Parler de dents chez les gens est le plus souvent associé aux caries, aux appareils dentaires et aux sadiques en blouse blanche qui ne rêvent que de faire des perles avec leurs dents. Mais blague à part, car sans dentistes et règles d'hygiène bucco-dentaire établies, on ne mangerait que des pommes de terre écrasées et de la soupe à la paille. Et tout est à blâmer pour l'évolution, qui nous a donné des dents loin d'être les plus durables, qui ne se régénèrent toujours pas, ce qui plaît probablement indescriptiblement aux représentants de l'industrie dentaire. Si nous parlons des dents de représentants de la nature, des lions majestueux, des requins assoiffés de sang et des hyènes extrêmement positives viennent immédiatement à l'esprit. Cependant, malgré la puissance et la force de leurs mâchoires, leurs dents ne sont pas aussi étonnantes que celles des oursins. Oui, cette boule d'aiguilles sous l'eau, sur laquelle vous pouvez gâcher une bonne partie de vos vacances, a de bonnes dents. Bien sûr, ils ne sont pas nombreux, seulement cinq, mais ils sont uniques à leur manière et sont capables de s'aiguiser. Comment les scientifiques ont-ils identifié une telle caractéristique, comment ce processus se déroule-t-il exactement et comment peut-il aider les gens ? Nous l'apprenons dans le rapport du groupe de recherche. Aller.
Base de recherche
Tout d'abord, il convient de connaître le personnage principal de l'étude - Strongylocentrotus fragilis, en termes humains, avec un oursin rose. Ce type d'oursin n'est pas très différent de ses autres homologues, à l'exception d'une forme plus aplatie aux pôles et d'une couleur glamour. Ils vivent assez profondément (de 100 m à 1 km) et mesurent jusqu'à 10 cm de diamètre.
Le "squelette" d'un oursin, qui présente une symétrie à cinq rayons.
Les oursins sont, aussi grossiers que cela puisse paraître, bons et mauvais. Les premiers ont une forme de corps presque parfaitement ronde avec une symétrie prononcée à cinq faisceaux, tandis que les seconds sont plus asymétriques.
La première chose qui attire votre attention lorsque vous voyez un oursin, ce sont ses piquants qui recouvrent tout le corps. Chez différentes espèces, les aiguilles peuvent mesurer de 2 mm à 30 cm.En plus des aiguilles, le corps possède des sphéridies (organes de l'équilibre) et des pédicellaires (processus ressemblant à des forceps).
Les cinq dents sont clairement visibles au centre.
Pour représenter un oursin, vous devez d'abord vous tenir à l'envers, car l'ouverture de sa bouche est située sur la partie inférieure du corps, mais les autres trous sont sur la partie supérieure. La bouche des oursins est équipée d'un appareil à mâcher avec un beau nom scientifique "lanterne d'Aristote" (c'est Aristote qui a décrit cet organe le premier et l'a comparé en forme avec une lanterne portative antique). Cet organe est équipé de cinq mâchoires, chacune se terminant par une dent pointue (la lanterne aristotélicienne du hérisson rose étudié est représentée sur l'image 1C ci-dessous).
On suppose que la durabilité des dents des oursins est assurée par leur affûtage constant, qui se produit par la destruction progressive des plaques dentaires minéralisées pour maintenir la netteté de la surface distale.
Mais comment se déroule exactement ce processus, quelles dents doivent être affûtées et lesquelles ne doivent pas l'être, et comment cette décision importante est-elle prise ? Les scientifiques ont tenté de trouver des réponses à ces questions.
Résultats de l'étude
Image #1
Avant de révéler les secrets dentaires des oursins, considérons la structure de leurs dents en général.
Sur les photos 1А-1S le héros de l'étude est montré - un oursin rose. Comme les autres oursins, les représentants de cette espèce tirent leurs composants minéraux de l'eau de mer. Parmi les éléments squelettiques, les dents sont fortement minéralisées (à 99%) avec de la calcite enrichie en magnésium.
