Falar dos dentes nas persoas asóciase máis a miúdo con carie, aparatos ortopédicos e sádicos con bata branca que só soñan con facer contas cos dentes. Pero bromas aparte, porque sen dentistas e normas de hixiene bucal establecidas, só comeriamos patacas trituradas e sopa a través dunha palla. E todo é culpable da evolución, que nos deu lonxe dos dentes máis duradeiros, que aínda non se rexeneran, o que probablemente agrada indescriptiblemente aos representantes da industria dental. Se falamos dos dentes dos representantes da natureza, inmediatamente veñen á mente os maxestosos leóns, os tiburóns sedentos de sangue e as hienas extremadamente positivas. Non obstante, a pesar do poder e da forza das súas mandíbulas, os seus dentes non son tan sorprendentes como os dos ourizos de mar. Si, esta bola de agullas debaixo da auga, que pisa a que podes estragar boa parte das túas vacacións, ten bastantes dentes. Por suposto, non son moitos, só cinco, pero son únicos ao seu xeito e son capaces de afiar. Como identificaron os científicos tal característica, como é exactamente este proceso e como pode axudar ás persoas? Diso coñecémonos co informe do grupo de investigación. Vaia.
Base de investigación
En primeiro lugar, paga a pena coñecer o personaxe principal do estudo - Strongylocentrotus fragilis, en termos humanos, cun ourizo de mar rosa. Este tipo de ourizo non é moi diferente dos seus outros homólogos, a excepción dunha forma máis aplanada nos polos e unha cor glamurosa. Viven bastante profundas (de 100 m a 1 km) e medran ata 10 cm de diámetro.
O "esqueleto" dun ourizo de mar, que mostra simetría de cinco raios.
Os ourizos de mar son, por groseiro que pareza, ben e incorrectos. Os primeiros teñen unha forma corporal case perfectamente redonda cunha pronunciada simetría de cinco feixes, mentres que os segundos son máis asimétricos.
O primeiro que chama a atención cando ves un ourizo de mar son as súas plumas que cobren todo o corpo. En diferentes especies, as agullas poden ser de 2 mm ata 30 cm.Ademais das agullas, o corpo ten esferidios (órganos de equilibrio) e pedicelaria (procesos que semellan fórceps).
Os cinco dentes son claramente visibles no centro.
Para representar un ourizo de mar, primeiro cómpre poñerse boca abaixo, xa que a súa boca está situada na parte inferior do corpo, pero os outros buratos están na parte superior. A boca dos ourizos de mar está equipada cun aparello de masticación cun fermoso nome científico "farol de Aristóteles" (foi Aristóteles quen describiu este órgano e comparouno a súa forma cunha antiga lanterna portátil). Este órgano está equipado con cinco mandíbulas, cada unha das cales remata nun dente afiado (a lanterna aristotélica do ourizo rosa investigado móstrase na imaxe 1C a continuación).
Hai unha suposición de que a durabilidade dos dentes dos ourizos de mar está asegurada polo seu constante afiado, que se produce mediante a destrución gradual das placas dentais mineralizadas para manter a nitidez da superficie distal.
Pero como se desenvolve exactamente este proceso, que dentes hai que afiar e cales non, e como se toma esta importante decisión? Os científicos intentaron atopar respostas a estas preguntas.
Resultados da investigación
Imaxe #1
Antes de revelar os segredos dentais dos ourizos de mar, considere a estrutura dos seus dentes en xeral.
Nas imaxes 1A-1S móstrase o heroe do estudo: un ourizo de mar rosa. Como outros ourizos de mar, os representantes desta especie obteñen os seus compoñentes minerais da auga do mar. Entre os elementos esqueléticos, os dentes están moi mineralizados (nun 99%) con calcita enriquecida con magnesio.
