Razgovori o zubima kod ljudi najčešće se povezuju s karijesom, bravama i sadistima u bijelim kutovima koji samo sanjaju o tome da sebi naprave ogrlicu od vaših zuba. No, da se šale ostave po strani, jer bez stomatologa i uspostavljenih pravila higijene u usnoj šupljini, hranili bismo se samo pjenastim pire krompirom i juhom kroz cijev. A za to je kriva evolucija, koja nam je dala daleko od dugotrajnih zuba koji se također ne regeneriraju, što vjerojatno neizmerno raduje predstavnike stomatološke industrije. Ako govorimo o zubima kod predstavnika divlje prirode, odmah se prisjetimo veličanstvenih lavova, krvničkih ajkula i izuzetno pozitivnih hijena. Međutim, unatoč snazi i moći njihovih čeljusti, njihovi zubi nisu toliko nevjerojatni poput zuba morskih ježeva. Da, ova gomila bodlji pod vodom, na koju ako stanete možete pokvariti velik dio odmora, ima prilično dobre zube. Imaju ih, doduše, malo, svega pet, ali su po svom jedinstveni i sposobni su se sami oštriti. Kako su znanstvenici otkrili tu posebnost, kako taj proces zapravo funkcionira i kako može pomoći ljudima? O tome ćemo saznati iz izvještaja istraživačke grupe. Idemo.
Osnova istraživanja
Prije svega, valja se pobliže upoznati s glavnim junakom istraživanja — Strongylocentrotus fragilis, ljudskim jezikom rečeno, s ružičastim morskim ježem. Ova vrsta morskih ježeva ne razlikuje se mnogo od drugih svojih srodnika, osim po ravnijem obliku na polovima i glamuroznoj boji. Žive prilično duboko (od 100 m do 1 km), a rastu do 10 cm u promjeru.
„Skelet“ morskog ježa, po kojem se vidi petokraka simetrija.
Morski ježevi mogu biti, koliko god to grubo zvučalo, pravilni i nepravilni. Prvi imaju gotovo savršeno okrugli oblik tijela s izraženom petokrakom simetrijom, dok su drugi više asimetrični.
Prvo što upada u oči pri pogledu na morskog ježa su njegove bodlje koje prekrivaju cijelo tijelo. Kod različitih vrsta bodlje mogu biti od 2 mm pa do 30 cm. Osim bodlji, na tijelu se nalaze sferidije (organi ravnoteže) i pedicelacije (izrasline koje podsjećaju na štipaljke).
U središtu su jasno vidljive sve pet zuba.
Da bi se prikazalo morsko ježe, potrebno je prvo stati na glavu, jer se usni otvor nalazi na donjem dijelu tijela, dok su ostali otvori na gornjem. Usni aparati morskih ježeva opremljeni su žvačnim aparatom s lijepim znanstvenim nazivom "Aristotelov fenjer" (upravo je Aristotel prvi opisao ovaj organ i usporedio ga oblikom s antičkim prijenosnim fenjerom). Ovaj organ ima pet čeljusti, od kojih svaka završava oštrim zubom (Aristotelov fenjer proučavanog ružičastog ježa prikazan je na slici 1C ispod).
Postoji pretpostavka da dugovječnost zuba morskih ježeva osigurava njihovo stalno oštrenje, koje se odvija putem postupnog razaranja mineraliziranih ploča zuba kako bi se održala oštrina distalnih površina.
Ali kako točno ovaj proces teče, koje zube treba oštriti, a koje ne, i kako se ova važna odluka donosi? Na ova pitanja znanstvenici su pokušavali pronaći odgovore.
Rezultati istraživanja
Slika br. 1
Prije nego što otkrijemo dentalne tajne morskih ježeva, razmotrimo strukturu njihovih zuba u cjelini.
Na slikama 1A—1C prikazan je junak istraživanja — ružičasti morski jež. Kao i drugi morski ježevi, pripadnici ove vrste dobivaju svoje mineralne komponente iz morske vode. Među skeletnim elementima, zubi su snažno mineralizirani (99%) kalcitom obogaćenim magnezijem.
Kao što smo već spomenuli, morski ježevi koriste svoje zube za struganje hrane. Osim toga, zubima kopaće sebi rupe u kojima se skrivaju od grabežljivaca ili lošeg vremena. S obzirom na takvu neobičnu primjenu, zubi moraju biti izuzetno čvrsti i oštri.