Comme nous en avons discuté précédemment, les hérissons utilisent leurs dents pour gratter la nourriture. Mais en plus de cela, à l'aide de leurs dents, ils se creusent des trous dans lesquels ils se cachent des prédateurs ou des intempéries. Compte tenu de cette utilisation inhabituelle des dents, ces dernières doivent être extrêmement solides et tranchantes.
Sur l'image 1D La tomographie micro-informatique d'un segment d'une dent entière est montrée, indiquant clairement que la dent est formée le long d'une courbe elliptique avec une section transversale en forme de T.
Coupe transversale de la dent (1E) montre que la dent est composée de trois régions structurelles : les lamelles primaires, la région du tartre et les lamelles secondaires. La zone de pierre est constituée de fibres de petit diamètre, entourées d'une coque organique. Les fibres sont enfermées dans une matrice polycristalline composée de particules de calcite riches en magnésium. Le diamètre de ces particules est d'environ 10-20 nm. Les chercheurs notent que la concentration de magnésium n'est pas uniforme dans toute la dent et augmente plus près de son extrémité, ce qui lui confère une résistance à l'usure et une dureté accrues.
Section longitudinale (1F) du tartre de la dent montre la destruction des fibres, ainsi que la séparation, qui se produit en raison du délaminage à l'interface entre les fibres et la coque organique.
Les facettes primaires sont généralement composées de monocristaux de calcite et sont situées sur la surface convexe de la dent, tandis que les facettes secondaires remplissent la surface concave.
Dans la photo 1G on peut voir un réseau de plaques primaires courbes parallèles les unes aux autres. L'image montre également des fibres et une matrice polycristalline remplissant l'espace entre les plaques. Quille (1H) forme la base de la section transversale en T et augmente la rigidité en flexion de la dent.
Puisque nous connaissons la structure de la dent de l'oursin rose, nous devons maintenant connaître les propriétés mécaniques de ses composants. Pour cela, des essais de compression ont été réalisés à l'aide d'un microscope électronique à balayage et de la méthode nanoindentation*. Des échantillons coupés le long des orientations longitudinale et transversale de la dent ont participé à des tests nanomécaniques.
Nanoindentation* — vérification du matériau par la méthode d'indentation dans la surface de l'échantillon d'un outil spécial — le pénétrateur.
L'analyse des données a montré que le module de Young (E) et la dureté (H) moyens 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'Young* - une grandeur physique qui décrit la capacité d'un matériau à résister à la traction et à la compression.
Dureté* - la propriété du matériau à résister à l'introduction d'un corps plus solide (indenteur).
De plus, des évidements ont été réalisés dans le sens longitudinal avec une charge supplémentaire cyclique pour créer un modèle d'endommagement ductile pour la zone de pierre. Sur 2А la courbe charge-déplacement est affichée.
Image #2
Le module pour chaque cycle a été calculé sur la base de la méthode d'Oliver-Farr en utilisant les données de déchargement. Les cycles d'indentation ont montré une diminution monotone du module avec l'augmentation de la profondeur d'indentation (2V). Une telle dégradation de la rigidité s'explique par l'accumulation de dommages (2C) à la suite d'une déformation irréversible. Il est à noter que le développement du troisième se produit autour des fibres et non à travers elles.
Les propriétés mécaniques des constituants de la dent ont également été évaluées à l'aide d'expériences de compression quasi-statique de micropiliers. Un faisceau d'ions focalisé a été utilisé pour fabriquer des piliers de taille micrométrique. Pour évaluer la force de la connexion entre les plaques primaires du côté convexe de la dent, des micropiliers ont été fabriqués avec une orientation oblique par rapport à l'interface normale entre les plaques (2D). Sur la photo 2E une microcolonne avec une interface inclinée est représentée. Et sur le graphique 2F les résultats de la mesure de la contrainte de cisaillement sont affichés.
