Prate oer tosken yn minsken wurdt meast ferbûn mei cariës, beugels en sadisten yn wite jassen dy't allinnich dreame fan it meitsjen fan kralen út dyn tosken. Mar grappen oan 'e kant, want sûnder toskedokters en fêststelde regels foar mûnlinge hygiëne soene wy allinnich crushed ierappels en sop troch in strie ite. En alles is de skuld foar evolúsje, dy't ús fier fan 'e meast duorsume tosken joech, dy't noch net regenerearje, wat wierskynlik de fertsjintwurdigers fan' e toskedokter ûnbeskriuwlik behaagt. As wy prate oer de tosken fan fertsjintwurdigers fan it wyld, dan komme daliks majestueuze liuwen, bloeddorstige haaien en ekstreem positive hyena's. Nettsjinsteande de krêft en sterkte fan har kaken binne har tosken lykwols net sa geweldich as dy fan see-egels. Ja, dizze bal fan naalden ûnder wetter, stapt dêr't jo in grut part fan jo fekânsje kinne ferneatigje, hat frij goede tosken. Fansels binne d'r net folle, mar fiif, mar se binne unyk op har eigen manier en kinne harsels skerperje. Hoe hawwe wittenskippers sa'n funksje identifisearre, hoe giet dit proses krekt troch en hoe kin it minsken helpe? Dat leare wy út it rapport fan de ûndersyksgroep. Gean.
Undersyk basis
Alderearst is it wurdich om de haadpersoan fan 'e stúdzje te kennen - Strongylocentrotus fragilis, yn minsklike termen, mei in rôze see-egel. Dit soarte fan see-egels is net hiel oars fan syn oare tsjinhingers, mei útsûndering fan in mear flakke foarm by de peallen en in glamoureuze kleur. Se libje frij djip (fan 100 m oant 1 km), en se groeie oant 10 sm yn diameter.
It "skelet" fan in see-egel, dat fiif-ray symmetry sjen lit.
See-egels binne, hoe grof it ek klinke, goed en ferkeard. De eardere hawwe in hast perfekt rûne lichemsfoarm mei útsprutsen fiif-beam symmetry, wylst de lêste binne mear asymmetrysk.
It earste ding dat jo each falt as jo in see-egel sjogge, is syn quills dy't it hiele lichem bedekke. Yn ferskate soarten kinne de needles wêze fan 2 mm oant 30 sm. Neist de needles hat it lichem spheridia (organen fan lykwicht) en pedicellaria (prosessen dy't lykje op pincet).
Alle fiif tosken binne dúdlik sichtber yn it sintrum.
Om in see-egel te ferbyldzjen, moatte jo earst op 'e kop stean, om't de mûle iepening leit oan' e ûnderkant fan it lichem, mar de oare gatten binne op 'e boppekant. De mûle fan see-egels is foarsjoen fan in kauwapparaat mei in prachtige wittenskiplike namme "Aristoteles's lantearn" (it wie Aristoteles dy't dit oargel earst beskreau en it yn foarm fergelike mei in antike draachbere lantearne). Dit oargel is foarsjoen fan fiif kaken, dy't elk einigje yn in skerpe tosk (de Aristotelyske lantearne fan 'e ûndersochte rôze egel is te sjen yn foto 1C hjirûnder).
Der is in oanname dat de duorsumens fan 'e tosken fan see-egels garandearre wurdt troch har konstante skerpjen, dy't bart troch it stadichoan ferneatigjen fan de mineralisearre toskplaten om de skerpte fan it distale oerflak te behâlden.
Mar hoe ferrint dit proses krekt, hokker tosken moatte skerpe wurde en hokker net, en hoe wurdt dit wichtige beslút nommen? Wittenskippers hawwe besocht om antwurden te finen op dizze fragen.
Undersyksresultaten
Ofbylding #1
Foardat it iepenbierjen fan de dentale geheimen fan see-egels, beskôgje de struktuer fan har tosken yn it algemien.
Op de foto's 1A-1C de held fan 'e stúdzje wurdt toand - in rôze see-egel. Lykas oare see-egels, fertsjintwurdigers fan dizze soarte krije har minerale komponinten út seewetter. Under de skeletale eleminten binne de tosken tige mineralisearre (troch 99%) mei magnesium-ferrike kalsyt.
Lykas wy earder besprutsen, brûke egels har tosken om iten te skrabjen. Mar boppedat grave se mei help fan har tosken gatten foar harsels, dêr't se har ferbergje foar rôfdieren of min waar. Mei it each op dit ûngewoane gebrûk fan tosken, de lêste moat wêze ekstreem sterk en skerp.
