Ihmisten hampaista puhuminen liittyy useimmiten kariekseen, hammasraudaan ja valkotakkisiin sadisteihin, jotka vain haaveilevat helmien tekemisestä hampaistasi. Mutta vitsit sivuun, sillä ilman hammaslääkäreitä ja vakiintuneita suuhygieniasääntöjä söisimme vain perunamurskaa ja keittoa oljen läpi. Ja kaikki on syyllinen evoluutioon, joka antoi meille kaukana kestävimmistä hampaista, jotka eivät vieläkään uusiudu, mikä luultavasti miellyttää hammasteollisuuden edustajia sanoinkuvaamattoman paljon. Jos puhumme luonnonvaraisten edustajien hampaista, mieleen tulevat heti majesteettiset leijonat, verenhimoiset hait ja erittäin positiiviset hyeenat. Leukojen voimasta ja vahvuudesta huolimatta niiden hampaat eivät kuitenkaan ole yhtä hämmästyttäviä kuin merisiilien hampaat. Kyllä, tällä veden alla olevalla neulapallolla, johon astumalla voi pilata hyvän osan lomastasi, on varsin hyvät hampaat. Niitä ei tietenkään ole montaa, vain viisi, mutta ne ovat omalla tavallaan ainutlaatuisia ja pystyvät teroittamaan itseään. Miten tutkijat tunnistivat tällaisen ominaisuuden, kuinka tämä prosessi tarkalleen etenee ja miten se voi auttaa ihmisiä? Opimme tästä tutkimusryhmän raportista. Mennä.
Tutkimuspohja
Ensinnäkin kannattaa tutustua tutkimuksen päähenkilöön - Strongylocentrotus fragilikseen, inhimillisesti sanottuna vaaleanpunaisen merisiilin kanssa. Tämäntyyppinen merisiili ei eroa kovinkaan paljon muista kollegoistaan, lukuun ottamatta napojen litteämpää muotoa ja hohdokasta väriä. Ne elävät melko syvällä (100 m - 1 km), ja ne kasvavat halkaisijaltaan jopa 10 cm.
Merisiilin "luuranko", joka osoittaa viiden säteen symmetriaa.
Merisiilit ovat oikeita ja väärin, vaikka se kuulostaa kuinka töykeältä. Ensin mainituilla on lähes täydellisen pyöreä runkomuoto, jossa on selvä viiden säteen symmetria, kun taas jälkimmäiset ovat epäsymmetrisempiä.
Ensimmäinen asia, joka pistää silmään kun näet merisiilin, ovat sen koko kehon peittävät sulkakynät. Eri lajeissa neulat voivat olla 2 mm - 30 cm. Neulojen lisäksi kehossa on spheridia (tasapainoelimet) ja pedicellaria (pihdit muistuttavat prosessit).
Kaikki viisi hammasta näkyvät selvästi keskellä.
Merisiilin kuvaamiseksi sinun on ensin seisottava ylösalaisin, koska sen suuaukko sijaitsee kehon alaosassa, mutta muut reiät ovat yläosassa. Merisiilien suu on varustettu purulaitteella, jolla on kaunis tieteellinen nimi "Aristoteleen lyhty" (se oli Aristoteles, joka kuvasi ensimmäisenä tämän elimen ja vertasi sitä muotoon antiikkiseen kannettavaan lyhtyyn). Tämä elin on varustettu viidellä leualla, joista jokainen päättyy terävään hampaan (tutkitun vaaleanpunaisen siilin aristoteelinen lyhty on esitetty alla olevassa kuvassa 1C).
Oletuksena on, että merisiilien hampaiden kestävyys varmistetaan niiden jatkuvalla teroituksella, joka tapahtuu mineralisoituneiden hammaslevyjen asteittaisen tuhoutumisen kautta distaalisen pinnan terävyyden säilyttämiseksi.
Mutta miten tämä prosessi oikein etenee, mitkä hampaat pitää teroittaa ja mitkä ei, ja miten tämä tärkeä päätös tehdään? Tiedemiehet ovat yrittäneet löytää vastauksia näihin kysymyksiin.
Tutkimuksen tulokset
Kuva #1
Ennen kuin paljastat merisiilien hampaiden salaisuudet, harkitse niiden hampaiden rakennetta yleisesti.
Kuvien päällä 1А-1S tutkimuksen sankari näytetään - vaaleanpunainen merisiili. Kuten muutkin merisiilit, tämän lajin edustajat saavat mineraalikomponentit merivedestä. Luuston elementeistä hampaat ovat erittäin mineralisoituneita (99 %) magnesiumilla rikastetun kalsiitin avulla.
