Priča o zubima kod ljudi se najčešće povezuje s karijesom, aparatićima i sadistima u bijelim kutama koji samo sanjaju da će vam od zuba napraviti perle. No šalu na stranu, jer bez stomatologa i ustaljenih pravila oralne higijene jeli bismo samo zdrobljeni krumpir i juhu na slamku. A za sve je kriva evolucija, koja nam je dala daleko od najizdržljivijih zuba, koji se još uvijek ne obnavljaju, što vjerojatno neopisivo veseli predstavnike dentalne industrije. Ako govorimo o zubima predstavnika divljine, odmah vam padaju na pamet veličanstveni lavovi, krvožedni morski psi i iznimno pozitivne hijene. Međutim, unatoč snazi i snazi njihovih čeljusti, njihovi zubi nisu tako nevjerojatni kao oni morskih ježeva. Da, ovo klupko igala pod vodom, nagazivši na koje si možete pokvariti dobar dio odmora, ima sasvim dobre zube. Naravno, nema ih puno, samo pet, ali jedinstveni su na svoj način i znaju se izoštriti. Kako su znanstvenici identificirali takvu značajku, kako se točno odvija ovaj proces i kako može pomoći ljudima? O tome doznajemo iz izvješća istraživačke skupine. Ići.
Osnova istraživanja
Prije svega, vrijedi upoznati glavnog junaka studije - Strongylocentrotus fragilis, ljudski rečeno, s ružičastim morskim ježom. Ova vrsta morskog ježa ne razlikuje se mnogo od svojih drugih srodnika, s izuzetkom spljoštenijeg oblika na polovima i glamurozne boje. Žive prilično duboko (od 100 m do 1 km), a narastu do 10 cm u promjeru.
"Kostur" morskog ježa, koji pokazuje simetriju od pet zraka.
Morski ježevi su, koliko god to grubo zvučalo, u pravu i u krivu. Prvi imaju gotovo savršeno okrugli oblik tijela s izraženom peterostrukom simetrijom, dok su drugi više asimetrični.
Prvo što upada u oči kada vidite morskog ježa su njegova pera koja prekrivaju cijelo tijelo. Kod različitih vrsta, iglice mogu biti od 2 mm do 30 cm, osim iglica, tijelo ima spheridia (organe ravnoteže) i pedicellaria (proces koji podsjećaju na kliješta).
U sredini se jasno vidi svih pet zuba.
Da biste prikazali morskog ježa, prvo morate stati naopako, jer se njegov otvor za usta nalazi na donjem dijelu tijela, ali su ostale rupe na gornjem. Usta morskih ježeva opremljena su aparatom za žvakanje lijepog znanstvenog naziva "Aristotelova svjetiljka" (Aristotel je prvi opisao ovaj organ i usporedio ga po obliku s antičkom prijenosnom svjetiljkom). Ovaj organ je opremljen s pet čeljusti, od kojih svaka završava oštrim zubom (aristotelovska lanterna istraživanog ružičastog ježa prikazana je na slici 1C dolje).
Postoji pretpostavka da je trajnost zuba morskih ježinaca osigurana njihovim stalnim oštrenjem, koje se događa postupnim uništavanjem mineraliziranih zubnih ploča kako bi se održala oštrina distalne površine.
Ali kako točno teče taj proces, koje zube je potrebno naoštriti, a koje ne i kako se donosi ova važna odluka? Znanstvenici su pokušali pronaći odgovore na ova pitanja.
Rezultati istraživanja
Slika #1
Prije nego otkrijete zubne tajne morskih ježeva, razmotrite strukturu njihovih zuba općenito.
Na slikama 1А-1S prikazan je junak studije - ružičasti morski jež. Kao i drugi morski ježevi, predstavnici ove vrste mineralne komponente dobivaju iz morske vode. Među skeletnim elementima zubi su visoko mineralizirani (99%) s kalcitom obogaćenim magnezijem.
Kao što smo ranije spomenuli, ježevi koriste svoje zube za struganje hrane. Ali osim toga, uz pomoć svojih zuba, sami sebi kopaju rupe u kojima se skrivaju od grabežljivaca ili lošeg vremena. S obzirom na ovu neobičnu upotrebu zuba, potonji moraju biti izuzetno jaki i oštri.
