Az emberek foggeről folytatott beszélgetései leggyakrabban a szuvasodással, a fogszabályzókkal és a fehér köpenyes, sadista fogorvosokkal társulnak, akik csak arra vágynak, hogy gyöngyöt készítsenek a fogaiból. De a vicceket félretéve, nélkülük és a szájhigiéniai szabályok nélkül csak pépes krumplit és levest innánk szívószállal. Mindez az evolúciónak köszönhető, amely nem éppen a leghosszabb élettartamú fogakat ajándékozta nekünk, amelyek ráadásul nem is regenerálódnak, ami valószínűleg nem kis örömöt okoz a fogászati ipar képviselőinek. Ha a természet vad képviselőiről beszélünk, azonnal eszünkbe jutnak a méltóságteljes oroszlánok, a véres cápák és a rendkívül pozitív hiénák. Azonban, a pofájuk ereje ellenére, a fogaik nem olyan különlegesek, mint a tengeri sünöké. Igen, ez a tüskés gömb a víz alatt, melyen rálépve tönkreteheti a nyaralásának egy részét, egészen jó kis fogaival rendelkezik. Természetesen nem sok van belőlük, összesen öt, de a maguk módján egyediek és képesek magukat élesíteni. Hogyan is fedezték fel a tudósok ezt a különleges tulajdonságot, hogyan működik ez a folyamat, és hogyan segíthet az embereknek? Erről a kutatócsoport jelentése tájékoztat.
A kutatás alapja
Először is érdemes jobban megismerkedni a kutatás főszereplőjével — Strongylocentrotus fragilis, magyarul a rózsaszín tengeri sün. Ez a tengeri sünfaj nem igazán különbözik a többi társától, a pólusoknál laposabb formájával és csillogó színével véve ki magát. Elég nagy mélységben él (100 m-től 1 km-ig), és akár 10 cm-es átmérőt is elérhet.
A tengeri sün „váza”, amelyen látható az ötféle szimmetria.
A tengeri sünök, bármennyire is durván hangzik, lehetnek szabályosak és szabálytalanok. Az előbbiek gyakorlatilag tökéletesen kerek testformával rendelkeznek, kifejezett ötféle szimmetriával, míg az utóbbiak aszimmetrikusabbak.
Az első dolog, ami szembeötlik a tengeri sün láttán, az a tüskék, amelyek az egész testét borítják. Különböző fajoknál a tűk hossza 2 mm-től akár 30 cm-ig terjedhet. A tüskék mellett a testen találhatóak a szifonok (egyenensúlyi szervek) és a pedicellariae (csipesszerű kinyúlások).
A középen egyértelműen látható mind az öt fog.
A tengeri sün formázásához először is fejjel lefelé kell állnunk, mivel a szájnyílás a test alsó részén található, míg más nyílások a felső részen helyezkednek el. A tengeri sünök szája egy szép tudományos névvel rendelkező rágószerkezettel van felszerelve, amelyet "Arisztotelész lámpásának" neveznek (Arisztotelész volt az első, aki leírta ezt a szervet, és egy klasszikus hordozható lámpához hasonlította). Ez a szerv öt állkapoccsal rendelkezik, mindegyik éles fogakkal végződik (az Arisztotelész lámpása a vizsgált rózsaszín tengeri sünnél látható az alábbi 1C képen).
Van egy feltételezés, miszerint a tengeri sünök fogainak tartósságát folyamatos élezés biztosítja, amely a fog ásványos lemezeinek fokozatos lebomlásával történik a távoli felület élességének megőrzése érdekében.
De hogyan zajlik ez a folyamat, mely fogakat kell élezni, és melyeket nem, és hogyan hozzák meg ezt a fontos döntést? Ezekre a kérdésekre próbáltak választ találni a tudósok.
A kutatás eredményei
Kép №1
Mielőtt felfednénk a tengeri sünök dentális titkait, nézzük meg a fogaik struktúráját általában.
A képeken 1A—1C látható a kutatás hőse - a rózsaszín tengeri sün. Mint minden tengeri sün, ennek a fajnak a képviselői is a tengervízből nyerik ásványi alkotóelemeiket. A váz elemei között a fogak erősen mineralizáltak (99%-ban) magnéziumal dúsított kalcittal.
