Razgovori o zubima kod ljudi najčešće se povezuju s karijesom, aparatićima za zube i sadistima u bijelim kutovima koji samo čekaju da naprave ogrlicu od vaših zuba. No, šale na stranu, jer bez stomatologa i postavljenih pravila higijene o našoj usnoj šupljini, hranili bismo se samo pire krumpirom i juhom kroz slamku. A za to je kriva evolucija koja nam je darovala zube koji nisu baš najizdržljiviji, a ni ne regeneriraju se, što vjerojatno neizmjerno raduje predstavnike stomatološke industrije. Kada govorimo o zubima divljih životinja, odmah se prisjetimo veličanstvenih lavova, krvoločnih morskih pasa i vrlo pozitivnih hijena. Međutim, unatoč snazi i moći njihovih čeljusti, njihovi zubi nisu tako nevjerojatni kao zubi morskih ježeva. Da, ta gomila iglica pod vodom, na koju možete stati i upropastiti dobar dio godišnjeg odmora, ima sasvim pristojne zube. Ima ih, istina, samo pet, ali su na svoj način jedinstveni i sposobni su se samoizoštriti. Kako su znanstvenici otkrili ovu posebnost, kako taj proces teče i kako to može pomoći ljudima? O tome ćemo saznati iz izvještaja istraživačke skupine. Idemo.
Osnova istraživanja
Prije svega, vrijedi pobliže se upoznati s glavnim likom istraživanja — Strongylocentrotus fragilis, ljudskim jezikom rečeno, s ružičastim morskim ježem. Ova vrsta morskih ježeva ne razlikuje se puno od drugih svojih srodnika, osim po više spljoštenoj formi i glamuroznoj boji. Ovaj morski jež obitava prilično duboko (od 100 m do 1 km), a naraste do 10 cm u promjeru.
„Skelet“ morskog ježa, po kojem je vidljiva 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 igle koje prekrivaju cijelo tijelo. Kod različitih vrsta igle mogu biti od 2 mm pa sve do 30 cm. Osim igala, na tijelu se nalaze sferidiji (organi ravnoteže) i pediceljarije (izrasline koje podsjećaju na pincete).
U središtu se jasno vide svih pet zuba.
Da biste prikazali morskog ježa, prvo se morate okrenuti naopačke, jer se otvor za usta nalazi na donjem delu tela, dok su druga otvora na gornjem. Usta morskih ježeva imaju žvačni aparat s prelepim naučnim imenom „Aristotelov fenjer“ (upravo je Aristotel prvi opisao ovaj organ i uporedio ga oblikom s antičkom prenosnom lampom). 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 dugovečnost zuba morskih ježeva osigurava njihovo stalno oštrenje, koje se događa postupnim razaranjem mineralizovanih delova zuba kako bi se održala oštrina distalnih površina.
Ali kako se zapravo odvija ovaj proces, koji zubi treba oštriti, a koji ne, i kako se donosi ova važna odluka? Na ova pitanja naučnici su pokušavali da pronađu odgovore.
Rezultati istraživanja
Slika br. 1
Pre nego što otkrijemo zubne tajne morskih ježeva, razmotrićemo strukturu njihovih zuba u celini.
Na slikama 1A—1C prikazan je heroj istraživanja — ružičasti morski jež. Kao i drugi morski ježevi, pripadnici ove vrste dobijaju svoje mineralne komponente iz morske vode. Među skeletnim elementima, zubi su snažno mineralizovani (99%) kalcitom obogaćenim magnezijumom.
Kao što smo već prethodno spomenuli, ježevi koriste svoje zube za struganje hrane. Osim toga, njima kopaju rupe u kojima se skrivaju od predatora ili lošeg vremena. S obzirom na tako neuobičajenu primenu, zubi moraju biti izuzetno jaki i oštri.
