Hammastest rääkimist seostatakse inimestel kõige sagedamini kaariese, breketite ja valgetes kitlites sadistidega, kes ainult unistavad hammastest helmeste tegemisest. Aga nali kõrvale, sest ilma hambaarstide ja kehtestatud suuhügieeni reegliteta sööks me ainult purustatud kartuleid ja suppi läbi kõrre. Ja kõik on süüdi evolutsioonis, mis andis meile kaugeltki mitte kõige vastupidavamad hambad, mis ikka veel ei taastu, mis ilmselt hambatööstuse esindajaid kirjeldamatult rõõmustab. Kui rääkida metsiku looduse esindajate hammastest, siis meenuvad kohe majesteetlikud lõvid, verejanulised haid ja ülipositiivsed hüäänid. Kuid hoolimata nende lõualuude jõust ja tugevusest pole nende hambad nii hämmastavad kui merisiiliku omad. Jah, sellel veealusel nõelakeral, mille peale astudes võid suure osa oma puhkusest ära rikkuda, on päris korralikud hambad. Muidugi pole neid palju, ainult viis, aga nad on omamoodi ainulaadsed ja suudavad end teritada. Kuidas teadlased sellise tunnuse tuvastasid, kuidas see protsess täpselt kulgeb ja kuidas see inimesi aidata saab? Sellest saame teada uurimisrühma aruandest. Mine.
Uurimistöö alus
Kõigepealt tasub tutvuda uurimuse peategelasega Strongylocentrotus fragilis’ega, inimlikus mõistes, roosa merisiilikuga. Seda tüüpi merisiilikud ei erine kuigi palju oma teistest kolleegidest, välja arvatud pooluste lamedama kuju ja glamuurse värvi poolest. Nad elavad üsna sügaval (100 m kuni 1 km) ja kasvavad kuni 10 cm läbimõõduga.
Merisiiliku "skelett", mis näitab viiekiire sümmeetriat.
Merisiilikud on õiged ja valed, ükskõik kui ebaviisakas see ka ei kõlaks. Esimesed on peaaegu täiuslikult ümara kehakujuga, millel on väljendunud viiekiire sümmeetria, samas kui teised on asümmeetrilisemad.
Esimene asi, mis merisiilikut nähes silma hakkab, on kogu keha katvad sulepead. Erinevatel liikidel võivad nõelad olla 2 mm kuni 30 cm.Lisaks nõeltele on kehal sferiidid (tasakaaluorganid) ja pedicellaaria (protsessid, mis meenutavad tangidega).
Kõik viis hammast on keskel selgelt nähtavad.
Merisiiliku kujutamiseks tuleb esmalt seista tagurpidi, kuna tema suuava asub keha alumises osas, aga teised augud on ülemises osas. Merisiiliku suu on varustatud närimisaparaadiga, millel on ilus teaduslik nimi "Aristotelese latern" (Just Aristoteles kirjeldas seda orelit esmakordselt ja võrdles seda kuju poolest antiikse kaasaskantava laternaga). See organ on varustatud viie lõuaga, millest igaüks lõpeb terava hambaga (uuritud roosa siili Aristotelese latern on näidatud alloleval pildil 1C).
Eeldatakse, et merisiiliku hammaste vastupidavuse tagab nende pidev teritamine, mis toimub mineraliseerunud hambaplaatide järkjärgulise hävimise kaudu, et säilitada distaalse pinna teravus.
Aga kuidas see protsess täpselt kulgeb, millised hambad vajavad teritamist ja millised mitte ning kuidas see oluline otsus sünnib? Teadlased on püüdnud neile küsimustele vastuseid leida.
Uuringute tulemused
Pilt nr 1
Enne merisiiliku hambaravi saladuste paljastamist mõelge nende hammaste ehitusele üldiselt.
Piltide peal 1А-1S näidatakse uuringu kangelast – roosat merisiilikut. Nagu teisedki merisiilikud, saavad selle liigi esindajad oma mineraalsed komponendid mereveest. Skeletielementidest on hambad magneesiumiga rikastatud kaltsiidiga kõrge mineralisatsiooniga (99%).