Na slici 1D prikazana je mikrokompjutorizirana tomografija segmenta cijelog zuba, iz koje se jasno vidi da je zub formiran duž eliptične krivulje s poprečnim presjekom u obliku slova T.
Poprečni presjek zuba (1E) pokazuje da je zub sastavljen od tri strukturne regije: primarne lamine, regije kamenca i sekundarne lamele. Kameno područje sastoji se od vlakana malog promjera, okruženih organskom ljuskom. Vlakna su obavijena polikristalnom matricom sastavljenom od čestica kalcita bogatih magnezijem. Promjer ovih čestica je oko 10-20 nm. Istraživači napominju da koncentracija magnezija nije ravnomjerna po cijelom zubu te se povećava bliže njegovom kraju, što osigurava njegovu povećanu otpornost na trošenje i tvrdoću.
Uzdužni presjek (1F) zubnog kamenca pokazuje destrukciju vlakana, kao i odvajanje, koje nastaje zbog delaminacije na granici između vlakana i organske ljuske.
Primarne ljuskice obično se sastoje od monokristala kalcita i nalaze se na konveksnoj površini zuba, dok sekundarne ljuskice ispunjavaju konkavnu površinu.
Na slici 1G može se vidjeti niz zakrivljenih primarnih ploča koje leže paralelno jedna s drugom. Slika također pokazuje vlakna i polikristalnu matricu koja ispunjava prostor između ploča. kobilica (1H) čini bazu poprečnog T-presjeka i povećava krutost zuba na savijanje.
Budući da znamo kakvu strukturu ima zub ružičastog morskog ježa, sada moramo saznati mehanička svojstva njegovih sastavnih dijelova. Za to su provedena ispitivanja kompresije pomoću skenirajućeg elektronskog mikroskopa i metode nanoudubljenje*. U nanomehaničkim ispitivanjima sudjelovali su uzorci izrezani duž uzdužne i poprečne orijentacije zuba.
Nanoudubljenje* — provjera materijala metodom utiskivanja u površinu uzorka posebnog alata — utiskivača.
Analiza podataka pokazala je da su prosječni Youngov modul (E) i tvrdoća (H) na vrhu zuba u uzdužnom i poprečnom smjeru: 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* - fizikalna veličina koja opisuje sposobnost materijala da se odupre napetosti i pritisku.
Tvrdoća* - svojstvo materijala da se odupire unošenju čvršćeg tijela (utiskivača).
Osim toga, napravljena su udubljenja u uzdužnom smjeru s cikličkim dodatnim opterećenjem kako bi se stvorio model duktilnog oštećenja za područje kamena. Na 2А prikazana je krivulja opterećenje-pomak.
Slika #2
Modul za svaki ciklus izračunat je na temelju Oliver-Farr metode koristeći podatke o rasterećenju. Ciklusi utiskivanja pokazali su monotono smanjenje modula s povećanjem dubine utiskivanja (2V). Takvo pogoršanje krutosti objašnjava se nakupljanjem oštećenja (2C) kao rezultat nepovratne deformacije. Važno je napomenuti da se razvoj trećeg odvija oko vlakana, a ne kroz njih.
Mehanička svojstva sastavnih dijelova zuba također su procijenjena korištenjem kvazistatičkih eksperimenata kompresije mikropilara. Fokusirana ionska zraka korištena je za izradu stupova mikrometarske veličine. Kako bi se procijenila čvrstoća veze između primarnih ploča na konveksnoj strani zuba, mikropilari su izrađeni s kosom orijentacijom u odnosu na normalno sučelje između ploča (2D). Na slici 2E prikazana je mikrokolona s nagnutim sučeljem. I na grafikonu 2F prikazani su rezultati mjerenja posmičnih naprezanja.
Znanstvenici primjećuju zanimljivu činjenicu - izmjereni modul elastičnosti gotovo je upola manji od testa utiskivanja. Ova razlika između testova udubljenja i kompresije također je primijećena za zubnu caklinu. Trenutačno postoji nekoliko teorija koje objašnjavaju ovo odstupanje (od utjecaja okoline tijekom testiranja do kontaminacije uzoraka), no nema jasnog odgovora na pitanje zašto dolazi do odstupanja.
