Okaste ja teravate, kuhu iganes vaatad: merisiili iseteritavate hammaste mehhanism

Räägime inimestest, kellel on hambaid, ja nende seosest kaariese, breketite ja valgete kitlitega sadistidega, kes ainult unistavad sinu hammastega oma ehteid valmistada. Kuid naljad kõrvale, sest ilma hambaarstideta ja kehtivate hügieenireeglitega sööksime me ainult puder kartulit ja suppe läbi toru. Selle kõik on süüdi evolutsioon, mis andis meile kaugel kõige vastupidavamad hambad, mis ei regenereeru, mis ilmselt teeb hambaravi esindajad väga rõõmsaks. Kui rääkida hammaste kohta metsiku looduse esindajate seas, siis tulevad kohe meelde väärikad lõvid, veretuks muutuvad haid ja äärmiselt positiivsed hüäänid. Kuid vaatamata nende lõualuude jõule ja väele, ei ole nende hambad nii hämmastavad kui merisiilikute hambad. Jah, see okaste klomp all vees, millele astudes võid oma puhkuse suuresti rikkuda, omab iseennast üsna heade hammastega. Neid on küll vähe, ainult viis, kuid nad on omamoodi ainulaadsed ja suudavad ennast teritada. Kuidas teadlased seda omadust avastasid, kuidas see protsess täpselt toimub ja kuidas see võib inimesed aidata? Selle kohta saame teada uurimisrühma raportist. Jätkame.

Uuringu alus

Enne kui me uurime lähemalt uurimistöö peategelast — Strongylocentrotus fragilis, mida inimkeeles tuntakse roosa merisiiliku nime all. See liik merisiilidest ei erine eriti oma kaaslastest, välja arvatud rohkem lamestatud kujuga ja eriliste värvitoonidega. Nad elavad üsna sügaval (100 m kuni 1 km) ja kasvavad kuni 10 cm läbimõõduni.

Merisiiliku 'skelett', millel on näha viisiharuline sümmeetria.

Merisiilikud on, kuigi see kõlab karmilt, õiged ja valed. Esimesed omavad praktiliselt ideaalset ümmargust keha kuju, väljendunud viisiharulise sümmeetriaga, teised on aga rohkem asümmeetrilised.

Esimene asi, mis merisiiliku vaatamisel silma torkab, on tema okkad, mis katavad kogu keha. Erinevatel liikidel võivad okkad olla vahemikus 2 mm kuni 30 cm. Lisaks okkadele on kehal sfäärilised organid (tasakaalu organid) ning peditsellarid (võrsed, mis meenutavad pintsette).

Keskel eristuvad selgelt kõik viis hammaste.

Ette kujutada merikurku, peab esmalt seisma peapeal, kuna selle suue asub keha alumises osas, kuid teised avad on ülemises osas. Merikurkade suu on varustatud mälumisaparaadiga, millel on ilus teaduslik nimi „Aristoteles'e latern“ (just Aristoteles kirjeldas esmakordselt seda organit ja võrreldes selle kuju antiikse kandekotiga). See organ sisaldab viit lõualuud, millest igaühel on terav hammas (antud roosa merikurga Aristoteles'e latern on kujutatud alloleval pildil 1C).

On olemas oletus, et merikurkade hammaste pikaealisus tuleneb nende pidevast teritamisest, mis toimub mineraalsete hammaste plaatide järkjärgulise hävitamise teel, et säilitada distalset pinda teravana.

Kuid kuidas seda protsessi täpselt läbi viiakse, milliseid hambaid tuleb teritada ja milliseid mitte, ning kuidas see oluline otsus tehakse? Need on küsimused, millele teadlased püüdsid vastuseid leida.

Uuringu tulemused

Pilt №1

Enne kui avame merikurkade hambaravi saladusi, vaatame nende hammaste struktuuri tervikuna.

Piltidel 1A—1C on kujutatud uuringu kangelast — roosa merikurki. Nagu teised merikurki, saavad selle liigi esindajad oma mineraalkomponendid meriveest. Hambad on tugevalt mineraliseeritud (99%) kaltsiidist, mis on rikastatud magneesiumiga.

Kuidas me juba varem arutasime, kasutavad merikurad oma hambaid toidu kraapimiseks. Kuid lisaks sellele kaevavad nad nende hammaste abil endale urka, kus nad varjavad end kiskjate või halbade ilmastikutingimuste eest. Selliste ebatavaliste hammaste kasutamise arvestades peavad need olema äärmiselt tugevad ja teravad.