Como comentamos anteriormente, os ourizos usan os seus dentes para raspar a comida. Pero ademais disto, coa axuda dos seus dentes, fanse buratos, nos que se esconden dos depredadores ou do mal tempo. Dado este uso inusual dos dentes, estes últimos deben ser extremadamente fortes e afiados.
Na imaxe 1D Móstrase a microtomografía computarizada dun segmento dun dente enteiro, deixando claro que o dente está formado ao longo dunha curva elíptica cunha sección transversal en forma de T.
sección transversal do dente (1E) mostra que o dente está composto por tres rexións estruturais: láminas primarias, rexión de cálculo e láminas secundarias. A zona de pedra está formada por fibras de pequeno diámetro, rodeadas por unha cuncha orgánica. As fibras están encerradas nunha matriz policristalina composta de partículas de calcita ricas en magnesio. O diámetro destas partículas é duns 10-20 nm. Os investigadores sinalan que a concentración de magnesio non é uniforme en todo o dente e aumenta máis preto do seu extremo, o que proporciona unha maior resistencia ao desgaste e dureza.
Sección lonxitudinal (1F) do cálculo do dente mostra a destrución das fibras, así como a separación, que se produce debido á delaminación na interface entre as fibras e a cuncha orgánica.
As carillas primarias adoitan estar compostas por cristais sinxelos de calcita e sitúanse na superficie convexa do dente, mentres que as carillas secundarias enchen a superficie cóncava.
Na imaxe 1G pódese ver unha matriz de placas primarias curvas paralelas entre si. A imaxe tamén mostra fibras e unha matriz policristalina enchendo o espazo entre as placas. quilla (1H) forma a base da sección transversal en T e aumenta a rixidez á flexión do dente.
Xa que sabemos que estrutura ten o dente do ourizo rosa, agora temos que descubrir as propiedades mecánicas dos seus compoñentes. Para iso realizáronse probas de compresión mediante un microscopio electrónico de barrido e o método nanoindentación*. As mostras cortadas ao longo das orientacións lonxitudinais e transversal do dente participaron en probas nanomecánicas.
Nanoindentación* - comprobación do material polo método de indentación na superficie da mostra dunha ferramenta especial - o indentador.
A análise dos datos mostrou que o módulo de Young (E) e a dureza (H) medios na punta do dente nas direccións lonxitudinal e transversal son: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (lonxitudinal) e ET = 70.2 ± 7.2. GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (transversal).
módulo de Young* -Unha magnitude física que describe a capacidade dun material para resistir tensión e compresión.
Dureza* - a propiedade do material de resistir a introdución dun corpo máis sólido (indentador).
Ademais, realizáronse rebaixes en dirección lonxitudinal cunha carga adicional cíclica para crear un modelo de dano dúctil para a zona de pedra. Activado 2A móstrase a curva carga-desprazamento.
Imaxe #2
O módulo de cada ciclo calculouse a partir do método Oliver-Farr utilizando datos de descarga. Os ciclos de sangría mostraron unha diminución monótona do módulo co aumento da profundidade de sangría (2V). Tal deterioro da rixidez explícase pola acumulación de danos (2C) como resultado dunha deformación irreversible. Cabe destacar que o desenvolvemento do terceiro ocorre arredor das fibras, e non a través delas.
Tamén se avaliaron as propiedades mecánicas dos constituíntes dos dentes mediante experimentos de compresión de micropilares cuasi-estáticos. Utilizouse un feixe iónico enfocado para fabricar piares do tamaño dun micrómetro. Para avaliar a forza da conexión entre as placas primarias no lado convexo do dente, fabricáronse micropilares cunha orientación oblicua en relación á interface normal entre as placas.2D). Na imaxe 2E móstrase unha microcolumna cunha interface inclinada. E no gráfico 2F móstranse os resultados da medición da tensión cortante.