Op it byld 1D microcomputed tomography fan in segmint fan in hiele tosk wurdt toand, wêrtroch't dúdlik dat de tosk wurdt foarme lâns in elliptyske kromme mei in T-foarmige dwerstrochsneed.
Dwerstrochsneed fan 'e tosk (1E) lit sjen dat de tosk is gearstald út trije strukturele regio's: primêre laminae, calculus regio, en sekundêre lamellae. It stiennen gebiet bestiet út fezels fan lytse diameter, omjûn troch in organyske shell. De fezels binne ynsletten yn in polykristalline matrix dy't bestiet út magnesium-rike calcite dieltsjes. De diameter fan dizze dieltsjes is sa'n 10-20 nm. De ûndersikers merken op dat de konsintraasje fan magnesium net unifoarm yn 'e tosk is en tichter by har ein tanimt, wat har ferhege wearbestindich en hurdens leveret.
Longitudinale seksje (1F) fan 'e calculus fan' e tosk toant de ferneatiging fan 'e fezels, lykas de skieding, dy't bart troch delaminaasje op' e ynterface tusken de fezels en de organyske shell.
Primêre veneers binne meastentiids gearstald út calcite single kristallen en lizze op it konvex oerflak fan 'e tosk, wylst sekundêre veneers folje it konkave oerflak.
Ofbylde 1G men kin in rige bûgde primêre platen sjen dy't parallel oan elkoar lizze. De ôfbylding toant ek fezels en in polykristalline matrix dy't de romte tusken de platen foltôget. kiel (1H) foarmet de basis fan 'e dwerse T-seksje en fergruttet de bûgstiffens fan' e tosk.
Om't wy witte hokker struktuer de tosk fan 'e rôze see-egel hat, moatte wy no de meganyske eigenskippen fan har komponinten útfine. Dêrfoar waarden kompresjetests útfierd mei in skennende elektroanenmikroskoop en de metoade nano-ynspringing*. Samples snije lâns de longitudinale en transversale oriïntaasjes fan 'e tosk diene mei oan nanomechanyske tests.
Nano-ynspringing* - kontrôle fan it materiaal troch de metoade fan ynspringen yn it oerflak fan 'e stekproef fan in spesjale ark - de indenter.
Data-analyze liet sjen dat de gemiddelde Young's modulus (E) en hurdens (H) by de toskpunt yn 'e longitudinale en transversale rjochtingen binne: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (longitudinaal) en ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (dwers).
Young's modulus* - in fysike kwantiteit dy't it fermogen fan in materiaal beskriuwt om spanning en kompresje te wjerstean.
hurdens* - it eigendom fan it materiaal om de yntroduksje fan in fêster lichem te wjerstean (ynspring).
Dêrnjonken waarden útsparrings yn 'e lingterjochting makke mei in syklyske ekstra lading om in model fan duktile skea te meitsjen foar it stiennen gebiet. Op 2A de load-ferpleatsingskromme wurdt werjûn.
Ofbylding #2
De modulus foar elke syklus waard berekkene op basis fan 'e Oliver-Farr-metoade mei help fan lossingsgegevens. De ynspringsyklusen lieten in monotone fermindering fan modulus sjen mei tanimmende ynspringdjipte (2B). Sa'n efterútgong fan stivens wurdt ferklearre troch de accumulation fan skea (2C) as gefolch fan ûnomkearbere deformation. It is opmerklik dat de ûntwikkeling fan 'e tredde bart om' e fezels, en net troch har.
De meganyske eigenskippen fan 'e toskkomponinten waarden ek beoardiele mei quasi-statyske mikropillar kompresje eksperiminten. In rjochte ionbeam waard brûkt om pylders fan mikrometergrutte te meitsjen. Om de sterkte fan 'e ferbining tusken de primêre platen oan' e konvexe kant fan 'e tosk te beoardieljen, waarden mikropylders makke mei in skuorre oriïntaasje relatyf oan' e normale ynterface tusken de platen (2D). Ofbylde 2E in mikrokolom mei in oanstriid ynterface wurdt werjûn. En op 'e kaart 2F de resultaten fan skuorspanningsmjitting wurde werjûn.
Wittenskippers notearje in nijsgjirrich feit - de mjitten elastisiteitsmodulus is hast de helte fan dy fan ynspringtests. Dizze diskrepânsje tusken yndruk- en kompresjetests wurdt ek opmurken foar tandglazuur. Op it stuit binne d'r ferskate teoryen dy't dizze diskrepânsje ferklearje (fan miljeu-ynfloeden tidens testen oant fersmoarging fan samples), mar d'r is gjin dúdlik antwurd op 'e fraach wêrom't de diskrepânsje foarkomt.