Nagu me varem arutasime, kasutavad siilid oma hambaid toidu kraapimiseks. Kuid peale selle kaevavad nad hammaste abil endale auke, kuhu peituvad röövloomade või halva ilma eest. Arvestades seda ebatavalist hammaste kasutamist, peavad viimased olema äärmiselt tugevad ja teravad.
Pildi peal 1D on näidatud terve hamba segmendi mikrokompuutertomograafia, mis teeb selgeks, et hammas on moodustatud piki T-kujulise ristlõikega elliptilist kõverat.
Hamba ristlõige (1E) näitab, et hammas koosneb kolmest struktuuripiirkonnast: primaarsetest kihtidest, hambakivi piirkonnast ja sekundaarsetest lamellidest. Kiviala koosneb väikese läbimõõduga kiududest, mida ümbritseb orgaaniline kest. Kiud on ümbritsetud polükristallilise maatriksiga, mis koosneb magneesiumirikastest kaltsiidiosakestest. Nende osakeste läbimõõt on umbes 10-20 nm. Teadlased märgivad, et magneesiumi kontsentratsioon ei ole kogu hamba ulatuses ühtlane ja suureneb selle lõpus, mis suurendab selle kulumiskindlust ja kõvadust.
pikisuunaline läbilõige (1F) näitab kiudude hävimist ja eraldumist, mis tekib kiudude ja orgaanilise kesta vahelisel liidesel tekkinud delaminatsiooni tõttu.
Primaarsed spoonid koosnevad tavaliselt kaltsiidi monokristallidest ja asuvad hamba kumeral pinnal, sekundaarsed spoonid aga täidavad nõgusat pinda.
Pildil 1G võib näha rida kõveraid primaarseid plaate, mis asetsevad üksteisega paralleelselt. Pildil on ka kiud ja polükristalliline maatriks, mis täidavad plaatide vahelist ruumi. kiil (1H) moodustab põiksuunalise T-lõike aluse ja suurendab hamba paindejäikust.
Kuna teame, mis ehitusega on roosa merisiiliku hammas, siis nüüd tuleb välja selgitada selle komponentide mehaanilised omadused. Selleks viidi läbi survetestid skaneeriva elektronmikroskoobi ja meetodi abil nanoindentatsioon*. Nanomehaanilistes katsetes osalesid hamba piki- ja põikisuunas lõigatud proovid.
Nanoindentatsioon* — materjali kontrollimine spetsiaalse tööriista – taandri – näidise pinnale süvendamise meetodil.
Andmete analüüs näitas, et keskmine Youngi moodul (E) ja kõvadus (H) hamba otsas piki- ja põikisuunas 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 taluda pinget ja survet.
kõvadus* - materjali omadus seista vastu tahkema keha sissetoomisele (taande).
Lisaks tehti tsüklilise lisakoormusega pikisuunas süvendid, et luua kiviala plastilise kahjustuse mudel. Peal 2А on näidatud koormuse-nihke kõver.
Pilt nr 2
Iga tsükli moodul arvutati Oliver-Farri meetodi alusel, kasutades mahalaadimisandmeid. Treppimistsüklid näitasid mooduli monotoonset vähenemist treppimise sügavuse suurenemisega (2V). Selline jäikuse halvenemine on seletatav kahjustuste kuhjumisega (2C) pöördumatu deformatsiooni tagajärjel. Tähelepanuväärne on, et kolmanda areng toimub kiudude ümber, mitte nende kaudu.
Hamba koostisosade mehaanilisi omadusi hinnati ka kvaasistaatiliste mikropillide kokkusurumise katsete abil. Mikromeetri suuruste sammaste valmistamiseks kasutati fokuseeritud ioonkiirt. Hamba kumeral küljel olevate primaarsete plaatide vahelise ühenduse tugevuse hindamiseks valmistati mikropiilarid, mis olid plaatide vahelise normaalse liidese suhtes kaldu (2D). Pildil 2E kuvatakse kaldliidesega mikrokolonn. Ja graafikus 2F on näidatud nihkepinge mõõtmise tulemused.
Teadlased märgivad huvitava fakti – mõõdetud elastsusmoodul on peaaegu poole väiksem kui taandumistestidel. See lahknevus süvendamise ja kokkusurumise testide vahel on täheldatud ka hambaemaili puhul. Hetkel on seda lahknevust seletavad mitmed teooriad (alates keskkonnamõjudest katsete ajal kuni proovide saastumiseni), kuid selget vastust küsimusele, miks lahknevus tekib, pole.