Na slici 1D prikazana je mikrokompjuterska tomografija segmenta cijelog zuba, koja pokazuje da je zub oblikovan duž eliptične krivulje s T-oblikim poprečnim presjekom.
Poprečni presjek zuba (1E) pokazuje da zub sastoji od tri strukturalne oblasti: primarnih ploča, kamenite oblasti i sekundarnih ploča. Kamenita oblast sastoji se od vlakana malog promjera, okruženih organskom omotačem. Vlakna su zatvorena u polikristalnoj matrici, koja se sastoji od čestica kalcita bogatog magnezijem. Promjer ovih čestica iznosi oko 10-20 nm. Istraživači napominju da je koncentracija magnezija neujednačena po cijelom zubu i povećava se bliže njegovom kraju, što osigurava povećanu otpornost na habanje i tvrdoću.
Uzdužni presjek (1F) kamenite oblasti zuba pokazuje uništenje vlakana, kao i odvajanje koje se javlja zbog odvajanja na granici vlakana i organske omotače.
Primarne ploče obično se sastoje od monokristala kalcita i nalaze se na konveksnoj površini zuba, dok sekundarne ploče ispunjavaju konkavnu površinu.
Na slici 1G može se vidjeti niz zakrivljenih primarnih ploča, koje leže paralelno jedna s drugom. Slika također prikazuje vlakna i polikristalnu matricu koja ispunjava prostor između ploča. Kobilica (1H) formira osnovu poprečnog T-presjeka i povećava krutost zuba pri savijanju.
Budući da znamo koju strukturu posjeduje zub ružičastog morskog ježa, potrebno je sada utvrditi mehanička svojstva njegovih komponenti. U tu svrhu su provedeni testovi na kompresiju uz korištenje skenirajuće elektronske mikroskopije i metode nanoindetiranja*. U nanomehaničkim ispitivanjima sudjelovali su uzorci presječeni duž uzdužne i poprečne orijentacije zuba.
Nanoindetiranje* — provjera materijala metodom urušavanja u površinu uzorka specijalnim alatom — indenterom.
Analiza podataka pokazala je da prosječni Youngov modul (E) i tvrdoća (H) na vrhu zuba u uzdučnom i poprečnom pravcu iznose: EL = 77,3 ± 4,8 GPa, HL = 4,3 ± 0,5 GPa (uzdužno) i ET = 70,2 ± 7,2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (poprečno).
Youngov modul* — fizička veličina koja opisuje sposobnost materijala da se opire istezanju i kompresiji.
Tvrdoća* — svojstvo materijala da se opire prodiranju tvrđeg tijela (indenter).
Osim toga, u uzdužnom pravcu izvedene su udubine s cikličkim dodatnim opterećenjem kako bi se stvorila modela visko-plastičnog oštećenja za kameno područje. Na 2A prikazana je krivulja opterećenja-deformacije.
Slika br. 2
Modul za svaki ciklus izračunat je na temelju Oliver-Farr metodologije koristeći podatke o otpuštanju. Ciklusi urezivanja pokazali su monotono smanjenje modula s povećanjem dubine urezivanja (2B). Takvo pogoršanje krutosti objašnjava se akumulacijom oštećenja (2C) uslijed nepovratne deformacije. Zanimljivo je da se razvoj treći odvija oko vlakana, a ne kroz njih.
Mehanička svojstva komponenata zuba također su ocijenjena korištenjem eksperimentalnog kvazistatičkog kompresijskog mikro-stupca. Za izradu stupaca mikrometarske veličine korišten je fokusirani ionski snop. Za procjenu čvrstoće spoja između primarnih ploča na konveksnoj strani zuba, izrađeni su mikro-stupci s nagibnom orijentacijom u odnosu na normalni sučelje između ploča (2D). Na slici 2E prikazan je mikro-stupac s nagibnim sučeljem. A na grafu 2F prikazani su rezultati mjerenja naprezanja smičanja.
Znanstvenici primjećuju zanimljivu činjenicu – mjereni modul elastičnosti gotovo je dvostruko manji nego pri ispitivanjima na urezivanje. Ova nesukladnost između testova na urezivanje i kompresiju također se primjećuje i kod zubne emisije. Trenutno postoji nekoliko teorija koje objašnjavaju ovu nesukladnost (od utjecaja okoline tijekom testova do kontaminacije uzoraka), no još uvijek nema jasnog odgovora na pitanje zašto nesukladnost postoji.
