil 1G on näha kõverate esmaseid plaate, mis asuvad paralleelselt. Pilt näitab ka kiude ja polükristallilist maatriksit, mis täidab ruumi plaatide vahel. Kilk (1H) moodustab ristküliku T-sektsiooni alus ja suurendab hamba jäikust painutamisel.

Kuna me teame, millise struktuuriga roosa merisiili hammas on, peame nüüd välja selgitama selle komponentide mehaanilised omadused. Selleks viidi läbi survetestid, kasutades rasterelektronmikroskoobi ja meetodit nanoindentatsiooni*. Nano-mehaanilistes katsetes osalesid näidised, mis lõigati hambast piki pikisuunalisi ja ristisuunalisi suundi.

Nanoindentatsioon* — materjali kontrollimine, mille käigus surutakse näidise pinnale spetsiaalne tööriist — indentaator.

Andmete analüüs näitas, et hamba tipu keskmine Youngi modul (E) ja kõvadus (H) pikisuunalistes ja ristisuunalistes suundades on: EL = 77,3 ± 4,8 GPa, HL = 4,3 ± 0,5 GPa (pikisuunaline) ja ET = 70,2 ± 7,2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (ristisuunaline).

Youngi modul* — füüsikaline suurus, mis kirjeldab materjali võimet taluda venitust ja survet.

Kõvadus* — materjali omadus, mis takistab kõvema objekti (indentaatori) sissetungimist.

Lisaks sellele on pikisuunas tehtud süvendusi tsüklilise lisakoormuse abil, et luua viskoelastse kahjustuse mudel kivimite puhul. On 2A kuvatud koormus-painutuse kõver.

Pilt nr 2

Iga tsükli moodul arvutati Oliver-Farrah meetodi alusel koormuse andmete põhjal. Surumise tsüklid näitasid mooduli järkjärgulist vähenemist sügavuse suurenedes (2B). Sarnane jäikuse halvenemine on seletatav kahjustuste akumuleerumisega (2C) pöördumatute deformatsioonide tõttu. Tähelepanuväärne on, et areng toimub kiudude ümber, mitte läbi nende.

Hambakomponentide mehaanilisi omadusi hinnati ka mikrostalpide kvasi-staatiliste kokkupressimise katsete abil. Mikromõõtmeliste koonusvormide valmistamiseks kasutati fokusseeritud ioonikihti. Peamiste plaatide kokkuliitmise tugevuse hindamiseks hambamiku kumeral küljel valmistati mikrostalpid, millel oli kaldenurk normaalinterfaces kõrvutamisest (2D). Pildil 2E kuvatud mikrostulp kallutatud liidesega. Ja graafikul 2F on näidatud pingeläbimurde mõõtmise tulemused.

Teadlastel on märkimisväärne fakt — mõõdetud elastsusmodul on peaaegu kaks korda väiksem kui sisemiste mõõtmiste puhul. Sellist ebakõla sisemiste ja survekatsete vahel on täheldatud ka hambakudes. Praegu on olemas mitu teooriat, mis selgitavad seda ebakõla (alates keskkonna mõjust katsete ajal kuni proovide saastumiseni), kuid selge vastus küsimusele, miks ebakõla esineb, puudub.

Järgmine etapp merisiiliku hammaste uurimises olid kulumisproovid, mis viidi läbi rasterelektronmikroskoobi abil. Hammas kleebiti spetsiaalsele hoidikule ja suruti ultra-nanokristallilise teemandi alusmaterjali vastu (3A).

Pilt nr 3

Teadlased märkisid, et nende kulumise testivariant on vastupidine sellele, mida tavaliselt tehakse, kui teemantotsik surutakse uuritava materjali aluspinnale. Muutused kulumistesti läbiviimise metoodikas võimaldavad paremini uurida mikrosüsteemide ja hamba koostisosade omadusi.