Ahogyan már korábban is beszéltünk róla, a sünök a fogaikat az élelem lekaparására használják. Ezen kívül a fogaikkal üregeket áshatnak, ahol elbújnak a ragadozók elől vagy a rossz időjárás elől. Figyelembe véve ezt a szokatlan használatot, a fogaknak rendkívül tartósnak és élesnek kell lenniük.
A képen 1D látható egy fog teljes szegmensének mikroszámítógépes tomográfiája, amely megmutatja, hogy a fog egy elliptikus görbével, T-alakú keresztmetszettel van kialakítva.
A fog keresztmetszete (1E) megmutatja, hogy a fog három szerkezeti területből áll: a primer lemezekből, a kőterületről és a másodlagos lemezekből. A kőterület kis átmérőjű rostokból áll, amelyeket szerves burkolat vesz körül. A rostok polikristályos mátrixban helyezkednek el, amely magnéziumban gazdag kalcit részecskékből áll. E részecskék átmérője körülbelül 10-20 nm. A kutatók megjegyzik, hogy a magnézium koncentrációja nem homogén a fogban, és a vége felé növekszik, ami fokozza annak kopásállóságát és keménységét.
Hosszmetszet (1F) a fog kőterületén mutatja a rostok lebomlását, valamint a leválást, amely a rostok és a szerves burkolat határán következik be.
A primer lemezek általában monokristályos kalcitból állnak, és a fog domború felületén helyezkednek el, míg a másodlagos lemezek a homorú felületet töltik ki.
A képen 1G látható egy párhuzamosan elhelyezkedő, ívelt primer lemezekből álló tömeg. A kép a rostokat és a polikristályos mátrixot is megjeleníti, amely a lemezek közötti teret tölti ki. A gerinc (1H) képezi a keresztmetszeti T-alak alapját, és növeli a fog merevségét hajlításkor.
Mivel tudjuk, hogy a rózsaszín tengeri sün foga milyen szerkezettel rendelkezik, most meg kell vizsgálnunk összetevőinek mechanikai tulajdonságait. Ehhez nyomáspróbákat végeztek szkennelő elektronmikroszkóp és nanoindentáció*módszer segítségével. A nanomechanikai vizsgálatokban részt vettek a fog hosszanti és keresztirányú orientálásában levágott minták.
Nanoindentáció* — az anyag vizsgálata egy speciális eszköz, az indító felületbe nyomásával.
Az adatelemzés kimutatta, hogy a fog hegyén a hosszanti és keresztirányú irányokban az átlagos Young-modulus (E) és keménység (H) a következőképpen alakul: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (hosszanti) és ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (keresztirányú).
Young-modulus* — egy fizikai mennyiség, amely leírja az anyag képességét, hogy ellenálljon a feszítésnek és a nyomásnak.
Keménység* — az anyag azon tulajdonsága, hogy ellenálljon egy keményebb test (indító) behatolásának.
Ezen kívül hosszirányban mélyedések készültek ciklikus plusz terheléssel, hogy viszko-elasztikus károsodási modellt hozzanak létre a kőzetterületen. On 2A a terhelés-elmozdulási görbe látható.
2. kép
Minden ciklus modulját az Oliver-Farr módszer alapján számították ki a leeresztési adatok felhasználásával. A benyomási ciklusok monoton csökkenő modult mutattak a benyomás mélységének növekedésével (2B). Az ilyen jellegű merevségromlást a sérülések felhalmozódása magyarázza (2C) a visszafordíthatatlan deformáció következtében. Érdekes, hogy a harmadik fejlemény a szálak körül, és nem rajtuk keresztül történik.
A fogak összetevőinek mechanikai tulajdonságait a mikrostobok kvázi statikus összenyomásával végzett kísérletek során is értékelték. A mikroméretű oszlopok előállításához fókuszált ionnyalábut használtak. A fogon lévő konvex lemezek közötti kötés szilárdságának értékelésére a mikrostobok dőlt orientációjúak voltak a lemezek normális interfészehez képest (2D). A fotón 2E a dőlt interfészű mikrostob látható. A grafikonon 2F a nyírófeszültség mérésének eredményei láthatók.
A kutatók megjegyzik, hogy az mért rugalmassági modulus majdnem fele az összenyomási tesztekhez képest. Ez a különbség a benyomásos és összenyomásos tesztek között a fogzománcra is jellemző. Jelenleg több elmélet létezik, amelyek magyarázzák ezt a különbséget (a tesztelés során a környezet hatásától a minták szennyeződéséig), de egyelőre nincs világos válasz arra, hogy miért létezik a különbség.