Järgmine samm merisiiliku hammaste uurimisel oli skaneeriva elektronmikroskoobi abil läbi viidud kulumiskatsed. Hammas liimiti spetsiaalsesse hoidikusse ja suruti vastu ultrananokristallilise teemandi substraadi (3А).
Pilt nr 3
Teadlased märgivad, et nende kulumiskatse versioon on vastupidine sellele, mida tavaliselt tehakse, kui teemantotsik pressitakse uuritava materjali aluspinnale. Muutused kulumistesti metoodikas võimaldavad paremini mõista mikrostruktuuride ja hambakomponentide omadusi.
Nagu piltidelt näeme, hakkavad kriitilise koormuse saavutamisel tekkima laastud. Tasub arvestada, et Aristotelese laterna “hammustuse” jõud merisiilikutel varieerub olenevalt liigist 1 kuni 50 njuutonit. Testis rakendati jõudu sadadest mikronjuutonitest 1 njuutonini, s.o. 1 kuni 5 njuutonit kogu Aristotelese laterna kohta (kuna hambaid on viis).
Pildil 3B(i) nähtavad väikesed osakesed (punane nool), mis on tekkinud kivipiirkonna kulumise tulemusena. Kui kiviala kulub ja tõmbub kokku, võivad plaatide vahelistes liidestes tekkida ja levida praod surve-nihkekoormuse ja pinge suurenemise tõttu kaltsiitplaatide piirkonnas. Hetketõmmised 3B(ii) и 3B(iii) näidata kohti, kus killud purunesid.
Võrdluseks viidi läbi kahte tüüpi kulumiskatseid: konstantse koormusega, mis vastab saagikuse algusele (WCL) ja konstantse koormusega, mis vastab voolavuspiirile (WCS). Selle tulemusena saadi kaks hammaste kulumise varianti.
Kulumistesti video:
I etapp
II etapp
III etapp
IV etapp
Konstantse koormuse korral WCL testis täheldati ala kokkusurumist, kuid plaatide lõhenemist ega muid kahjustusi ei täheldatud (4A). Kuid WCS-testis, kui tavalist jõudu suurendati nimikontaktpinge konstantse hoidmiseks, täheldati plaatide lõhenemist ja väljakukkumist (4V).
Pilt nr 4
Neid tähelepanekuid kinnitab graafik (4S) surveala ja purustatud plaatide mahu mõõtmised sõltuvalt libisemispikkusest (proovi võtmine teemandi kohal).
See graafik näitab ka, et WCL-i puhul ei teki kiipe isegi siis, kui libisemiskaugus on suurem kui WCS-i puhul. Kokkupressitud ja purustatud plaatide kontroll 4V võimaldab paremini mõista merisiiliku hammaste iseteritumise mehhanismi.
Kivi kokkusurutud ala pindala suureneb plaadi purunemisel, mistõttu osa kokkusurutud alast eemaldatakse [4B(iii-v)]. Mikrostruktuurilised omadused, nagu side kivi ja plaatide vahel, hõlbustavad seda protsessi. Mikroskoopia on näidanud, et hambakivi kiud on painutatud ja tungivad läbi hamba kumera osa plaatide kihtide.
Diagrammil 4S uue plaadi hamba küljest lahti võtmisel tekib killustunud ala mahu hüpe. On uudishimulik, et samal hetkel väheneb järsult lamava piirkonna laius (4D), mis näitab iseteritumise protsessi.
Lihtsamalt öeldes on need katsed näidanud, et säilitades kulumiskatsete ajal püsiva normaalse (mitte kriitilise) koormuse, muutub ots nüriks, samas kui hammas jääb teravaks. Selgub, et siilide hambad teritatakse kasutamise käigus, kui koormus ei ületa kriitilist, vastasel juhul võivad tekkida kahjustused (laastud), mitte teritamine.
Pilt nr 5
Et mõista hammaste mikrostruktuuride rolli, omadusi ja panust iseteritumise mehhanismi, viidi läbi kulumisprotsessi mittelineaarne lõplike elementide analüüs (5А). Selleks kasutati hamba otsa pikilõike pilte, mis olid aluseks kahemõõtmelisele mudelile, mis koosnes kivist, plaatidest, kiilust ning plaatide ja kivi liidestest.