Sljedeći korak u proučavanju zubi morskog ježa bila su ispitivanja trošenja provedena pomoću skenirajućeg elektronskog mikroskopa. Zub je zalijepljen na poseban držač i pritisnut na podlogu od ultrananokristalnog dijamanta (3А).
Slika #3
Znanstvenici napominju da je njihova verzija testa trošenja suprotna od onoga što se obično radi kada se dijamantni vrh utisne u podlogu materijala koji se proučava. Promjene u metodologiji ispitivanja trošenja omogućuju bolje razumijevanje svojstava mikrostruktura i komponenti zuba.
Kao što možemo vidjeti na slikama, kada se dostigne kritično opterećenje, počinju se stvarati strugotine. Vrijedno je uzeti u obzir da snaga "ugriza" aristotelovske svjetiljke u morskim ježevima varira ovisno o vrsti od 1 do 50 newtona. U testu je primijenjena sila od stotina mikronjutna do 1 njutna, tj. od 1 do 5 newtona za cijelu aristotelovsku lanternu (budući da ima pet zubaca).
Na slici 3B(i) vidljive su sitne čestice (crvena strelica), nastale kao posljedica trošenja površine kamena. Kako se kameno područje troši i skuplja, pukotine na sučeljima između ploča mogu nastati i širiti se zbog tlačnog opterećenja i naprezanja u području kalcitnih ploča. Snimke 3B(ii) и 3B(iii) pokazati mjesta gdje su se krhotine odlomile.
Za usporedbu, provedena su dva tipa pokusa trošenja: s konstantnim opterećenjem koje odgovara početku tečenja (WCL) i s konstantnim opterećenjem koje odgovara granici tečenja (WCS). Kao rezultat dobivene su dvije varijante trošenja zuba.
Video testa nošenja:
Faza I
Stadij II
Stadij III
Faza IV
U slučaju konstantnog opterećenja u WCL testu, primijećena je kompresija područja, međutim, nisu primijećena lomljenja ili druga oštećenja ploča (4A). Ali u WCS testu, kada je normalna sila povećana kako bi se održao konstantan nominalni kontaktni napon, uočeno je lomljenje i ispadanje ploča (4V).
Slika #4
Ova zapažanja potvrđuje zaplet (4S) mjerenja tlačne površine i volumena odlomljenih ploča ovisno o duljini klizanja (uzorak preko dijamanta tijekom ispitivanja).
Ovaj grafikon također pokazuje da se u slučaju WCL ne stvaraju strugotine čak i ako je udaljenost klizanja veća nego u slučaju WCS. Pregled komprimiranih i okrhnutih ploča za 4V omogućuje bolje razumijevanje mehanizma samooštrenja zuba morskog ježa.
Površina komprimirane površine kamena se povećava kako se ploča odlama, zbog čega se dio komprimirane površine uklanja [4B(iii-v)]. Mikrostrukturne značajke kao što je veza između kamena i ploča olakšavaju ovaj proces. Mikroskopski je utvrđeno da su vlakna u kamencu savijena i prodiru kroz slojeve pločica u konveksnom dijelu zuba.
Na grafikonu 4S dolazi do skoka u volumenu okrhnute površine kada se nova ploča odvaja od zuba. Zanimljivo je da u istom trenutku dolazi do oštrog smanjenja širine oblatnog područja (4D), što ukazuje na proces samooštrenja.
Jednostavno rečeno, ovi eksperimenti su pokazali da uz održavanje konstantnog normalnog (ne kritičnog) opterećenja tijekom ispitivanja trošenja, vrh postaje tup, dok zub ostaje oštar. Ispada da se zubi ježa oštre tijekom upotrebe, ako opterećenje ne prelazi kritično, inače može doći do oštećenja (čipsova), a ne do oštrenja.