De folgjende stap yn 'e stúdzje fan see-egels tosken wie wear tests útfierd mei help fan in skennen elektroanenmikroskoop. De tosk waard oan in spesjale holder lijm en tsjin in substraat fan ultrananokristallijn diamant (3A).
Ofbylding #3
De wittenskippers merken op dat har ferzje fan 'e weartest it tsjinoerstelde is fan wat normaal wurdt dien as in diamantpunt yn in substraat fan it materiaal ûnder stúdzje wurdt yndrukt. Feroaringen yn 'e weartestmetodology kinne in better begryp meitsje fan' e eigenskippen fan mikrostruktueren en toskenkomponinten.
As wy kinne sjen yn 'e foto, as de krityske lading wurdt berikt, begjinne chips te foarmjen. It is it wurdich te beskôgjen dat de krêft fan 'e "byt" fan' e Aristotelyske lantearne yn see-egels fariearret ôfhinklik fan 'e soarte fan 1 oant 50 newton. Yn de test waard in krêft fan hûnderten mikronewton oant 1 newton tapast, d.w.s. fan 1 oant 5 newton foar de hiele Aristotelyske lantearne (omdat der fiif tosken binne).
Ofbylde 3B(i) lytse dieltsjes (reade pylk) binne sichtber, foarme as gefolch fan wear fan 'e stien gebiet. As it stiennen gebiet slijt en kontraktearret, kinne barsten op 'e ynterfaces tusken de platen ûntsteane en fermannichfâldigje fanwege kompresje-skuorladen en spanningsopbou yn' t gebiet fan 'e kalsytplaten. Snapshots 3B(ii) и 3B(iii) lit de plakken sjen wêr't de fragminten ôfbrutsen binne.
Foar ferliking waarden twa soarten wear-eksperiminten útfierd: mei in konstante lading dy't oerienkomt mei it begjin fan opbringst (WCL) en mei in konstante lading dy't oerienkomt mei de opbringststerkte (WCS). As gefolch waarden twa farianten fan toskwearden krigen.
Wear test fideo:
Fase I
Fase II
Fase III
Fase IV
Yn it gefal fan in konstante load yn 'e WCL-test waard kompresje fan it gebiet waarnommen, lykwols waard gjin chipping of oare skea oan' e platen opmurken (4A). Mar yn 'e WCS-test, doe't de normale krêft waard ferhege om de nominale kontaktspanning konstant te hâlden, waarden chipping en útfallen fan' e platen waarnommen (4B).
Ofbylding #4
Dizze observaasjes wurde befêstige troch it plot (4C) mjittingen fan it kompresjegebiet en it folume fan chipped platen ôfhinklik fan 'e sliding lingte (monster oer diamant tidens de test).
Dizze grafyk lit ek sjen dat yn it gefal fan WCL gjin chips wurde foarme sels as de sliding ôfstân is grutter as yn it gefal fan WCS. Ynspeksje fan gearparse en chipped platen foar 4B kinne jo better begripe it meganisme fan sels-sharpening see-egels tosken.
It gebiet fan it komprimearre gebiet fan 'e stien nimt ta as de plaat ôfbrekt, wêrtroch't in part fan it komprimearre gebiet wurdt fuortsmiten [4B(iii-v)]. Mikrostrukturele funksjes lykas de bân tusken stien en platen fasilitearje dit proses. Mikroskopy hat útwiisd dat de fezels yn 'e rekken bûgd binne en troch de lagen fan platen yn it konvex diel fan' e tosk penetrearje.
Op de kaart 4C der is in sprong yn it folume fan it chipped gebiet as de nije plaat wurdt losmakke fan 'e tosk. It is nijsgjirrich dat op itselde momint in skerpe ôfnimming is yn 'e breedte fan' e oblate regio (4D), wat it proses fan selsskerpjen oanjout.
Simpelwei hawwe dizze eksperiminten sjen litten dat by it behâld fan in konstante normale (net krityske) lading by weartests, de tip stomp wurdt, wylst de tosk skerp bliuwt. It docht bliken dat de tosken fan egels wurde skerpe tidens gebrûk, as de lading net grutter is as de krityske, oars kin skea (chips) foarkomme, en net skerpe.
Ofbylding #5
Om de rol fan toskmikrostruktueren, har eigenskippen en har bydrage oan it selsskerpende meganisme te begripen, waard in net-lineêre finite elemint analyze fan it wearproses útfierd (5A). Om dit te dwaan waarden ôfbyldings brûkt fan in longitudinale seksje fan 'e toskpunt, dy't as basis tsjinne foar in twadiminsjonaal model besteande út stien, platen, kiel en ynterfaces tusken platen en stien.