A tengeri sün fogainak vizsgálatának következő szakasza a kopási tesztek, amelyeket pásztázó elektronmikroszkóp segítségével hajtottak végre. A fogat különleges tartóhoz ragasztották és ultranano-kristályos gyémánt alapra préselték (3A).
3. ábra
A kutatók megjegyzik, hogy a kopási tesztjük verziója ellentétes azzal, amit általában végeznek, amikor a gyémánt hegyét a vizsgált anyag alapjába nyomják. A kopási teszt lebonyolításának módosítása lehetővé teszi a mikroszerkezetek és a fog összetevőinek tulajdonságainak alaposabb vizsgálatát.
Ahogyan a képeken is látható, kritikus terhelés elérésekor törések keletkeznek. Fontos megjegyezni, hogy az Aristotelesz lámpához hasonló tengeri sünök harapási ereje fajtól függően 1-től 50 newtonig terjed. A teszten 100 mikronewtontól 1 newtonig terjedő erőt alkalmaztak, azaz 1-től 5 newtonig az egész Aristotelesz lámpánál (mivel öt foga van).
A képen 3В(i) láthatóak a kopás miatt képződött apró részecskék (piros nyíl), amelyek a kő felületének kopása és összenyomódása következtében keletkeztek. Mivel a kőfelület kopik és összenyomódik, a lemezek közötti interfészeken repedések keletkezhetnek és terjedhetnek a nyomó-elmozdító terhelés következtében, valamint a kalcitlemezek területén felhalmozódott feszültségek révén. Képek 3В(ii) és 3В(iii) mutatják azokat a helyeket, ahol a darabok letöredeztek.
Összehasonlításképpen kétféle kopási kísérletet végeztek: egy állandó terheléssel, amely megegyezik a folyási határral (WCL), és egy állandó terheléssel, amely megegyezik a folyási küszöbértékkel (WCS). Ennek eredményeként kétféle kopási változatot kaptunk a fogon.
Kopási tesztek videója:
I. szakasz
II. szakasz
III. szakasz
IV. szakasz
A WCL teszt során állandó terhelés esetén a terület összenyomódása figyelhető meg, azonban töréseket vagy más károsodásokat a lemezeken nem észleltek (4A). A WCS teszt során viszont, amikor a normál nyomást megnövelték, hogy a névleges érintkezési feszültség állandó maradjon, törések és lemezek kiürülése figyelhető meg (4B).
4. számú kép
Ezek a megfigyelések a grafikon által is megerősítést nyernek (4С) a becsült összenyomott terület és a letöredezett lemezek térfogatának a csúszási távolságtól függően (a minta a gyémántkal a teszt alatt).
Ez a grafikon azt is mutatja, hogy WCL esetén törés nem keletkezik, még akkor sem, ha a csúszási távolság nagyobb, mint a WCS esetén. Az összenyomott és letöredezett lemezek megvizsgálása 4B jobban megértheti a tengeri sün fogainak önélezési mechanizmusát.
A kő összenyomott területének nagysága nő, mivel a lemez letörik, ami a megszorított terület eltávolításához vezet. [4B (iii-v)]. A mikroszerkezeti jellemzők, mint a kő és a lemezek közötti kapcsolat, megkönnyítik ezt a folyamatot. A mikroszkópiás vizsgálatok kimutatták, hogy a kő területén lévő rostok hajlanak és behatolnak a lemezek rétegei közé a fog domború részén.
A grafikonon 4С Látható a törött terület térfogatának ugrása, amikor az új lemez leválik a fogról. Érdekes módon ebben a pillanatban a lapított terület szélessége is hirtelen csökken (4D), ami az önélezés folyamatára utal.
Egyszerűbben fogalmazva, ezek az kísérletek azt mutatták, hogy állandó normál (nem kritikus) terhelés fenntartása mellett a kopás tesztjei során a hegy kikopik, miközben a fog éles marad. Ezért a sünök fogai használat közben éleződnek, ha a terhelés nem haladja meg a kritikus szintet, ellenkező esetben sérülések (koppanások) léphetnek fel, nem pedig élezés.
5. számú kép
A fog mikroszerkezete, tulajdonságai és az önélezés mechanizmusába való hozzájárulásának megértéséhez nemlineáris elemzést végeztek a kopási folyamat végeselem módszerével (5A). Ehhez a fog hegyének hosszmetszetéről készült felvételeket használták fel, amelyek kétdimenziós modellt alkottak kőből, lemezekből, ékekből és a lemezek és a kő közötti interfészekből.