Pildil 1D on kujutatud mikroküberkompuutertomograafia tükikest täishambast, mis annab aimu, et hammas on moodustatud mööda elliptilist kaarust T-kujulise ristlõikega.

Hamba ristlõige (1E) näitab, et hammas koosneb kolmest struktuursest piirkonnast: esmased plaadid, kivi piirkond ja teisese plaadid. Kivi piirkond koosneb väikese läbimõõduga kiududest, mida ümbritseb orgaaniline kest. Kiud on suletud polükristallsesse maatriksisse, mis koosneb magneesiumirikastest kaltsiidiosakestest. Nende osakeste läbimõõt jääb vahemikku 10-20 nm. Uuringud näitavad, et magneesiumi kontsentratsioon on kogu hamba ulatuses ebaühtlane ja suureneb lähemal hambajuurtele, mis tagab selle suurenenud kulumiskindluse ja kõvaduse.

Pikisuunaline lõige (1F) hamba kivi piirkonnast näitab kiudude purunemist ning ka eraldumist, mis toimub kiudude ja orgaanilise kestaga piiril.

Esmased plaadid koosnevad tavaliselt kaltsiidimonokristallidest ja asuvad hamba kumeral pinnal, samas kui teisese plaadid täidavad kõverat pinda.

Fotol 1G on näha kõverate esmase plaatide massi, mis asuvad üksteisega paralleelselt. Pilt näitab ka kiude ja polükristallilist maatriksit, mis täidab ruumi plaatide vahel. Kilp (1H) moodustab risti T-lõike aluse ja suurendab hamba jäikust painde ajal.

Nüüd, kui teame, millise struktuuriga hamba roosa meriheina, peame välja selgitama ka selle komponentide mehaanilised omadused. Selleks viidi läbi kompressioonitestid, kasutades skaneerivat elektronmikroskoopiat ja meetodit nanoindentatsioon*. Nanoskaala testides osalesid näidised, mis lõigati pikisuunalise ja risti suuna järgi hambast.

Nanoindentatsioon* — materjali kontrollimine spetsiaalse tööriista — indentori — abil, mis surutakse proovi pinnale.

Andmete analüüs näitas, et hammaste tipu keskmine Youngi moodul (E) ja kõvadus (H) pikisuunas ja risti 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 (risti).

Youngi moodul* — füüsikaline suurus, mis kirjeldab materjali võimet vastu seista venitamisele ja surumisele.

Kõvadus* — materjali omadus, mis takistab kõvema keha (indentori) sisenemist.

Lisaks sellele on pikisuunas tehtud süvendusi tsüklilise lisakoormusega, et luua viskoelastse kahjustuse mudel kivimite alal. On 2A näidatud koormuse ja nihke kõver.

Pilt nr 2

Iga tsükli moodul arvutati Oliveri-Farri meetodi alusel lahti lastud andmete põhjal. Süvendus-tsüklid näitasid modulatsiooni pidevat vähenemist süvenemise sügavuse suurenedes (2B). Taoline jäikuse halvenemine on seletatav kahjustuste akumuleerumisega (2C) pöördumatu deformatsiooni tulemusena. Tähelepanuväärne on see, et kolmandat arengut toimub kiudude ümber, mitte läbi nende.

Zubade koostisosade mehaanilisi omadusi hinnati ka kvasi-staatiliste mikrosammaste kokkusurumise katsetega. Mikromeetrite suuruse sammaste valmistamiseks kasutati fokusseeritud ioonkiirt. Esiteks, nende peamiste plaatide vaheline sõltuvuse tugevuse hindamiseks kuuli konvektsioosse külje peal toodeti mikrosambad kaldu orientatsiooniga normaalse liidese suhtes plaatide vahel (2D). Pildil 2E on nähtav mikrosammas kaldega liidese. Ja graafikul 2F on näidatud pingeteguri mõõtmise tulemused.

Teadlased märgivad huvitavat fakti - mõõdetud elastsusmodul on peaaegu kaks korda väiksem kui süvenduse katsetes. Uurimismeetodite erinevused on samuti märgitud hambakoe puhul. Seni on mitmeid teooriaid, mis selgitavad seda mittevastavust (alates keskkonna mõjust testide ajal kuni proovide saastumiseni), kuid kindlat vastust küsimusele, miks see mittetäielikkus eksisteerib, pole.