Na slici 1D prikazana je mikrokontrolna tomografija segmenta celog zuba, što pokazuje da je zub formiran duž eliptične krivulje s T-oblikom poprečnog preseka.
Poprečni presjek zuba (1E) pokazuje da zub sastoji od tri strukturalne oblasti: primarnih ploča, kamene oblasti i sekundarnih ploča. Kamena oblast se sastoji od vlakana malog promjera, okruženih organskom ovojnicom. Vlakna su zatvorena u polikristalnoj matrici koja se sastoji od čestica kalcita bogatog magnezijem. Promjer ovih čestica iznosi otprilike 10-20 nm. Istraživači primjećuju da je koncentracija magnezija neujednačena kroz cijeli zub i povećava se bliže njegovom kraju, što mu daje povećanu otpornost na trošenje i tvrdoću.
Uzdužni presjek (1F) kamene oblasti zuba pokazuje razaranje vlakana, kao i odvajanje koje se događa zbog odvajanja na granici vlakana i organske ovojnice.
Primarne ploče obično se sastoje od monokristala kalcita i smještene su na konveksnoj površini zuba, dok sekundarne ploče ispunjavaju konkavnu površinu.
Na slici 1G može se vidjeti niz zakrivljenih primarnih ploča, koje leže paralelno jedna uz drugu. Slika također pokazuje vlakna i polikristalnu matricu koja ispunjava prostor između ploča. Kobilica (1H) formira osnovu poprečnog T-presjeka i povećava krutost zuba prilikom savijanja.
S obzirom na to da znamo koju strukturu ima zub ružičastog morskog ježa, sada trebamo utvrditi mehanička svojstva njegovih komponenti. U tu svrhu su provedeni testovi kompresije korištenjem skenirajuće elektronske mikroskopije i metode nanoindentacije*. U nanomehaničkim ispitivanjima sudjelovali su uzorci izrezani duž uzdužnih i poprečnih orijentacija zuba.
Nanoindentacija* — ispitivanje materijala metodom udaranja u površinu uzorka pomoću posebnog alata — indenta.
Analiza podataka pokazala je da prosječni Youngov modul (E) i tvrdoća (H) na vrhu zuba u uzdužnom i poprečnom smjeru 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 odupre rastezanju i kompresiji.
Tvrdoća* — svojstvo materijala koje se odupire prodiranju tvrdijeg tijela (indenta).
Osim toga, u uzdužnom smjeru izvedene su udubine s cikličnim dodatnim opterećenjem kako bi se stvorio model visko-plastičnog oštećenja za kameno područje. Na 2A prikazana je krivulja opterećenja-pomaka.
Slika br. 2
Modul za svaki ciklus izračunat je na temelju Oliver-Farrovog metoda koristeći podatke oslobađanja. Ciklusi udaranja pokazali su monotono smanjenje modula s povećanjem dubine udaranja (2B). Takvo pogoršanje krutosti objašnjava se nakupljanjem oštećenja (2C) uslijed nezabilježive deformacije. Zanimljivo je da se razvoj trećeg događa oko vlakana, a ne kroz njih.
Mehaničke svojstva sastavnih dijelova zuba također su ocijenjena eksperimentima kvazistatičkog kompresije mikro-stubova. Za izradu stubova mikrometarske veličine korišten je fokusirani ionski snop. Za procjenu čvrstoće veze između primarnih ploča na konveksnoj strani zuba, izrađeni su mikro-stubovi s nagibnom orijentacijom u odnosu na normalni sučelje između ploča (2D). Na snimci 2E prikazan je mikro-stub s nagibnim sučeljem. A na grafu 2F prikazani su rezultati mjerenja naprezanja smika.
Znanstvenici ističu zanimljivu činjenicu - izmjerena vrijednost modul elastičnosti gotovo je dvostruko manja nego kod ispitivanja na udaranje. Takvo neslaganje između testova na udaranje i kompresiju također se primjećuje i kod dentalne cakline. U ovoj fazi postoji nekoliko teorija koje objašnjavaju ovo neslaganje (od utjecaja okoline tijekom testova do kontaminacije uzoraka), ali trenutno nema jasnog odgovora na pitanje zašto neslaganje postoji.