Sljedeća faza istraživanja zuba morskog ježa bila je testiranje na trošenje, provedeno pomoću skenirajuće elektronske mikroskopije. Zub je bio pričvršćen na posebnu držač i pritisnut na podlogu od ultranano-kristalnog dijamanta (3A).
Slika br. 3
Znanstvenici ističu da je njihov verzija testa na trošenje suprotna onima koji se obično provode, kada se dijamantna vrh uvrće u podlogu od istraživanog materijala. Promjene u metodologiji izvođenja testa na trošenje omogućuju bolje proučavanje svojstava mikrostruktura i komponenti zuba.
Kako možemo vidjeti na slikama, pri postizanju kritične opterećenosti počinju se stvarati skloni. Treba napomenuti da sila "ujeda" Aristotelove svjetiljke kod morskih ježeva varira ovisno o vrsti od 1 do 50 njutna. U testu je primijenjena sila od stotina mikronjutna do 1 njutna, tj. od 1 do 5 njutna za cijelu Aristotelovu svjetiljku (budući da ima pet zuba).
Na slici 3В(i) vidljive su sitne čestice (crvena strelica) koje su se formirale uslijed trošenja područja kamena. Kako se područje kamena troši i sabija, pucanja na sučeljima između ploča mogu nastati i širiti se zbog opterećenja kompresije-šlajfera te nakupljanja naprezanja u području kalcitnih ploča. Slike 3В(ii) i 3В(iii) pokazuju mjesta gdje su fragmenti odlomljeni.
U svrhu usporedbe provedena su dva tipa eksperimenta na trošenje: s konstantnim opterećenjem, koje odgovara početku tečenja (WCL), i s konstantnim opterećenjem, koje odgovara granici tečenja (WCS). Kao rezultat toga, dobivena su dva varijante trošenja zuba.
Video testova na trošenje:
Faza I
Faza II
Faza III
Faza IV
U slučaju konstantnog opterećenja u testu WCL primijećeno je sabijanje područja, međutim nije primijeteno nikakvo lomljenje ili druga oštećenja ploča (4A). A u testu WCS, kada je normalna sila povećana kako bi se održavalo nominalno kontaktno naprezanje konstantnim, uočeni su lomovi i ispadi ploča (4В).
Slika br. 4
Ova zapažanja potvrđuju grafikon (4C) mjerenja površine sabijenog područja i volumena odlomljenih ploča u odnosu na duljinu klizanja (uzorka po dijamantu tijekom testa).
Ovaj grafikon pokazuje također da u slučaju WCL ne nastaju lomovi čak i ako je udaljenost klizanja veća nego u slučaju WCS. Istraživanje sabijenih i odlomljenih ploča na 4В omogućuje bolje razumijevanje mehanizma samooštrenja zuba morskog ježa.
Površina sabijenog područja kamena se povećava dok se ploča odlamala, što dovodi do uklanjanja dijela sabijenog područja [4B (iii-v)]. Mikrostukturalne karakteristike, kao što su veza između kamena i ploča, olakšavaju ovaj proces. Mikroskopija je pokazala da se vlakna u kamenoj regiji savijaju i prodiru kroz slojeve ploča na konveksnom dijelu zuba.
Na grafikonu 4C Primjećuje se skok u volumenu slomljenog područja kada se nova ploča odvoji od zuba. Zanimljivo je da se u tom trenutku događa i naglo smanjenje širine spljoštenog područja (4D), što ukazuje na proces samouštrcavanja.
Jednostavno rečeno, eksperimenti su pokazali da tijekom održavanja konstantnog normalnog (ne kritičnog) opterećenja prilikom testova na habanje dolazi do tuposti vrha, dok zub ostaje oštar. Rezultira to time da se zubi ježa same oštre tijekom korištenja, ako opterećenje ne prelazi kritičnu granicu, u suprotnom mogu nastati oštećenja (naprsline), a ne oštrenje.