Nagu me piltidelt näeme, hakkavad kriitilise koormuse saavutamisel tekkima täkked. Tuleb arvestada, et Aristotelese laterna 'hambumus' merisiilikutel varieerub liigiti 1 kuni 50 N. Kuid testis rakendati jõudu sadade mikronewtonite kuni 1 N, st 1 kuni 5 N kogu Aristotelese laterna jaoks (kuna hambaid on viis).

Pildil 3B(i) on nähtavad väikesed osakesed (punane nool), mis on tekkinud kivi piirkonna kulumise tõttu. Kuna kivi ala kulub ja kokku surutakse, võivad plaatide vahelised lõhed ilmneda ja levida, kuna surve- ja libisemiskoormus tekitavad pingeid kaltsiidi plaatide piirkonnas. Pildid 3B(ii) ja 3B(iii) näitavad kohti, kus fragmendid on maha hakanud.

Kaks erinevat kulumise katset läbi viidud: pideva koormusega, mis vastab voolavuse algusele (WCL), ja pideva koormusega, mis vastab voolavuse piirile (WCS). Selle tulemuseks oli kaks erinevat kulumismudelit.

Kulumise testide videod:

Etapp I

Etapp II

Etapp III

Etapp IV

WCL katse korral pideva koormuse puhul täheldati piirkonna kokkusurumist, kuid laastude või muude kahjustuste ilmnemist ei märgatud (4A). WCS katse ajal, kui normaalne jõud suurendati, et hoida nimiväärtusega kontaktpinget konstantse, olid laastud ja plaatide välja langemine ilmne (4B).

Joonis №4

Need tähelepanekud on kinnitatud diagrammiga (4C) mõõdetud kokkusurumise pindala ja laastud plaatide maht liuglemise pikkuse järgi (proovitükis teemantide testimise ajal).

See diagramm näitab ka, et WCL korral ei teki laaste isegi siis, kui liuglemise kaugus on suurem kui WCS korral. Kokkusurutud ja laastud plaatide vaatlemine 4B aitab paremini mõista merikarbi hammaste iseteritamise mehhanismi.

Kivi kokkutõmbumispiirkonna pindala suureneb, kuna plaat lõheneb, mis viib osa kokkutõmbumispiirkonnast kadumiseni. [4B (iii-v)]. Mikroskoopilised omadused, nagu ühendus kivi ja plaatide vahel, lihtsustavad seda protsessi. Mikroskoopia näitas, et kiud kivipiirkonnas painduvad ja tungivad läbi plaatide kihtide hambas kumeras osas.

Graafikul 4C on näha hüpet katkestatud piirkonna mahus, kui uus plaat eraldub hambast. Huvi pakub, et sel hetkel toimub järsk vähenemine lamestatud ala laiuses (4D), mis viitab iseteritamisprotsessile.

Lihtsalt öeldes näitasid eksperimendid, et katsetel, kus säilitati pidev normaalne (mitte kriitiline) koormus, toimub teravi enda pealmise osa tuhmunine, samas kui hammas jääb teravaks. Seega teritad järsku hambaid kasutamise ajal, kui koormus ei ületa kriitilist piiri, vastasel juhul võivad tekkida kahjustused (lööbed), mitte teritamine.

Pilt nr 5

Et mõista hammaste mikrokonstruktsioonide, nende omaduste ja nende panuse rolli iseteritamisprotsessis, viidi läbi mitteametlik analüüs kulumise protsessist lõpp-elementide meetodi abil (5A). Selleks kasutati hambatipu pikisuunalise läbilõike pilte, mis teenisid aluseks kahe mõõtmelise mudeli, mis koosneb kivimist, plaatidest, kiilust ja plaatide ning kivi vahelistest liidestest.