Sljedeća faza istraživanja zuba morskog ježa bile su testovi na trošenje, provedeni pomoću skenirajuće elektronske mikroskopije. Zub je bio pričvršćen na poseban držač i pritisnut na podlogu od ultrananokristalnog dijamanta (3A).
Slika br. 3
Znanstvenici ističu da je njihova verzija testa na trošenje suprotna onima koji se obično provode, kada se dijamantni vrh zabija u podlogu od ispitanog materijala. Promjene u metodologiji provođenja testa na trošenje omogućuju bolje proučavanje svojstava mikrostruktura i sastavnih dijelova zuba.
Kao što možemo vidjeti na slikama, pri dostizanju kritičnog opterećenja počinju se stvarati čipovi. Važno je uzeti u obzir da sila „ujeda“ aristotelovih lampiona kod morskih ježeva varira od 1 do 50 njutna ovisno o vrsti. U testu je primijenjena sila od stotina mikronjutna do 1 njutna, tj. od 1 do 5 njutna za cijeli aristotelov lampion (s obzirom na to da ima pet zuba).
Na slici 3B(i) vidljive su sitne čestice (crvena strelica) nastale trošenjem područja kamena. Kako se područje kamena troši i skuplja, mogu se pojaviti i širiti pukotine na sučeljima između ploča uslijed kompresivnog-shearing opterećenja i nakupljanja naprezanja u području kalcitnih ploča. Slike 3B(ii) i 3B(iii) pokazuju mjesta gdje su fragmenti otpali.
Za usporedbu su provedena dva tipa eksperimenata na trošenje: s konstantnim opterećenjem koje odgovara početku tečenja (WCL) i s konstantnim opterećenjem koje odgovara granici tečenja (WCS). Kao rezultat 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 zabilježena je kompresija područja, međutim čipovi ili oštećenja ploča nisu primijećeni (4A). U testu WCS, kada je normalna sila povećana kako bi se održala nominalna kontaktna naprezanja konstantna, primijećeni su čipovi i ispadanje ploča (4B).
Slika br. 4
Ova opažanja potvrđuju grafikon (4C) mjerenja površine kompresije i volumena odrezanih ploča ovisno o duljini klizanja (uzorak na dijamantu tijekom testa).
Ovaj grafikon također pokazuje da se u slučaju WCL čipovi ne formiraju čak ni ako je udaljenost klizanja veća nego u slučaju WCS. Inspekcija komprimiranih i odrezanih ploča na 4B pomaže bolje razumjeti mehanizam samozatupljenja zuba morskog ježa.
Površina komprimiranog područja kamena povećava se dok se ploča lomi, što dovodi do uklanjanja dijela komprimiranog područja [4B (iii-v)]. Mikrostrukturalne značajke, kao što su veze između kamena i ploča, olakšavaju ovaj proces. Mikroskopija je pokazala da se vlakna u kamenoj oblasti savijaju i prodiru kroz slojeve ploča u ispupčenom dijelu zuba.
Na grafikonu 4C Vidljiv je skok volumena odrezane površine kada se nova ploča odvaja od zuba. Zanimljivo je da u tom trenutku dolazi do naglog smanjenja širine spljoštene površine (4D), što ukazuje na proces samouštrenja.
Drugim riječima, ti su eksperimenti pokazali da tijekom održavanja stalnog normalnog (nečega) opterećenja tijekom testova habanja dolazi do otupjelosti vrha, dok zub ostaje oštar. Dakle, zubi ježeva se oštre tijekom korištenja, pod uvjetom da opterećenje ne prelazi kritičnu granicu, inače mogu nastati oštećenja (odrezi), a ne oštrenje.