Kuten aiemmin keskustelimme, siilit käyttävät hampaitaan ruoan kaapimiseen. Mutta tämän lisäksi he kaivavat hampaidensa avulla itselleen reikiä, joihin he piiloutuvat saalistajilta tai huonolta säältä. Tämän epätavallisen hampaiden käytön vuoksi hampaiden on oltava erittäin vahvoja ja teräviä.
Kuvan päällä 1D näytetään mikrotietokonetomografia koko hampaan segmentistä, mikä tekee selväksi, että hammas on muodostettu elliptistä käyrää pitkin, jonka poikkileikkaus on T-muotoinen.
Hampaan poikkileikkaus (1E) osoittaa, että hammas koostuu kolmesta rakennealueesta: primaarisista lamelleista, hammaskiven alueesta ja sekundaarisista lamelleista. Kivialue koostuu halkaisijaltaan pienistä kuiduista, joita ympäröi orgaaninen kuori. Kuidut on koteloitu monikiteiseen matriisiin, joka koostuu runsaasti magnesiumia sisältävistä kalsiittihiukkasista. Näiden hiukkasten halkaisija on noin 10-20 nm. Tutkijat huomauttavat, että magnesiumin pitoisuus ei ole tasainen koko hampaassa ja kasvaa lähempänä sen päätä, mikä lisää sen kulutuskestävyyttä ja kovuutta.
Pituusleikkaus (1F) hampaan hammaskivestä osoittaa kuitujen tuhoutumisen sekä irtoamisen, joka tapahtuu kuitujen ja orgaanisen kuoren rajapinnassa tapahtuvasta delaminaatiosta.
Ensisijaiset viilut koostuvat yleensä kalsiittiyksittäiskiteistä ja sijaitsevat hampaan kuperalla pinnalla, kun taas toissijaiset viilut täyttävät koveran pinnan.
Kuvassa 1G voidaan nähdä joukko kaarevia primäärilevyjä, jotka ovat yhdensuuntaisia toistensa kanssa. Kuvassa näkyy myös kuituja ja monikiteinen matriisi, joka täyttää levyjen välisen tilan. köli (1H) muodostaa poikittaisen T-osan pohjan ja lisää hampaan taivutusjäykkyyttä.
Koska tiedämme, millainen rakenne vaaleanpunaisen merisiilin hampaalla on, meidän on nyt selvitettävä sen komponenttien mekaaniset ominaisuudet. Tätä varten suoritettiin puristustestit pyyhkäisyelektronimikroskoopilla ja menetelmällä nanoindentaatio*. Hampaan pituus- ja poikittaissuunnassa leikatut näytteet osallistuivat nanomekaanisiin testeihin.
Nanoindentaatio* — materiaalin tarkastus käyttämällä erikoistyökalun näytteen pintaan sisennystä - sisennystä.
Data-analyysi osoitti, että keskimääräinen Youngin moduuli (E) ja kovuus (H) hampaan kärjessä pitkittäis- ja poikittaissuunnassa ovat: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (pitkittäinen) ja ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (poikittainen).
Youngin moduuli* - fysikaalinen suure, joka kuvaa materiaalin kykyä vastustaa jännitystä ja puristusta.
Kovuus* - materiaalin ominaisuus vastustaa kiinteämmän kappaleen sisääntuloa (indenter).
Lisäksi tehtiin pitkittäissuunnassa syvennyksiä syklisellä lisäkuormituksella luomaan malli kivialueelle sitkeästä vauriosta. Päällä 2А kuorma-siirtymäkäyrä näytetään.
Kuva #2
Jokaisen syklin moduuli laskettiin Oliver-Farrin menetelmällä käyttäen purkutietoja. Sisennysjaksot osoittivat monotonista moduulin laskua sisennyssyvyyden kasvaessa (2V). Tällainen jäykkyyden heikkeneminen selittyy vaurioiden kertymisellä (2C) palautumattoman muodonmuutoksen seurauksena. On huomionarvoista, että kolmannen kehittyminen tapahtuu kuitujen ympärillä, ei niiden kautta.
Hampaiden aineosien mekaaniset ominaisuudet arvioitiin myös käyttämällä kvasistaattisia mikropilaripuristuskokeita. Mikrometrin kokoisten pilarien valmistukseen käytettiin fokusoitua ionisädettä. Primäärilevyjen välisen liitoksen lujuuden arvioimiseksi hampaan kuperalla puolella valmistettiin mikropilarit vinosti suhteessa levyjen väliseen normaaliin rajapintaan (2D). Kuvassa 2E näytetään mikropylväs, jossa on kalteva käyttöliittymä. Ja kaaviossa 2F leikkausjännityksen mittaustulokset esitetään.