Pildid 5B–5H — need on Misesi kriteeriumi (plastilisuse kriteeriumi) kontuurgraafikud kivi ja plaadi ala servas. Kui hammas on kokku surutud, on kivi suure lisandeformingga, koguneb kahjustusi ja kokkusurutakse ("lame") (5B ja 5C). Edasine kokkusurumine põhjustab kivi lõhesse nihkepaari, kus suur osa plastilisest deformatsioonist ja kahjustustest koguneb, eraldades osa kivist, mis viib selle otsese kontakti alusega (5D). Selline kivi fragmenteerumine antud mudelis vastab eksperimentaalsetele tähelepanekutele (katkised fragmendid 3B(i)). Surumine toob kaasa ka plakate vahelise eraldumise, kuna liidesed allutatakse segakojale, mis põhjustab dekoherentsi (lahustumine). Kontaktpinna suurenedes kasvavad kontaktpinged, tekitades pragude tekkimise ja leviku liidese peal (5B—5E). Lameplaatide vahelise haardumise kadumine süvendab paindumist, mille käigus välimine plaat lõheneb.

Kraapimine süvendab liidese kahjustusi, mis viib plaadi eemaldamiseni, kui plaadid (a) on lõhenemise all (kohtades, kus praod lahknevad liidesest ja tungivad plaati, 5G). Protsessi jätkumisel eraldub plaadi killud hambatipust (5H).

Huvitav on see, et modelleerimine ennustab väga täpselt skaalumist nii kivi- kui ka plaatide piirkonnas, mida teadlased on juba täheldanud jälgimise ajal (3B ja 5I).

Kuna soovid teema nüanssidega lähemat tutvust teha, soovitame vaadata teadlaste aruannet ja täiendavad materjalid selle juurde.

Epilog

See töö tõestas veel kord, et evolutsioon ei olnud inimese hammaste suhtes just eriti leebe. Tõsiselt rääkides õnnestus teadlastel oma uurimises detailideni mõista ja selgitada merikrevettide hammaste iseteritamismehhanismi, mille aluseks on ebatavaline hamba struktuur ja õige koormus sellele. Plaadid, mis katab tõugu hamba, kooruvad teatud koormuse all, mis aitab hoida hamba terava. Kuid see ei tähenda, et merikrevettid saavad kõkida kive, sest kriitilise koormuse saavutamisel tekivad hammastes praod ja tükid. Seega põhimõte „jõud on olemas, mõistust pole vaja“ kindlasti ei tooks mingit kasu.

Võib arvata, et sügaval meres elavate olendite hammaste uurimine ei too inimestele mingit kasu, välja arvatud inimeste rahuldamatu uudishimu. Kuid selles uurimises saadud teadmised võivad anda aluse uute tüüpi materjalide loomiseks, millel on sarnased omadused nagu merikrevettide hammastel — kulumiskindlus, iseseisev teritamine materjalitasemel ilma välist abi ja vastupidavus.

Kuidas iganes see ka ei lähe, peidab loodus endas palju saladusi, mis on meil veel avastada. Kas need on kasulikud? Võib-olla jah, võib-olla ei. Kuid mõnikord on isegi kõige keerulisemates uuringutes tähtis mitte sihtpunkt, vaid reisi enda olemus.

Reede off-topic:

Sügaviku hiiglaslike vetikate all on merihobu ja teiste ebatavaliste ookeanielanike kogunemiskoht. (BBC Earth, hääle üle David Attenborough).

Aitäh tähelepanu eest, jääge uudishimulisteks ja nautige kõiki nädalavahetusi, sõbrad! 🙂

Aitäh, et olete meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Soovite rohkem huvitavat sisu? Toetage meid tellimuse vormistamise või soovituste jagamisega sõpradele. 30% soodustus Habra kasutajatele meie ainulaadsetelt entry-level serveritelt, mis on loodud just teile: Kõik VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 südamikku) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps alates $20 või kuidas serverit õigesti jagada? (saadaval on RAID1 ja RAID10 variandid, kuni 24 südamikku ja kuni 40GB DDR4).

Dell R730xd kaks korda odavam? Ainult meie juures 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TB alates $199 Hollandi turul! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — alates $99! Lugege, kuidas Luua ettevõtte tasemel infrastruktuur Dell R730xd E5-2650 v4 serveritega, mille hind on 9000 eurot, madala hinnaga?

Allikas: habr.com