Slika br. 5
Kako bi se razumjela uloga mikrostruktura zuba, njihovih svojstava i njihovog doprinosa mehanizmu samouštrcavanja, provedena je nelinearna analiza procesa habanja metodom konačnih elemenata (5A). Za to su korištene snimke uzdužnog presjeka vrha zuba, koje su poslužile kao osnova dvodimenzionalnom modelu, sastavljenom od kamena, ploča, kobilice i sučelja između ploča i kamena.
Snimke 5B–5H — to su kontur grafic za Misesov kriterij (kriterij plastičnosti) na rubu područja kamena i ploče. Kada je zub sgnječen, kamen prolazi kroz visoke viskoplastične deformacije, akumulira oštećenja i stisne se („spljošti”) (5B i 5C). Daljnje stiskanje uzrokuje pomak u kamenu, gdje se akumulira veći dio plastične deformacije i oštećenja, odvajajući dio kamena, što dovodi do njegovog izravnog kontakta s podlogom (5D). Takva fragmentacija kamena u ovom modelu odgovara eksperimentalnim zapažanjima (odlomljeni fragmenti na 3B(i)). Stiskanje također dovodi do odvajanja između ploča, budući da su elementi sučelja izloženi mješovitom opterećenju, što dovodi do dekohezije (odvajanja). Kako se kontaktna površina povećava, kontaktna naprezanja rastu, uzrokujući pojavu i širenje pukotine na sučelju (5B—5E). Gubitak prianjanja između ploča pojačava savijanje, pri čemu se vanjska ploča odvaja.
Oguljenje pogoršava oštećenje sučelja, što dovodi do uklanjanja ploče kada su ploče podvrgnute rascjepu (tamo gdje se pukotine odstupaju od sučelja i prodiru u ploču, 5G). Kako proces napreduje, komadići ploče se odvajaju od vrha zuba (5H).
Zanimljivo je da simulacija vrlo precizno predviđa pucanje kako u području kamenja, tako i u području ploča, što su naučnici već primijetili tijekom promatranja (3B i 5I).
Za detaljnije upoznavanje s nijansama istraživanja preporučujem da zavirite u i za njega.
Epilog
Ova studija još jednom potvrđuje da evolucija nije bila naročito blaga prema ljudskim zubima. Šalu na stranu, u svom istraživanju naučnici su mogli detaljno razmotriti i objasniti mehanizam samostročenja zuba morskih ježeva, koji se temelji na neobičnoj strukturi zuba i ispravnom opterećenju. Ploče koje pokrivaju zub ježa se odvajaju pod određenim opterećenjem, što omogućava da zub ostane oštar. No to ne znači da morski ježevi mogu drobiti kamenje, jer pri dostizanju kritičnih opterećenja na zubima nastaju pukotine i čipovi. Izgleda da princip 'sila postoji, pameti ne treba' sigurno ne bi donio nikakvu korist.
Možda se može pomisliti da istraživanje zuba stanovnika morskih dubina ne nosi nikakvu korist za čovjeka, osim zadovoljenja neutažive ljudske radoznalosti. Međutim, znanja stečena tijekom ovog istraživanja mogu poslužiti kao osnova za stvaranje novih vrsta materijala koji će imati slična svojstva zubima ježeva — otpornost na trošenje, samostročenje na razini materijala bez vanjske pomoći i dugovječnost.
Nije važno, priroda skriva mnoge tajne koje još uvijek trebamo otkriti. Hoće li one biti korisne? Možda hoće, a možda i ne. No ponekad je u najtežim istraživanjima važna ne samo odredišna tačka, već i samo putovanje.
Petak Off-Topic:
Podvodne šume divovskih algi služe kao stanište za morske ježeve i druge neobične stanovnike oceana. (BBC Earth, glas u pozadini — David Attenborough).
Hvala na pažnji, ostanite znatiželjni i želim svima odličan vikend, ljudi! 🙂
Hvala što ste s nama. Sviđa li vam se naš sadržaj? Želite li vidjeti više zanimljivih materijala? Podržite nas naručivanjem ili preporučite prijateljima. 30% popusta za korisnike Habr-a na jedinstveni analog entry-level servera, koji smo stvorili za vas: (dostupne opcije s RAID1 i RAID10, do 24 jezgre i do 40GB DDR4).
Dell R730xd za pola cijene? Samo kod nas u Nizozemskoj! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 $! Pročitajte o tome
Izvor: habr.com