Tutkijat panevat merkille mielenkiintoisen tosiasian - mitattu kimmokerroin on lähes puolet painaumatesteistä. Tämä sisennys- ja puristustestien välinen ero havaitaan myös hammaskiillessä. Tällä hetkellä on olemassa useita teorioita, jotka selittävät tätä poikkeavaa (ympäristövaikutuksista testien aikana näytteiden kontaminaatioon), mutta selkeää vastausta kysymykseen siitä, miksi ero syntyy, ei ole.
Seuraava askel merisiilin hampaiden tutkimuksessa oli pyyhkäisyelektronimikroskoopilla suoritetut kulumistestit. Hammas liimattiin erityiseen pidikkeeseen ja puristettiin ultrananokiteisen timantin alustaa vasten (3А).
Kuva #3
Tiedemiehet huomauttavat, että heidän versionsa kulumistestistä on päinvastainen kuin mitä yleensä tehdään, kun timanttikärki painetaan tutkittavan materiaalin alustaan. Kulutustestimetodologian muutokset mahdollistavat mikrorakenteiden ja hampaiden komponenttien ominaisuuksien paremman ymmärtämisen.
Kuten kuvista näkyy, kun kriittinen kuormitus saavutetaan, alkaa muodostua lastuja. On syytä ottaa huomioon, että Aristotelian lyhdyn "pureman" voima merisiileissä vaihtelee lajista riippuen 1 - 50 newtonia. Testissä käytettiin voimaa sadoista mikronewtoneista 1 newtoniin, ts. 1 - 5 newtonia koko aristotelilaisen lyhdyn osalta (koska hampaita on viisi).
Kuvassa 3B(i) pieniä hiukkasia (punainen nuoli) on näkyvissä, jotka muodostuvat kivialueen kulumisen seurauksena. Kun kivialue kuluu ja supistuu, halkeamia levyjen välisissä rajapinnoissa voi syntyä ja levitä puristus-leikkauskuormituksen ja jännityksen muodostumisen seurauksena kalsiittilevyjen alueella. Tilannekuvat 3B(ii) и 3B(iii) näytä paikat, joista sirpaleet irtosivat.
Vertailun vuoksi suoritettiin kahdenlaisia kulumiskokeita: myötörajaa vastaavalla vakiokuormalla (WCL) ja myötörajaa vastaavalla vakiokuormituksella (WCS). Tuloksena saatiin kaksi hampaiden kulumisen muunnelmaa.
Kulutustestivideo:
Vaihe I
Vaihe II
Vaihe III
Vaihe IV
WCL-testissä jatkuvalla kuormituksella havaittiin alueen puristuminen, mutta levyissä ei havaittu lohkeilua tai muita vaurioita (4A). Mutta WCS-testissä, kun normaalivoimaa nostettiin nimellisen kosketusjännitteen pitämiseksi vakiona, havaittiin lohkeilemista ja levyjen putoamista (4V).
Kuva #4
Nämä havainnot vahvistavat käyrä (4S) puristusalueen ja sirpaloitujen levyjen tilavuuden mittaukset liukupituudesta riippuen (näyte timantin päällä testin aikana).
Tämä kaavio osoittaa myös, että WCL:n tapauksessa siruja ei muodostu, vaikka liukuetäisyys olisi suurempi kuin WCS:n tapauksessa. Puristettujen ja lohkeiden levyjen tarkastus 4V avulla voit ymmärtää paremmin merisiilin hampaiden itsestään teroittumisen mekanismia.
Kiven puristetun alueen pinta-ala kasvaa levyn katketessa, jolloin osa puristettua aluetta poistetaan [4B(iii-v)]. Mikrorakenneominaisuudet, kuten kiven ja laattojen välinen sidos, helpottavat tätä prosessia. Mikroskooppi on osoittanut, että hammaskiven kuidut ovat taipuneet ja tunkeutuvat hampaan kuperan osan levykerrosten läpi.
Kaaviossa 4S lohkeaman alueen tilavuus hyppää, kun uusi levy irrotetaan hampaasta. On uteliasta, että samalla hetkellä litteän alueen leveys pienenee jyrkästi (4D), joka osoittaa itseteroittumisprosessin.
Yksinkertaisesti sanottuna nämä kokeet ovat osoittaneet, että samalla kun säilytetään vakiona normaali (ei kriittinen) kuormitus kulutustestien aikana, kärki tulee tylsäksi, kun taas hammas pysyy terävänä. Osoittautuu, että siilien hampaat teroitetaan käytön aikana, jos kuormitus ei ylitä kriittistä, muuten voi tapahtua vaurioita (lastuja), eikä teroitusta.
Kuva #5
Hampaiden mikrorakenteiden roolin, niiden ominaisuuksien ja osuuden itseteroittumismekanismissa ymmärtämiseksi suoritettiin kulumisprosessin epälineaarinen elementtianalyysi (5А). Tätä varten käytettiin kuvia hampaan kärjen pitkittäisleikkauksesta, joka toimi pohjana kaksiulotteiselle mallille, joka koostui kivestä, levyistä, kölistä sekä levyjen ja kiven välisistä liitännöistä.
