Les discussions sur les dents sont souvent associées à la carie, aux appareils dentaires et aux sadistes en blouses blanches qui n'attendent qu'une chose : fabriquer des colliers avec vos dents. Mais blague à part, sans dentistes et règles d'hygiène dentaire, nous nous nourrions exclusivement de purée de pommes de terre et de soupe à la paille. Tout cela est dû à l'évolution, qui nous a dotés de dents loin d'être durables, qui en plus ne se régénèrent pas, ce qui, sans doute, ravit les représentants de l'industrie dentaire. En parlant des dents des êtres de la nature sauvage, on pense immédiatement aux majestueux lions, aux requins sanguinaires et aux hyènes très positives. Cependant, malgré la puissance et la force de leurs mâchoires, leurs dents ne sont pas aussi remarquables que celles des oursins. Oui, ce tas de piquants sous l'eau, que vous pouvez écraser et gâcher une bonne partie de vos vacances, possède de très bonnes petites dents. Bien qu'il n'y en ait que cinq, elles sont uniques et capables de se self-affûter. Comment les scientifiques ont-ils découvert cette caractéristique, comment se déroule ce processus et comment cela peut-il aider les gens ? Nous le découvrirons dans le rapport du groupe de recherche. Allons-y.
Fondement de l'étude
Tout d'abord, il convient de faire connaissance avec le héros principal de l'étude : le Strongylocentrotus fragilis, ou en d'autres termes, l'oursin rose. Cette espèce d'oursins ne diffère pas beaucoup de ses confrères, sauf pour sa forme légèrement aplatie aux pôles et sa couleur glamour. Ils habitent à des profondeurs considérables (de 100 m à 1 km) et atteignent un diamètre de 10 cm.
Le « squelette » de l'oursin, révélant la symétrie pentaradiaire.
Les oursins se divisent, aussi brut que cela puisse paraître, en réguliers et irréguliers. Les premiers ont une forme de corps pratiquement parfaitement ronde avec une symétrie pentaradiaire, tandis que les seconds sont plus asymétriques.
La première chose qui frappe lorsqu'on voit un oursin, ce sont ses épines qui recouvrent tout son corps. Selon les espèces, les épines peuvent mesurer de 2 mm jusqu'à 30 cm. En plus des épines, le corps présente des sphéridies (organes d'équilibre) et des pédicellaires (prolongements ressemblant à des pinces).
Au centre, tous les cinq dents sont clairement visibles.
Pour représenter un oursin, il faut d'abord se mettre à l'envers, car son orifice buccal est situé sur la partie inférieure de son corps, tandis que les autres ouvertures se trouvent sur le dessus. La bouche des oursins est équipée d'un appareil masticateur avec un joli nom scientifique : « lanterne d'Aristote » (c'est Aristote qui a été le premier à décrire cet organe et à le comparer à une lanterne portative antique). Cet organe est équipé de cinq mâchoires, chacune se terminant par une dent acérée (la lanterne d'Aristote de l'ourson rose examiné est montrée sur la photo 1C ci-dessous).
On suppose que la durabilité des dents des oursins est assurée par leur affûtage constant, qui se produit par une destruction progressive des plaques minéralisées de la dent pour maintenir la netteté de la surface distale.
Mais comment ce processus se déroule-t-il exactement, quelles dents doivent être aiguisées et lesquelles ne le doivent pas, et comment cette décision importante est-elle prise ? Ce sont les questions auxquelles les scientifiques ont essayé de répondre.
Résultats de l'étude
Image n°1
Avant de dévoiler les secrets dentaires des oursins, examinons la structure de leurs dents dans son ensemble.
Sur les photos 1A—1C l'héroïne de l'étude — l'ourson rose. Comme d'autres oursins, les représentants de cette espèce obtiennent leurs composants minéraux de l'eau de mer. Parmi les éléments squelettiques, les dents sont fortement minéralisées (à 99%) en calcite, enrichie en magnésium.