Pildid 5B-5H on Misesi kriteeriumi (plastilisuse kriteerium) kontuurgraafikud kivi ja plaadi ala servas. Hammas kokkusurumisel läbib hambakivi suuri viskoplastilisi deformatsioone, koguneb kahjustusi ja tõmbub kokku (“lamendub”) (5B и 5C). Edasine kokkusurumine tekitab kivis nihkeriba, kuhu koguneb suurem osa plastsest deformatsioonist ja kahjustustest, rebides osa kivist lahti, viies selle aluspinnaga otsesesse kontakti (5D). Selline kivi killustumine selles mudelis vastab eksperimentaalsetele vaatlustele (killud on lõhenenud 3B(i)). Kokkusurumine põhjustab ka plaatide vahelise delaminatsiooni, kuna liideseelemendid on allutatud segakoormusele, mille tulemuseks on dekohesioon (koorumine). Kui kontaktpind suureneb, suurenevad kontaktpinged, mis põhjustab pragude teket ja levimist liideses (5B-5E). Plaatide vahelise haardumise kaotus tugevdab kõverust, mis põhjustab välimise plaadi lahtiühendamise.
Kriimustamine süvendab liidese kahjustusi, mille tulemuseks on plaadi eemaldamine, kui plaat (plaadid) lõhenevad (kus praod kalduvad liidesest kõrvale ja tungivad läbi plaadi, 5G). Protsessi jätkudes eralduvad plaadi killud hamba otsast (5H).
On uudishimulik, et simulatsioon ennustab väga täpselt killustumist nii kivi- kui ka plaadipiirkonnas, mida teadlased on juba vaatluste käigus märganud (3B и 5I).
Uuringu nüanssidega täpsemaks tutvumiseks soovitan vaadata и talle.
Epiloog
See töö kinnitas veel kord, et evolutsioon ei toetanud väga inimese hambaid. Kui tõsiselt rääkida, suutsid teadlased oma uuringus üksikasjalikult uurida ja selgitada merisiiliku hammaste iseteritumise mehhanismi, mis põhineb hamba ebatavalisel struktuuril ja õigel koormusel. Siilihammast katvad plaadid kooruvad teatud koormuse all maha, mis võimaldab hoida hammast teravana. Kuid see ei tähenda, et merisiilikud võiksid kive purustada, sest kriitiliste koormusnäitajate saavutamisel tekivad hammastele praod ja laastud. Selgub, et põhimõte “jõudu on, mõistust pole vaja” ei tooks kindlasti mingit kasu.
Võib arvata, et süvamere elanike hammaste uurimine ei too inimesele mingit kasu, välja arvatud rahuldamatu inimliku uudishimu rahuldamine. Selle uuringu käigus saadud teadmised võivad aga olla aluseks uut tüüpi materjalide loomisele, millel on siilide hammastega sarnased omadused - kulumiskindlus, materjali tasandil iseterituvus ilma välise abita ja vastupidavus.
Olgu kuidas on, looduses on palju saladusi, mida me veel paljastama peame. Kas neist on abi? Võib-olla jah, võib-olla mitte. Kuid mõnikord, isegi kõige keerukamate uuringute puhul, pole mõnikord oluline sihtkoht, vaid teekond ise.
Reede off-top:
Veealused hiiglaslike vetikate metsad on merisiilikute ja muude ebatavaliste ookeanielanike kogunemiskohaks. (BBC Earth, hääljuht – David Attenborough).
Aitäh vaatamast, olge uudishimulikud ja ilusat nädalavahetust kõigile! 🙂
Täname, et jäite meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha huvitavamat sisu? Toeta meid, esitades tellimuse või soovitades sõpradele, Habri kasutajatele 30% allahindlus ainulaadsele algtaseme serverite analoogile, mille me teie jaoks välja mõtlesime: (saadaval RAID1 ja RAID10, kuni 24 tuuma ja kuni 40 GB DDR4-ga).
Dell R730xd 2 korda odavam? Ainult siin Hollandis! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – alates 99 dollarist! Millegi kohta lugema
Allikas: www.habr.com