Les scientifiques notent un fait intéressant - le module d'élasticité mesuré est presque la moitié de celui des tests d'indentation. Cet écart entre les tests d'indentation et de compression est également noté pour l'émail des dents. À l'heure actuelle, il existe plusieurs théories expliquant cet écart (des influences environnementales lors des tests à la contamination des échantillons), mais il n'y a pas de réponse claire à la question de savoir pourquoi l'écart se produit.
L'étape suivante dans l'étude des dents de l'oursin a consisté en des tests d'usure réalisés à l'aide d'un microscope électronique à balayage. La dent a été collée sur un support spécial et pressée contre un substrat de diamant ultrananocristallin (3А).
Image #3
Les scientifiques notent que leur version du test d'usure est à l'opposé de ce qui se fait habituellement lorsqu'une pointe de diamant est enfoncée dans un substrat du matériau à l'étude. Les changements dans la méthodologie des tests d'usure permettent une meilleure compréhension des propriétés des microstructures et des composants dentaires.
Comme on peut le voir sur les photos, lorsque la charge critique est atteinte, des copeaux commencent à se former. Il convient de noter que la force de la «morsure» de la lanterne aristotélicienne chez les oursins varie selon les espèces de 1 à 50 newtons. Dans le test, une force de centaines de micronewtons à 1 newton a été appliquée, c'est-à-dire de 1 à 5 newtons pour toute la lanterne aristotélicienne (puisqu'il y a cinq dents).
Dans la photo 3B(i) de petites particules (flèche rouge) sont visibles, formées à la suite de l'usure de la zone de pierre. Au fur et à mesure que la zone de pierre s'use et se contracte, des fissures aux interfaces entre les plaques peuvent apparaître et se propager en raison de la charge de compression-cisaillement et de l'accumulation de contraintes dans la zone des plaques de calcite. Instantanés 3B(ii) и 3B(iii) montrer les endroits où les fragments se sont détachés.
A titre de comparaison, deux types d'expériences d'usure ont été réalisées : à charge constante correspondant au début d'élasticité (WCL) et à charge constante correspondant à la limite d'élasticité (WCS). En conséquence, deux variantes d'usure des dents ont été obtenues.
Porter la vidéo de test :
Stade I
Stade II
Stade III
Stade IV
Dans le cas d'une charge constante dans le test WCL, une compression de la zone a été observée, cependant, aucun écaillage ou autre dommage aux plaques n'a été constaté (4A). Mais dans le test WCS, lorsque la force normale a été augmentée pour maintenir constante la tension de contact nominale, des éclats et des chutes des plaques ont été observés (4V).
Image #4
Ces observations sont confirmées par le graphique (4S) mesures de la zone de compression et du volume des plaques ébréchées en fonction de la longueur de glissement (échantillon sur diamant pendant l'essai).
Ce graphique montre également que dans le cas de WCL, aucun copeau n'est formé même si la distance de glissement est plus grande que dans le cas de WCS. Inspection des plaques comprimées et ébréchées pour 4V permet de mieux comprendre le mécanisme d'auto-affûtage des dents d'oursins.
La surface de la zone comprimée de la pierre augmente au fur et à mesure que la plaque se brise, entraînant le retrait d'une partie de la zone comprimée [4B(iii-v)]. Les caractéristiques microstructurales telles que le lien entre la pierre et les dalles facilitent ce processus. La microscopie a montré que les fibres du tartre sont pliées et pénètrent à travers les couches de plaques dans la partie convexe de la dent.
Sur le graphique 4S il y a un saut de volume de la zone ébréchée lorsque la nouvelle plaque est détachée de la dent. Il est curieux qu'au même moment il y ait une forte diminution de la largeur de la région oblate (4D), qui indique le processus d'auto-affûtage.
En termes simples, ces expériences ont montré que tout en maintenant une charge normale (non critique) constante pendant les tests d'usure, la pointe devient émoussée, tandis que la dent reste tranchante. Il s'avère que les dents des hérissons sont affûtées pendant l'utilisation, si la charge ne dépasse pas la charge critique, sinon des dommages (éclats) peuvent survenir, et non un affûtage.