Merikeeli hambakudede uurimise järgmine etapp oli kulumise katsetamine, kasutades skaneerivat elektronmikroskoopi. Hamburger kleepitakse spetsiaalsele hoidjale ja surutakse ultra-nanokristallilise keraami aluspinna peale (3A).

Pilt nr 3

Teadlased märgivad, et nende kulumise katse variant on vastupidine sellele, mis tavaliselt toimub, kui teemantots tõukab aluspinda uuritava materjaliga. Kulumise katse meetodi muudatused aitavad paremini uurida mikrosturktuuride ja hamba koostisosade omadusi.

Nagu me näeme piltidel, hakkavad kriitilise koormuse saavutamisel tekkima chipid. Tuleb arvesse võtta, et Aristotelese lambi «hambajõud» merikurgede puhul varieerub liigi kaupa vahemikus 1 kuni 50 niutonit. Katses kasutati aga jõudu alates sadadest mikroniutonitest kuni 1 niutonini, st 1 kuni 5 niutonit kogu Aristotelese lambi jaoks (kuna hambaid on viis).

Fotol 3B(i) on nähtavad väikesed osakesed (punane nool), mis on tekkinud kivi piirkonna kulumise tõttu. Kuna kivi piirkond kulub ja kokkusurutakse, võivad plaatide vahelised pragud tekkida ja levida kokkusurumise- ja nihkejõudude tõttu ning pingete akumuleerumise tõttu kaltsiidiplatide piirkonnas. Pildid 3B(ii) ja 3B(iii) näitavad kohti, kus fragmendid on purunenud.

Võrdluseks viidi läbi kahte tüüpi kulumiskatseid: pideva koormusega, mis vastab voolavuse algusele (WCL) ja pideva koormusega, mis vastab voolavuse piirile (WCS). Selle tulemusena saadi kaks varianti hamba kulumisest.

Kulumiskatsete video:

Etapp I

Etapp II

Etapp III

Etapp IV

Pideva koormuse korral WCL katsetes täheldati piirkonna kokkutõmbumist, kuid chipide ega muude kahjustuste plaate ei leitud (4A). Kuid WCS katses, kus normaaljõud suurendati, et hoida nimimääratud kontaktpinget konstantse, täheldati chipide ja plaatide väljalangemist (4B).

Pilt nr 4

Need tähelepanekud leidis kinnitust diagrammist (4C) kokku surutud piirkonna ja purunenud plaatide mahtude mõõtmise sõltuvuse graafikust libisemise pikkusest (proovist diamandi katsetamisel).

See graafik näitab ka seda, et WCL korral ei teki chipi isegi siis, kui libisemise kaugus on suurem kui WCS katse korral. Kokkupandud ja purunenud plaatide uurimine 4B aitab paremini mõista merikurgede hammaste iseteravustamise mehhanismi.

Kivi kokku surutud ala suureneb, kuna plaat puruneb, mis viib osa kokku surutud ala kadumiseni [4B (iii-v)]. Mikrostruktuurilised omadused, nagu ühendus kivi ja plaatide vahel, hõlbustavad seda protsessi. Mikroskoopia näitas, et kiud kivi piirkonnas painduvad ja tungivad läbi plaatide kihtide hamba kumeras osas.

Diagrammil 4C Silindrite suureneb mahus, kui uus plaat eraldub hambast. Huvi pärast toimub samal ajal ka lamestatud ala laius järsk vähenemine (4D), mis näitab iseteritamise protsessi.

Teisisõnu, need katsed näitasid, et pideva normaalse (mitte kriitilise) koormuse säilitamise ajal kulumise katsetes toimub teritaja dulumine, samas kui hampas jääb teravaks. Tulemuseks on see, et siili hambad terituvad kasutamise käigus, kui koormus ei ületa kriitilist, vastasel juhul võivad tekkida kahjustused (läbikukkumised), mitte teritamine.

Pilt nr 5

Mikrostruktuuri, nende omaduste ja iseteritamise mehhanismi mõistmiseks viidi läbi mittelineaarne kulumise protsessi lõpp-elementide analüüs (5A). Selleks kasutati hamba tipu pikisuunalise lõike fotosid, mis moodustasid aluseks kahemõõtmelisele mudelile, mis koosnes kivist, plaatidest, nurgast ja plaatide ja kivi vahelisest liidest.