Comme nous l'avons déjà discuté précédemment, les oursins utilisent leurs dents pour gratter leur nourriture. Mais en plus, ils utilisent leurs dents pour creuser des terriers où ils se cachent des prédateurs ou de la mauvaise météo. Compte tenu de cette utilisation inhabituelle des dents, celles-ci doivent être extrêmement solides et acérées.
Sur l'image 1D est montrée une tomographie par ordinateur micro-composée d'un segment de dent entière, montrant que la dent est formée le long d'une courbe elliptique avec une section transversale en T.
La section transversale de la dent (1E) montre que la dent est composée de trois zones structurelles : les plaques primaires, la zone minérale et les plaques secondaires. La zone minérale est constituée de fibres de petit diamètre, entourées d'une enveloppe organique. Les fibres sont incluses dans une matrice polycristalline, composée de particules de calcite riche en magnésium. Le diamètre de ces particules est d'environ 10-20 nm. Les chercheurs notent que la concentration de magnésium est inhomogène dans toute la dent et augmente près de son extrémité, ce qui lui confère une résistance à l'usure et une dureté accrues.
La coupe longitudinale (1F) de la zone minérale de la dent montre la détérioration des fibres, ainsi que le décollement qui se produit en raison de la séparation à la frontière des fibres et de l'enveloppe organique.
Les plaques primaires sont généralement composées de monocrystaux de calcite et sont situées sur la surface convexe de la dent, tandis que les plaques secondaires remplissent la surface concave.
Sur la photo, 1G on peut voir un massif de plaques primaires courbées, posées parallèlement les unes aux autres. L'image montre également des fibres et une matrice polycristalline remplissant l'espace entre les plaques. La carène (1H) forme la base de la section transversale en T et augmente la rigidité de la dent lors de la flexion.
Puisque nous savons quelle structure possède la dent de l'oursin rose, il faut maintenant déterminer les propriétés mécaniques de ses composants. Pour cela, des tests de compression ont été réalisés à l'aide d'un microscope électronique à balayage et de la méthode de nano-indentations*. Les essais nano-mécaniques comprenaient des échantillons coupés selon les orientations longitudinale et transversale de la dent.
Nano-indentations* — vérification du matériau par enfoncement dans la surface de l'échantillon à l'aide d'un outil spécial — l'indenteur.
L'analyse des données a montré que le module d'élasticité moyen (E) et la dureté (H) à la pointe de la dent dans les directions longitudinale et transversale sont : EL = 77,3 ± 4,8 GPa, HL = 4,3 ± 0,5 GPa (longitudinal) et ET = 70,2 ± 7,2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (transversal).
Module d'élasticité* — grandeur physique décrivant la capacité d'un matériau à résister à l'étirement et à la compression.
Dureté* — propriété d'un matériau à résister à l'enfoncement d'un corps plus dur (indenteur).
De plus, des creux ont été réalisés dans le sens longitudinal avec une charge ajoutée cyclique pour créer un modèle de dommage visco-plastique pour la zone rocheuse. Sur 2A la courbe charge-déplacement est montrée.
Image n°2
Le module pour chaque cycle a été calculé selon la méthode d'Oliver-Farr en utilisant les données de décharge. Les cycles d'enfoncement ont montré une diminution monotone du module avec l'augmentation de la profondeur d'enfoncement (2B). Cette dégradation de la rigidité est expliquée par l'accumulation de dommages (2C) due à la déformation irréversible. Il est remarquable que le développement des dommages se produit autour des fibres, et non à travers elles.
Les propriétés mécaniques des composants des dents ont également été évaluées à l'aide d'expériences de compression quasi-statique de micro-piliers. Des faisceaux d'ions focalisés ont été utilisés pour fabriquer des piliers de taille micrométrique. Afin d'évaluer la résistance de la connexion entre les plaques primaires du côté convexe de la dent, des micro-piliers ont été fabriqués avec une orientation inclinée par rapport à l'interface normale entre les plaques (2D). Sur l'image 2E , un micro-pilier avec une interface inclinée est montré. Et sur le graphique 2F , les résultats de la mesure de la contrainte de cisaillement sont présentés.