Изображения 5B-5H ovat Mises-kriteerin (plastisuuskriteeri) ääriviivapiirroksia kivi- ja laatta-alueen reunalla. Kun hammasta puristetaan, hammaskivi käy läpi suuria viskoplastisia muodonmuutoksia, kerää vaurioita ja kutistuu ("litistyy").5B и 5C). Jatkuva puristus saa aikaan kiveen leikkausnauhan, johon suurin osa plastisista muodonmuutoksista ja vaurioista kerääntyy, repien osan kivestä irti ja saattamalla sen suoraan kosketukseen alustan kanssa (5D). Tällainen kiven sirpaloituminen tässä mallissa vastaa kokeellisia havaintoja (halkeamat fragmentit päällä 3B(i)). Puristus johtaa myös levyjen väliseen delaminaatioon, kun rajapintaelementteihin kohdistuu sekakuormitusta, mikä johtaa dekoheesioon (kuoriutumiseen). Kosketuspinnan kasvaessa kosketusjännitykset kasvavat, mikä aiheuttaa halkeaman syntymisen ja leviämisen rajapinnassa (5B-5E). Levyjen välisen tarttuvuuden menetys vahvistaa taittumista, mikä aiheuttaa ulkolevyn irtoamisen.
Naarmuuntuminen pahentaa rajapintavaurioita, jotka johtavat levyn poistamiseen, kun levy(t) halkeilevat (jossa halkeamat poikkeavat rajapinnasta ja tunkeutuvat levyyn, 5G). Prosessin jatkuessa levyn palaset irtoavat hampaan kärjestä (5H).
On uteliasta, että simulaatio ennustaa erittäin tarkasti halkeilua sekä kivi- että levyalueella, jonka tutkijat ovat jo havainneet havaintojen aikana (3B и 5I).
Jos haluat tutustua tarkemmin tutkimuksen vivahteisiin, suosittelen katsomaan и hänelle.
Epilogi
Tämä työ vahvisti jälleen kerran, että evoluutio ei kovinkaan tukenut ihmisen hampaita. Vakavasti, tutkimuksessaan tutkijat pystyivät tutkimaan yksityiskohtaisesti ja selittämään merisiilien hampaiden itseteroittumismekanismia, joka perustuu hampaan epätavalliseen rakenteeseen ja sen oikeaan kuormitukseen. Siilin hampaat peittävät levyt irtoavat tietyllä kuormituksella, jolloin hammas pysyy terävänä. Mutta tämä ei tarkoita, että merisiilit voisivat murskata kiviä, koska kriittisten kuormitusarvojen saavuttaessa hampaisiin muodostuu halkeamia ja lastuja. Osoittautuu, että periaate "voimaa on, mieltä ei tarvita" ei varmasti tuo mitään hyötyä.
Voidaan ajatella, että syvänmeren asukkaiden hampaiden tutkiminen ei tuota ihmiselle mitään hyötyä, paitsi tyydyttämättömän inhimillisen uteliaisuuden tyydyttämisen. Tämän tutkimuksen aikana saadut tiedot voivat kuitenkin toimia perustana uudentyyppisten materiaalien luomiselle, joilla on siilin hampaiden kaltaiset ominaisuudet - kulutuskestävyys, itseteroittuvuus materiaalitasolla ilman ulkopuolista apua ja kestävyys.
Oli miten oli, luonnossa on monia salaisuuksia, joita meidän on vielä paljastamatta. Onko niistä apua? Ehkä kyllä, ehkä ei. Mutta joskus, jopa monimutkaisimmassa tutkimuksessa, toisinaan kohde ei ole tärkeintä, vaan itse matka.
Perjantain off-top:
Vedenalaiset jättimäiset levämetsät toimivat merisiilien ja muiden epätavallisten valtamerten asukkaiden kokoontumispaikkana. (BBC Earth, ääni - David Attenborough).
Kiitos katsomisesta, pysykää utelias ja hyvää viikonloppua kaikille! 🙂
Kiitos, että pysyt kanssamme. Pidätkö artikkeleistamme? Haluatko nähdä mielenkiintoisempaa sisältöä? Tue meitä tekemällä tilauksen tai suosittelemalla ystäville, 30 %:n alennus Habr-käyttäjille ainutlaatuisesta lähtötason palvelimien analogista, jonka me keksimme sinulle: (saatavana RAID1:n ja RAID10:n kanssa, jopa 24 ydintä ja jopa 40 Gt DDR4-muistia).
Dell R730xd 2 kertaa halvempi? Vain täällä Alankomaissa! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - alkaen 99 dollaria! Lukea
Lähde: will.com