Os científicos observan un feito interesante: o módulo de elasticidade medido é case a metade do das probas de sangría. Esta discrepancia entre as probas de sangría e compresión tamén se observa no esmalte dental. Polo momento, existen varias teorías que explican esta discrepancia (desde as influencias ambientais durante as probas ata a contaminación das mostras), pero non hai unha resposta clara á pregunta de por que se produce a discrepancia.
O seguinte paso no estudo dos dentes do ourizo foron as probas de desgaste realizadas mediante un microscopio electrónico de barrido. O dente pegouse a un soporte especial e presionouse contra un substrato de diamante ultrananocristalino (3A).
Imaxe #3
Os científicos sinalan que a súa versión da proba de desgaste é a oposta do que se fai normalmente cando se presiona unha punta de diamante nun substrato do material obxecto de estudo. Os cambios na metodoloxía das probas de desgaste permiten unha mellor comprensión das propiedades das microestruturas e dos compoñentes dos dentes.
Como podemos ver nas imaxes, cando se alcanza a carga crítica comezan a formarse chips. Paga a pena ter en conta que a forza da "mordida" da lanterna aristotélica nos ourizos de mar varía segundo a especie de 1 a 50 newtons. Na proba, aplicouse unha forza de centos de micronewtons a 1 newton, é dicir. de 1 a 5 newtons para toda a lanterna aristotélica (xa que hai cinco dentes).
Na imaxe 3B(i) son visibles pequenas partículas (frecha vermella), formadas como resultado do desgaste da zona de pedra. A medida que a zona da pedra se desgasta e contrae, as gretas nas interfaces entre as placas poden orixinarse e propagarse debido á carga de cizallamento por compresión e á acumulación de tensión na zona das placas de calcita. Instantáneas 3B(ii) и 3B(iii) mostrar os lugares onde se romperon os fragmentos.
A modo de comparación, realizáronse dous tipos de experimentos de desgaste: cunha carga constante correspondente ao inicio do rendemento (WCL) e cunha carga constante correspondente ao límite de fluencia (WCS). Como resultado, obtivéronse dúas variantes de desgaste dos dentes.
Vídeo de proba de uso:
Etapa I
Fase II
Fase III
Etapa IV
No caso dunha carga constante no ensaio WCL, observouse compresión da zona, sen embargo, non se observaron aspersións nin outros danos nas placas (4A). Pero na proba WCS, cando a forza normal foi aumentada para manter constante a tensión nominal de contacto, observáronse astillados e caídas das placas (4V).
Imaxe #4
Estas observacións están confirmadas pola trama (4S) medicións da área de compresión e do volume das placas lascadas en función da lonxitude de deslizamento (mostra sobre diamante durante a proba).
Este gráfico tamén mostra que no caso de WCL non se forman chips aínda que a distancia de deslizamento sexa maior que no caso de WCS. Inspección de placas comprimidas e astiladas para 4V permítelle comprender mellor o mecanismo de autoafiado dos dentes de ourizo de mar.
A área da área comprimida da pedra aumenta a medida que a placa se rompe, o que fai que se elimine parte da área comprimida. [4B(iii-v)]. As características microestruturais como a unión entre pedra e lousas facilitan este proceso. A microscopía demostrou que as fibras do cálculo están dobradas e penetran a través das capas de placas na parte convexa do dente.
No gráfico 4S prodúcese un salto no volume da zona lascada cando a nova placa se desprende do dente. É curioso que ao mesmo momento haxa unha forte diminución do ancho da rexión oblata (4D), que indica o proceso de autoafiado.
En pocas palabras, estes experimentos demostraron que mentres se mantén unha carga normal constante (non crítica) durante as probas de desgaste, a punta vólvese roma, mentres que o dente permanece afiado. Acontece que os dentes dos ourizos afíanse durante o uso, se a carga non supera a crítica, se non, pode producirse danos (fichas) e non afiar.