Les scientifiques notent un fait intéressant : le module d'élasticité mesuré est presque deux fois inférieur à celui obtenu lors des tests d'enfoncement. Une telle incohérence entre les tests d'enfoncement et de compression est également observée pour l'émail dentaire. À ce jour, plusieurs théories expliquent cette incohérence (de l'influence de l'environnement pendant les tests à la contamination des échantillons), mais il n'existe pas encore de réponse claire à la question de savoir pourquoi cette incongruité se produit.
La prochaine étape de l'étude des dents de oursin a consisté en des tests d'usure, réalisés à l'aide d'un microscope électronique à balayage. La dent était collée sur un support spécial et pressée contre un substrat en diamant ultra-nano-cristallin (3A).
Image n°3
Les scientifiques notent que leur méthode de test d'usure est opposée à celles qui sont généralement réalisées, où la pointe en diamant est enfoncée dans le substrat du matériau étudié. Les changements dans la méthodologie du test d'usure permettent d'étudier plus en profondeur les propriétés des microstructures et des composants de la dent.
Comme nous pouvons le voir sur les images, des éclats commencent à se former lorsque la charge critique est atteinte. Il convient de noter que la force de « morsure » de la lanterne d'Aristote chez les oursins varie selon l'espèce, allant de 1 à 50 newtons. Dans le test, une force allant de centaines de micronewtons à 1 newton a été appliquée, soit de 1 à 5 newtons pour l'ensemble de la lanterne d'Aristote (car il y a cinq dents).
Sur la photo, 3B(i) de petites particules sont visibles (flèche rouge), formées en raison de l'usure de la zone de la pierre. À mesure que la zone de la pierre s'use et se comprime, des fissures aux interfaces entre les plaques peuvent apparaître et se propager en raison de la charge de compression-glissement et de l'accumulation de tensions dans la région des plaques de calcite. Les images 3B(ii) et 3B(iii) montrent les endroits où des fragments se sont détachés.
Pour la comparaison, deux types d'expériences d'usure ont été menées : avec une charge constante, correspondant au début de la fluidité (WCL), et avec une charge constante, correspondant à la limite de fluidité (WCS). En conséquence, deux types d'usure des dents ont été observés.
Vidéos des tests d'usure :
Étape I
Étape II
Étape III
Étape IV
Dans le cas d'une charge constante dans le test WCL, une compression de la zone a été observée, mais aucun éclat ou autre dommage des plaques n'a été noté (4A). En revanche, dans le test WCS, lorsque la force normale a été augmentée pour maintenir la contrainte de contact nominale constante, des éclats et le détachement de plaques ont été observés (4B).
Image n°4
Ces observations sont confirmées par le graphique (4C) mesurant la surface de compression et le volume des plaques éclatées en fonction de la longueur de glissement (échantillon sur le diamant pendant le test).
Ce graphique montre également que dans le cas de WCL, des éclats ne se forment pas même si la distance de glissement est plus grande que dans le cas de WCS. L'examen des plaques comprimées et éclatées sur 4B permet de mieux comprendre le mécanisme d'auto-affûtage des dents des oursins.
La surface de la zone comprimée de la pierre augmente à mesure que la plaque s'écaille, entraînant l'élimination d'une partie de la zone comprimée [4B (iii-v)]. Les caractéristiques microstructurales, telles que le lien entre la pierre et les plaques, facilitent ce processus. La microscopie a montré que les fibres dans la zone rocheuse se plient et pénètrent à travers les couches des plaques dans la partie convexe de la dent.
Sur le graphique 4C On peut observer un pic dans le volume de la zone ébréchée lorsque la nouvelle plaque se détache de la dent. Il est intéressant de noter qu'à ce moment précis, il y a une nette réduction de la largeur de la zone aplatie (4D), ce qui témoigne du processus d'auto-affûtage.