Ofbyldings 5B-5H binne kontoeren plots fan it Mises kritearium (plasticity kritearium) oan de râne fan de stien en slab gebiet. As in tosk komprimearre wurdt, ûndergiet de kalkulus grutte viskoplastyske deformaasjes, accumulearret skea en krimpt ("flakt") (5B и 5C). Fierdere kompresje feroarsake in skuorbân yn 'e stien, wêr't de measte plastyske ferfoarming en skea accumulearret, in diel fan' e stien ôfskuorre, en it yn direkt kontakt bringt mei it substraat (5D). Sa'n fragmintaasje fan 'e stien yn dit model komt oerien mei eksperimintele waarnimmings (spjalte fragminten op 3B(i)). Kompresje resulteart ek yn delaminaasje tusken de platen, om't de ynterface-eleminten ûnderwurpen wurde oan mingde laden, wat resulteart yn dekohesion (peeling). As it kontaktgebiet ferheget, ferheegje de kontaktspanningen, wêrtroch't de inisjaasje en propagaasje fan in barst by de ynterface (5B-5E). Ferlies fan adhesion tusken de platen fersterket de kink, wêrtroch't de bûtenste plaat loskomt.
Krassen fergruttet skea oan 'e ynterface, wat resulteart yn plaatferwidering as de plaat (s) spjalting ûndergiet (wêr't skuorren ôfwike fan' e ynterface en troch de plaat trochkringe, 5G). As it proses trochgiet, wurde de fragminten fan 'e plaat losmakke fan' e tip fan 'e tosk (5H).
It is nijsgjirrich dat de simulaasje hiel sekuer foarsizze chipping yn sawol de stien en plaat regio, dy't wittenskippers hawwe al opmurken tidens observaasjes (3B и 5I).
Foar in mear detaillearre kunde mei de nuânses fan 'e stúdzje, advisearje ik om te sjen и Oan him.
Epilogue
Dit wurk befêstige nochris dat evolúsje net heul stypjende fan minsklike tosken. Serieus, yn harren stúdzje, wittenskippers wienen by steat om te ûndersiikjen yn detail en ferklearje it meganisme fan sels-sharpening tosken fan see-egels, dat is basearre op de ûngewoane struktuer fan 'e tosk en de krekte lading derop. De platen dy't de egeltosk bedekke, skilje ûnder in bepaalde lading ôf, wêrtroch jo de tosk skerp hâlde kinne. Mar dit betsjuttet net dat see-egels stiennen kinne ferpletterje, want as krityske load-yndikatoaren wurde berikt, foarmje skuorren en chips op 'e tosken. It docht bliken dat it prinsipe "d'r is macht, gjin geast is nedich" wis net bringe gjin foardiel.
Men soe tinke kinne dat de stúdzje fan 'e tosken fan 'e bewenners fan 'e djippe see gjin foardiel foar de minske bringt, útsein foar de befrediging fan' e ûnfoldwaande minsklike nijsgjirrigens. Lykwols, de kennis opdien tidens dizze stúdzje kin tsjinje as basis foar it meitsjen fan nije soarten materialen dy't sil hawwe eigenskippen fergelykber mei de tosken fan egels - wear ferset, sels-sharpening op materiaal nivo sûnder eksterne help, en duorsumens.
Hoe dan ek, de natuer hat in protte geheimen dy't wy noch moatte iepenbierje. Sille se nuttich wêze? Miskien ja, miskien net. Mar soms, sels yn it meast komplekse ûndersyk, soms is it net de bestimming, mar de reis sels.
Freed off-top:
Underwater bosken fan gigantyske algen tsjinje as sammelplak foar see-egels en oare ûngewoane oseaanbewenners. (BBC Earth, voice-over - David Attenborough).
Tank foar it sjen, bliuw nijsgjirrich en in geweldich wykein allegear! 🙂
Tankewol foar it bliuwen by ús. Hâld jo fan ús artikels? Wolle jo mear ynteressante ynhâld sjen? Stypje ús troch in bestelling te pleatsen of oan te befeljen oan freonen, 30% koarting foar Habr-brûkers op in unike analoog fan servers op yngongsnivo, dy't troch ús foar jo útfûn is: (beskikber mei RAID1 en RAID10, oant 24 kearnen en oant 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kear goedkeaper? Allinne hjir yn Nederlân! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fan $99! Lêze oer
Boarne: www.habr.com