Imaxe #5
Para comprender o papel das microestruturas dos dentes, as súas propiedades e a súa contribución ao mecanismo de autoafiado, realizouse unha análise non lineal de elementos finitos do proceso de desgaste (5A). Para iso utilizáronse imaxes dunha sección lonxitudinal da punta do dente, que serviron de base para un modelo bidimensional formado por pedra, placas, quilla e interfaces entre placas e pedra.
Изображения 5B-5H son trazados de contorno do criterio de Mises (criterio de plasticidade) no bordo da zona de pedra e lousa. Cando se comprime un dente, o cálculo sofre grandes deformacións viscoplásticas, acumula danos e encolle ("aplana") (5B и 5C). A compresión adicional induce unha banda de cizallamento na pedra, onde se acumula a maior parte da deformación plástica e danos, arrancando parte da pedra, poñéndoa en contacto directo co substrato.5D). Tal fragmentación da pedra neste modelo corresponde a observacións experimentais (fragmentos divididos sobre 3B(i)). A compresión tamén ten como resultado unha delaminación entre as placas xa que os elementos da interface están sometidos a cargas mixtas que producen decohesión (peeling). A medida que aumenta a área de contacto, aumentan as tensións de contacto, provocando o inicio e propagación dunha greta na interface (5B-5E). A perda de adherencia entre as placas reforza a torcedura, o que fai que a placa exterior se desenganche.
O rascado agrava o dano na interface que provoca a eliminación da placa cando a placa ou as placas se rompen (onde as gretas se desvían da interface e penetran na placa, 5G). A medida que o proceso continúa, os fragmentos da placa vanse separando da punta do dente (5H).
É curioso que a simulación prediga con moita precisión o astillamento tanto nas rexións de pedra como de placas, que os científicos xa notaron durante as observacións (3B и 5I).
Para un coñecemento máis detallado dos matices do estudo, recoméndolle ollar и a el.
Epílogo
Este traballo confirmou unha vez máis que a evolución non era moi favorable aos dentes humanos. En serio, no seu estudo, os científicos puideron examinar en detalle e explicar o mecanismo de autoafiado dos dentes dos ourizos de mar, que se basea na estrutura inusual do dente e na carga correcta sobre el. As placas que cubren o dente do ourizo decálanse baixo unha determinada carga, o que permite manter o dente afiado. Pero isto non significa que os ourizos de mar poidan esmagar pedras, porque cando se alcanzan os indicadores de carga críticos, fórmanse fendas e lascas nos dentes. Resulta que o principio "hai poder, non se necesita mente" certamente non traería ningún beneficio.
Poderíase pensar que o estudo dos dentes dos habitantes das profundidades do mar non aporta ningún beneficio ao home, salvo a satisfacción da insaciable curiosidade humana. Non obstante, o coñecemento adquirido durante este estudo pode servir de base para a creación de novos tipos de materiais que terán propiedades similares aos dentes dos ourizos: resistencia ao desgaste, autoafiado a nivel de material sen axuda externa e durabilidade.
Sexa como for, a natureza garda moitos segredos que aínda temos que revelar. Serán útiles? Quizais si, quizais non. Pero ás veces, incluso nas investigacións máis complexas, ás veces non é o destino o que importa, senón a viaxe en si.
Venres fóra de tope:
Os bosques submarinos de algas xigantes serven de lugar de reunión para ourizos de mar e outros habitantes do océano pouco comúns. (BBC Earth, voz en off - David Attenborough).
Grazas por ver, quédate con curiosidade e teñades unha boa fin de semana a todos! 🙂
Grazas por estar connosco. Gústanche os nosos artigos? Queres ver máis contido interesante? Apóyanos facendo un pedido ou recomendando a amigos, Desconto do 30 % para os usuarios de Habr nun análogo único de servidores de nivel de entrada, que inventamos nós para ti: (dispoñible con RAID1 e RAID10, ata 24 núcleos e ata 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 veces máis barato? Só aquí nos Países Baixos! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - desde $ 99! Ler sobre
Fonte: www.habr.com