En d'autres termes, ces expériences ont montré que pendant le maintien d'une charge normale constante (non critique) lors des tests d'usure, la pointe s'émousse, tandis que la dent reste aiguisée. Il s'avère que les dents de hérisson s'affûtent lors de l'utilisation, tant que la charge ne dépasse pas le seuil critique, sinon des dommages (ébréchures) peuvent se former au lieu de l'affûtage.
Image n°5
Pour comprendre le rôle des microstructures de la dent, leurs propriétés et leur contribution au mécanisme d'auto-affûtage, une analyse non linéaire du processus d'usure a été effectuée par la méthode des éléments finis (5A). Pour cela, des images de la coupe longitudinale de la pointe de la dent ont été utilisées, servant de base à un modèle bidimensionnel composé de pierre, de plaques, de quille et d'interfaces entre les plaques et la pierre.
Images 5B–5H — ce sont des graphiques en contours du critère de von Mises (critère de plasticité) à la limite de la zone de pierre et de plaque. Lorsque la dent est comprimée, la pierre subit de grandes déformations viscoplastiques, accumule des dommages et se comprime (« s'aplatit ») (5B et 5C). Une compression supplémentaire entraîne une bande de glissement dans la pierre, où la majeure partie de la déformation plastique et des dommages s'accumulent, détachant une partie de la pierre, permettant un contact direct avec le substrat (5D). Cette fragmentation de la pierre dans ce modèle correspond à des observations expérimentales (fragments ébréchés sur 3B(i)). La compression entraîne également un délaminage entre les plaques, car les éléments d'interface subissent une charge mixte, entraînant une décohésion (délaminage). À mesure que la zone de contact augmente, les contraintes de contact augmentent, provoquant la genèse et la propagation d'une fissure à l'interface (5B—5E). La perte d'adhérence entre les plaques amplifie le flexion, lors duquel la plaque externe se détache.
Les rayures aggravent les dommages à l'interface, entraînant le retrait de la plaque lorsque les plaques subissent un fendillement (là où les fissures s'écartent de l'interface et pénètrent dans la plaque, 5G). Au fur et à mesure que le processus avance, des éclats de la plaque se détachent de la pointe des dents (5H).
Il est intéressant de noter que la modélisation prédit très précisément les éclats tant dans la zone des rochers que dans celle des plaques, comme l'ont déjà observé les scientifiques lors d'observations (3B et 5I).
Pour une compréhension plus approfondie des nuances de l'étude, je recommande de consulter le et à ce sujet.
Épilogue
Ce travail a de nouveau confirmé que l'évolution n'a pas été très clémente envers les dents humaines. Plus sérieusement, dans leur étude, les chercheurs ont pu examiner en détail et expliquer le mécanisme d'auto-affûtage des dents des oursins, qui repose sur une structure dentaire unique et une charge appropriée. Les plaques recouvrant les dents de l'oursin se détachent sous une certaine pression, ce qui permet de garder la dent aiguisée. Cependant, cela ne signifie pas que les oursins peuvent broyer des rochers, car lorsqu'une pression critique est atteinte sur les dents, des fissures et des éclats se forment. Cela signifie que le principe « la force est là, l'intelligence n'est pas nécessaire » n'apporterait certainement aucun avantage.
On pourrait penser que l'étude des dents des créatures des profondeurs marines n'apporte aucun bénéfice pour l'homme, sinon de satisfaire une curiosité insatiable. Cependant, les connaissances acquises lors de cette recherche pourraient servir de base à la création de nouveaux types de matériaux qui posséderaient des propriétés similaires à celles des dents des oursins — résistance à l'abrasion, auto-affûtage au niveau du matériau sans aide extérieure et durabilité.
Quoi qu'il en soit, la nature cache de nombreux secrets que nous avons encore à découvrir. Seront-ils utiles ? Peut-être oui, peut-être non. Mais parfois, même dans les recherches les plus complexes, ce n'est pas la destination qui compte, mais le voyage en lui-même.
Hors sujet du vendredi :
Les forêts sous-marines de gigantesques algues sont des lieux de rassemblement pour les oursins et d'autres habitants inhabituels des océans. (BBC Earth, voix off — David Attenborough).
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Source : habr.com