Pildid 5B–5H — see on Misese kriteeriumi (plastilisuse kriteeriumi) kontuurigraafik kivise ja plaadi piirkonna servas. Kui hambad on kokku surutud, puutub kivi kokku suurte viskoelastsete deformatsioonidega, kogub kahjustusi ja kokkutõmbub ("lamenev") (5B ja 5C). Edasine kokkusurumine põhjustab liigse nihke riba kivis, kus koguneb suur osa plastilisest deformatsioonist ja kahjustustest, eraldades osa kivist ning tuues selle otsese kontakti alusmaterjaliga (5D). Selline kivide fragmenteerimine sellele mudelile vastab eksperimentaalsetele vaatlustele (katkised fragmendid 3B(i)). Kokkutõmme põhjustab ka plaatide vahelise kihistumise, kuna liidestuse elemendid puutuvad kokku segakoormusega, põhjustades dekohereerumise (kihistumise). Kontaktpinna suurenedes tõusevad kontaktpinged, mis põhjustavad pragude tekkimist ja levikut liidetes (5B—5E). Plaatidevaheline kinnihoidmise kaotus suurendab painde, mille tagajärjel välimine plaat eraldub.

Kriimustamine süvendab liidete kahjustusi, mis põhjustab plaadi eemaldamist, kui plaadid on kiskumisele allutatud (kui praod kaldub liidest ja tungivad plaati, 5G). Protsessi jätkudes eralduvad plaadi tükid hambanuka otsast (5H).

Huvitaval kombel ennustab modelleerimine väga täpselt klammerdumist nii kivi kui ka plaatide piirkondades, mida teadlased on juba jälgimiste käigus märganud (3B ja 5I).

Kuna soovin üksikasjalikumalt uurimise nüansse, soovitan tutvuda teadlaste raportiga ja täiendavate materjalidega selle juurde.

Epilog

See töö kinnitas taas, et evolutsioon ei olnud inimese hammaste suhtes just väga soosiv. Tõsiselt, oma uurimuses suutsid teadlased detailselt uurida ja selgitada merisiilide hammaste iseteritusmehhanismi, mille aluseks on ebatavaline hambastruktuur ja õige koormus. Plaadid, mis katavad siili hambaid, eralduvad teatud koormuse tõttu, mis võimaldab hambad teravad hoida. Kuid see ei tähenda, et merisiilid suudaksid kive purustada, sest kriitilise koormuse korral tekivad hammastele praod ja chipsid. Tundub, et põhimõte „jõud on olemas, mõistust pole” ei tooks kasu.

Võib arvata, et süvamerede elanike hammaste uurimisel pole inimkonnale mingit kasu, peale isukate inimsuurte rahuldamise. Siiski võib selle uurimise käigus saadud teadmine põhineda uute materjalide loomisel, mis omavad sarnaseid omadusi nagu siilihambad — kulumiskindel, iseteritus materjali tasemel ilma välise abita ja pikaealisus.

Kuidas seal ka ei oleks, loodus peidab endas palju saladusi, mille avastamine on meil veel ees. Kas need on kasulikud? Võib-olla jah, võib-olla ei. Kuid mõnikord on isegi kõige keerulisemates uuringutes oluline mitte sihtkoht, vaid reis ise.

Reede off-topic:

Hiiglaslike vetikate allveeline mets teenib merisiilide ja teiste ebatavaliste ookeanielanike kogunemispaigana. (BBC Earth, hääle taust — David Attenborough).

Tänan tähelepanu eest, jääge uudishimu juurde ja soovin kõigile toredat nädalavahetust, sõbrad! 🙂

Aitäh, et olete meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha rohkem huvitavat sisu? Toetage meid tellimuse esitamise või tuttavatele soovitamisega, 30% allahindlus Habr'i kasutajatele ainulaadsele sissetuleku tasemel serverile, mille oleme teie jaoks välja mõelnud: Kogu tõde VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 tuuma) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps alates $20 või kuidas õigesti serverit jagada? (saadaval RAID1 ja RAID10 variandid, kuni 24 tuuma 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 Hollandis! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — alates $99! Lugege sellest Kuidas luua ettevõtte tasemel infrastruktuuri, kasutades Dell R730xd E5-2650 v4 servereid, mille hind on 9000 eurot, taskukohase hinna eest?

Allikas: habr.com