Image #5
Afin de comprendre le rôle des microstructures dentaires, leurs propriétés et leur contribution au mécanisme d'auto-affûtage, une analyse par éléments finis non linéaire du processus d'usure a été réalisée (5А). Pour ce faire, des images d'une coupe longitudinale de la pointe de la dent ont été utilisées, qui ont servi de base à un modèle bidimensionnel composé de pierre, plaques, quille et interfaces entre plaques et pierre.
Изображения 5B-5H sont des tracés de contour du critère de Mises (critère de plasticité) au bord de la zone de la pierre et de la dalle. Lorsqu'une dent est comprimée, le tartre subit de grandes déformations viscoplastiques, accumule des dommages et se rétracte (« s'aplatit ») (5B и 5C). Une compression supplémentaire induit une bande de cisaillement dans la pierre, où la majeure partie de la déformation plastique et des dommages s'accumule, arrachant une partie de la pierre, la mettant en contact direct avec le substrat (5D). Cette fragmentation de la pierre dans ce modèle correspond à des observations expérimentales (fragments éclatés sur 3B(je)). La compression entraîne également une délamination entre les plaques car les éléments d'interface sont soumis à des charges mixtes entraînant une décohésion (pelage). Lorsque la surface de contact augmente, les contraintes de contact augmentent, provoquant l'amorçage et la propagation d'une fissure à l'interface (5B-5E). La perte d'adhérence entre les plaques renforce le pli, ce qui provoque le désengagement de la plaque extérieure.
Les rayures exacerbent les dommages à l'interface entraînant le retrait de la plaque lorsque la ou les plaques subissent un fendage (où les fissures s'écartent de l'interface et pénètrent dans la plaque, 5G). Au fur et à mesure du processus, les fragments de la plaque se détachent de la pointe de la dent (5H).
Il est curieux que la simulation prédise très précisément l'écaillage à la fois dans les régions de la pierre et de la plaque, ce que les scientifiques ont déjà remarqué lors d'observations (3B и 5I).
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je recommande de regarder и pour lui.
Le final
Ce travail a confirmé une fois de plus que l'évolution n'était pas très favorable aux dents humaines. Sérieusement, dans leur étude, les scientifiques ont pu examiner en détail et expliquer le mécanisme d'auto-affûtage des dents des oursins, qui repose sur la structure inhabituelle de la dent et sa charge correcte. Les plaques recouvrant la dent de hérisson se décollent sous une certaine charge, ce qui vous permet de garder la dent tranchante. Mais cela ne signifie pas que les oursins peuvent écraser des pierres, car lorsque les indicateurs de charge critiques sont atteints, des fissures et des éclats se forment sur les dents. Il s'avère que le principe "il y a du pouvoir, aucun esprit n'est nécessaire" n'apporterait certainement aucun avantage.
On pourrait penser que l'étude des dents des habitants des profondeurs marines n'apporte aucun bénéfice à l'homme, si ce n'est la satisfaction de l'insatiable curiosité humaine. Cependant, les connaissances acquises au cours de cette étude peuvent servir de base à la création de nouveaux types de matériaux qui auront des propriétés similaires aux dents des hérissons - résistance à l'usure, auto-affûtage au niveau du matériau sans aide extérieure et durabilité.
Quoi qu'il en soit, la nature recèle de nombreux secrets que nous n'avons pas encore révélés. Seront-ils utiles ? Peut-être oui, peut-être pas. Mais parfois, même dans les recherches les plus complexes, parfois ce n'est pas la destination qui compte, mais le voyage lui-même.
Vendredi off-top :
Les forêts sous-marines d'algues géantes servent de lieu de rassemblement pour les oursins et autres habitants inhabituels de l'océan. (BBC Earth, voix off - David Attenborough).
Merci d'avoir regardé, restez curieux et bon week-end à tous ! 🙂
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Source: habr.com