Slika br. 5
Kako bi se razumjela uloga mikrostruktura zuba, njihovih svojstava i doprinosa mehanizmu samouštrenja, provedena je nelinearna analiza procesa habanja metodom konačnih elemenata (5A). Za to su korištene slike uzdužnog presjeka vrha zuba, koje su poslužile kao osnova za dvodimenzionalni model sastavljen od stjenovitog materijala, ploča, kobilice i sučelja između ploča i stjenovitog materijala.
Slike 5B–5H — to su konture grafičkih prikaza Misesovog kriterija (kriterija plastičnosti) na rubu područja stjenovitog materijala i ploče. Kada se zub stegne, stjenoviti materijal podnosi velike viskoplastične deformacije, akumulira oštećenja i stegne se („spljošti“) (5B i 5C). Daljnje stezanje uzrokuje pomak u stjenovitom materijalu, gdje se akumulira velika većina plastične deformacije i oštećenja, odvajajući dio stjenovitog materijala, dovodeći ga u izravni kontakt s podlogom (5D). Takva fragmentacija stjenovitog materijala u ovom modelu odgovara eksperimentalnim opažanjima (odrezani fragmenti na 3B(i)). Stezanje također dovodi do razdvajanja između ploča, budući da su elementi sučelja podložni mješovitom opterećenju, što dovodi do dekohizije (odvajanja). Kako se kontaktna površina povećava, kontaktna naprezanja rastu, uzrokujući stvaranje i širenje pukotine na sučelju (5B—5E). Gubitak prianjanja između ploča pojačava savijanje, pri čemu se vanjska ploča odvaja.
Ogriženje pogoršava oštećenje sučelja, što vodi do uklanjanja ploče kada su ploče podložne razdvajanju (gdje se pukotine mogu odvojiti od sučelja i prodrijeti u ploču, 5G). Kako proces napreduje, komadići ploče se odvajaju od vrha zuba (5H).
Zanimljivo je da modeliranje vrlo precizno predviđa spljoštenje kako u području stijena, tako i u području ploča, što su već primijetili znanstvenici tijekom promatranja (3B i 5I).
Za detaljnije upoznavanje s nijansama istraživanja preporučujem da zavirite u i uz njega.
Epilog
Ova studija još jednom potvrđuje da evolucija nije bila naročito sklona zubima ljudi. Na ozbiljnoj noti, u svom istraživanju znanstvenici su mogli detaljno proučiti i objasniti mehanizam samosam sharpening zuba morskih ježeva, temeljen na neobičnoj strukturi zuba i pravilnom opterećenju. Ploče koje prekrivaju zub ježa olabave se pod određenim opterećenjem, što omogućava održavanje oštrine zuba. No, to ne znači da morski ježevi mogu lomiti stijene, jer se pri postizanju kritičnih opterećenja na zubima pojavljuju pukotine i odresci. Izgleda, načelo 'snaga postoji, razum ne treba' sigurno ne bi donijelo nikakvu korist.
Može se pomisliti da istraživanje zuba stanovnika morskih dubina ne donosi nikakvu korist za čovjeka, osim zadovoljenja neutažive ljudske znatiželje. Međutim, znanja stečena tijekom ovog istraživanja mogu poslužiti kao osnova za stvaranje novih tipova materijala koji će posjedovati slična svojstva zubima ježeva — otpornost na habanje, samostalno oštrenje na razini materijala bez vanjske pomoći i dugovječnost.
Bilo kako bilo, priroda skriva mnoge tajne koje ćemo još otkriti. Hoće li biti korisne? Možda da, a možda i ne. No, ponekad, čak i u najkompleksnijim istraživanjima, važan je ne samo cilj nego i samo putovanje.
Petak Off-Topic:
Podvodne šume divovskih algi služe kao okupljalište za morske ježeve i druge neobične stanovnike oceana. (BBC Earth, glas iza kadra — 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