Képek 5B–5H — ezek a Mises kritérium (a plaszticitás kritériuma) kontúrgrafikonjai a kő és a lemez határán. Amikor a fog összepréselésre kerül, a kő jelentős viszkózus-plasztikus deformáción megy keresztül, sérüléseket halmoz fel és összenyomódik („laposodik”) (5B és 5C). További összenyomás elmozdulási sávot okoz a kőben, ahol a legtöbb plasztikus deformáció és sérülés halmozódik fel, leválasztva egy darabot a kőből, közvetlen érintkezést teremtve az alapfelülettel (5D). Ennek a modellnek a kőfragmentálódása összhangban áll a kísérleti megfigyelésekkel (letört darabok a 3B(i)). Az összenyomás a lemezek közötti rétegződéshez is vezet, mivel az interfész elemei vegyes terhelésnek vannak kitéve, ami dekohéziót (leválasztást) eredményez. A kontakt terület növekedésével a kontaktfeszültségek fokozódnak, repedések keletkezését és terjedését okozva az interfészen (5B—5E). Az interfészek közötti tapadás elvesztése fokozza a hajlítást, amelynek következtében a külsó lemez leválik.
A karcolás súlyosbítja az interfész sérülését, ami a lemez eltávolításához vezet, amikor a lemezek (a) hasadásnak vannak kitéve (ott, ahol a repedések eltérnek az interfésztől és behatolnak a lemezbe, 5G). A folyamat folytatódásával a lemezdarabok leválnak a fog hegyéről (5H).
Érdekes módon a modellezés nagyon pontosan jósolja meg a láncok kicsit, mind a kő, mind a lemez területeken, amit a tudósok már megfigyeltek a megfigyelések során (3B és 5I).
A kutatás részleteivel való alaposabb megismerkedéshez javaslom, hogy nézze meg a és hozzá.
Epilógus
Ez a munka újra megerősítette, hogy az evolúció nem volt túl kegyes az emberi fogakkal. Komolyan véve, a kutatás során a tudósok részletesen meg tudták vizsgálni és megmagyarázni a tengeri sünök fogainak önélező mechanizmusát, amelynek alapja a szokatlan fogszerkezet és a megfelelő terhelés. A sün fogait borító lemezek bizonyos terhelésnél leválnak, lehetővé téve ezzel a fog éles maradását. De ez nem jelenti azt, hogy a tengeri sünök képesek kőzeteit törni, mert kritikus terhelési szint elérésénél repedések és törések keletkeznek a fogakon. Így a „nincs erő, de okosság sem” elv valószínűleg semmilyen hasznot nem hozna.
Azt hihetnénk, hogy a tengeri mélységek lakóinak fogainak kutatása nincs haszna az emberek számára, kivéve az emberi kíváncsiság kielégítését. Azonban a kutatás során szerzett tudás új típusú anyagok létrehozásának alapjaként szolgálhat, amelyek hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a sünök fogai — kopásállóság, önélezés az anyag szintjén külső segítség nélkül és tartósság.
Akárhogy is, a természet rengeteg titkot rejt, amelyeket még fel kell fedeznünk. Hasznosak lesznek? Talán igen, talán nem. De néha a legbonyolultabb kutatásokban néha nem az a fontos, hogy hová jutunk, hanem maga az utazás.
Pénteki off-topic:
A hatalmas algák víz alatti erdei a tengeri sünök és más szokatlan óceáni lakók gyülekezőhelye. (BBC Earth, narrátor — David Attenborough).
Köszönöm a figyelmet, maradjatok kíváncsiak, és kiváló hétvégét mindenkinek, srácok! 🙂
Köszönjük, hogy velünk maradnak. Tetszenek Önöknek a cikkeink? Szeretnének több érdekes anyagot látni? Támogassanak minket rendelés leadásával vagy ismerősöknek való ajánlással. 30% kedvezmény a Habr felhasználóinak az egyedülálló entry-level szervereinkre, amelyet Önöknek találtunk ki: (elérhetők RAID1 és RAID10 opciók, akár 24 magig és 40GB DDR4-ig).
Dell R730xd két alkalommal olcsóbban? Csak nálunk Hollandiában! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — 99 dollártól! Olvasd el ezt
Forrás: habr.com