Slika #5
Kako bi se razumjela uloga mikrostruktura zuba, njihovih svojstava i doprinosa mehanizmu samooštrenja, provedena je nelinearna analiza procesa trošenja pomoću konačnih elemenata (5А). Za to su korištene slike uzdužnog presjeka vrha zuba, koje su poslužile kao osnova za dvodimenzionalni model koji se sastoji od kamena, ploča, kobilice i sučelja između ploča i kamena.
slika 5B-5H su konturni prikazi Misesovog kriterija (kriterij plastičnosti) na rubu područja kamena i ploče. Kada se zub stisne, kamenac prolazi kroz velike viskoplastične deformacije, nakuplja oštećenja i skuplja se („spljošti“) (5B и 5C). Daljnja kompresija izaziva traku smicanja u kamenu, gdje se nakuplja većina plastičnih deformacija i oštećenja, otkidajući dio kamena, dovodeći ga u izravan kontakt s podlogom (5D). Takva fragmentacija kamena u ovom modelu odgovara eksperimentalnim opažanjima (cijepani fragmenti na 3B(i)). Kompresija također rezultira raslojavanjem između ploča jer su elementi sučelja podvrgnuti miješanom opterećenju što rezultira dekohezijom (ljuštenjem). Kako se kontaktna površina povećava, kontaktna naprezanja se povećavaju, uzrokujući početak i širenje pukotine na sučelju (5B-5E). Gubitak prianjanja između ploča pojačava pregib, što uzrokuje odvajanje vanjske ploče.
Grebanje pogoršava oštećenje sučelja što rezultira uklanjanjem ploče kada se ploča(e) podvrgne cijepanju (gdje pukotine odstupaju od sučelja i prodiru u ploču, 5G). Kako se proces nastavlja, fragmenti pločice se odvajaju od vrha zuba (5H).
Zanimljivo je da simulacija vrlo precizno predviđa otkrhnuće iu području kamena i ploče, što su znanstvenici već uočili tijekom promatranja (3B и 5I).
Za detaljnije upoznavanje s nijansama studije, preporučujem da pogledate и njemu.
Epilog
Ovaj je rad još jednom potvrdio da evolucija nije bila baš naklonjena ljudskim zubima. Ozbiljno, znanstvenici su u svojoj studiji uspjeli detaljno ispitati i objasniti mehanizam samooštrenja zuba morskih ježeva koji se temelji na neobičnoj strukturi zuba i pravilnom opterećenju na njemu. Pločice koje pokrivaju zub ježa se ljušte pod određenim opterećenjem, što vam omogućuje da zub ostane oštar. Ali to ne znači da morski ježinci mogu drobiti kamenje, jer kada se dostignu kritični pokazatelji opterećenja, na zubima se stvaraju pukotine i strugotine. Ispada da načelo “ima snage, ne treba pamet” sigurno ne bi donijelo nikakvu korist.
Moglo bi se pomisliti da proučavanje zuba stanovnika dubokih mora čovjeku ne donosi nikakvu korist, osim zadovoljenja nezasitne ljudske znatiželje. No, spoznaje stečene ovim istraživanjem mogu poslužiti kao osnova za stvaranje novih vrsta materijala koji će imati svojstva slična zubima ježa - otpornost na trošenje, samooštrenje na razini materijala bez vanjske pomoći i trajnost.
Kako god bilo, priroda krije mnoge tajne koje tek trebamo otkriti. Hoće li biti od pomoći? Možda da, možda ne. Ali ponekad, čak i u najsloženijim istraživanjima, ponekad nije važno odredište, već samo putovanje.
Petak off-top:
Podvodne šume divovskih algi služe kao okupljalište morskih ježeva i drugih neobičnih stanovnika oceana. (BBC Earth, glas u kadru - David Attenborough).
Hvala na gledanju, ostanite znatiželjni i ugodan vikend svima! 🙂
Hvala što ste ostali s nama. Sviđaju li vam se naši članci? Želite li vidjeti više zanimljivog sadržaja? Podržite nas narudžbom ili preporukom prijateljima, 30% popusta za korisnike Habra na jedinstveni analog početnih poslužitelja, koji smo izmislili za vas: (dostupno s RAID1 i RAID10, do 24 jezgre i do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 puta jeftiniji? Samo ovdje u Nizozemskoj! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 USD! Pročitaj o
Izvor: www.habr.com