Az emberekben a fogakról való beszéd leggyakrabban fogszuvasodáshoz, fogszabályzóhoz és fehér köpenyes szadistához kapcsolódik, akik csak álmodoznak arról, hogy gyöngyöket készítsenek a fogaiból. De a viccet félretéve, mert fogorvosok és bevett szájhigiéniai szabályok nélkül csak tört krumplit és szívószálon keresztül levest fogyasztanánk. És minden okolható az evolúcióért, amely korántsem a legtartósabb fogakat adott nekünk, amelyek még mindig nem regenerálódnak, ami valószínűleg leírhatatlanul tetszik a fogászati ipar képviselőinek. Ha a vadon élővilág képviselőinek fogairól beszélünk, akkor a fenséges oroszlánok, a vérszomjas cápák és a rendkívül pozitív hiénák azonnal eszembe jutnak. Állkapcsuk ereje és ereje ellenére azonban fogaik nem olyan csodálatosak, mint a tengeri sünöké. Igen, ennek a víz alatti tűgömbnek, amire rálépve a nyaralás jó részét elronthatod, egész jó fogai vannak. Persze nem sok van belőlük, csak öten, de a maguk módján egyediek és képesek kiélezni magukat. Hogyan azonosították a tudósok egy ilyen tulajdonságot, hogyan zajlik pontosan ez a folyamat, és hogyan segíthet az embereknek? Erről a kutatócsoport beszámolójából értesülünk. Megy.
Kutatási alap
Mindenekelőtt érdemes megismerni a tanulmány főszereplőjét - Strongylocentrotus fragilist, emberi értelemben, rózsaszín tengeri sünnel. Ez a fajta tengeri sün nem sokban különbözik a többi társaitól, kivéve a sarkoknál laposabb formát és az elbűvölő színt. Meglehetősen mélyen (100 m-től 1 km-ig) élnek, átmérője eléri a 10 cm-t.
A tengeri sün „csontváza”, amely ötsugaras szimmetriát mutat.
A tengeri sünök, bármennyire is durván hangzik, helyesek és helytelenek. Előbbiek szinte tökéletesen kerek testformájúak, markáns ötsugaras szimmetriával, míg utóbbiak inkább aszimmetrikusak.
Az első dolog, ami megakad a szemében, amikor meglát egy tengeri sünt, az az egész testet beborító tollak. Különböző fajoknál a tűk 2 mm-től 30 cm-ig terjedhetnek, a tűkön kívül a testben vannak szferidiumok (egyensúlyszervek) és pedicelláriák (csipeszre emlékeztető folyamatok).
Mind az öt fog jól látható a közepén.
A tengeri sün ábrázolásához először fejjel lefelé kell állni, mivel a szájnyílása a test alsó részén található, de a többi lyuk a felső részén található. A tengeri sünök szája egy rágókészülékkel van felszerelve, melynek gyönyörű tudományos neve "Arisztotelész lámpása" (Arisztotelész volt az, aki először írta le ezt a szervet, és hasonlította össze egy antik hordozható lámpával). Ez a szerv öt pofával van felszerelve, amelyek mindegyike éles fogban végződik (a vizsgált rózsaszín sün arisztotelészi lámpása az alábbi 1C képen látható).
Feltételezhető, hogy a tengeri sünök fogainak tartósságát állandó élezésük biztosítja, amely a mineralizált foglemezek fokozatos roncsolásával történik, hogy megőrizze a disztális felület élességét.
De hogyan is zajlik ez a folyamat pontosan, melyik fogat kell élesíteni és melyiket nem, és hogyan születik ez a fontos döntés? A tudósok megpróbáltak választ találni ezekre a kérdésekre.
Kutatási eredmények
1. kép
Mielőtt felfedné a tengeri sünök fogászati titkait, gondolja át fogaik szerkezetét általában.
A képeken 1А-1S a tanulmány hőse látható - egy rózsaszín tengeri sün. A többi tengeri sünökhöz hasonlóan e faj képviselői is tengervízből nyerik ásványi komponenseiket. A vázelemek közül a fogak erősen mineralizáltak (99%-ban), magnéziummal dúsított kalcittal.
Amint arról korábban beszéltünk, a sündisznók a fogaikat használják ételkaparásra. De ezen kívül fogaik segítségével lyukakat ásnak maguknak, amelyekbe elrejtőznek a ragadozók vagy a rossz időjárás elől. Tekintettel erre a szokatlan foghasználatra, az utóbbiaknak rendkívül erősnek és élesnek kell lenniük.
A képen 1D egy teljes fog egy szegmensének mikroszámítógépes tomográfiája látható, amely egyértelművé teszi, hogy a fog T-alakú keresztmetszetű elliptikus görbe mentén alakul ki.
A fog keresztmetszete (1E) azt mutatja, hogy a fog három szerkezeti régióból áll: elsődleges laminákból, fogkő régióból és másodlagos lamellákból. A kőterület kis átmérőjű rostokból áll, amelyeket szerves héj veszi körül. A szálak magnéziumban gazdag kalcitrészecskékből álló polikristályos mátrixba vannak burkolva. Ezeknek a részecskéknek az átmérője körülbelül 10-20 nm. A kutatók megjegyzik, hogy a magnézium koncentrációja nem egyenletes az egész fogban, és a végéhez közeledve növekszik, ami növeli a kopásállóságát és keménységét.
hosszmetszet (1F) a fogkőben a rostok pusztulását, valamint az elválást mutatja, amely a rostok és a szerves héj határfelületén bekövetkező delamináció miatt következik be.
Az elsődleges héjak általában kalcit egykristályokból állnak, és a fog domború felületén helyezkednek el, míg a másodlagos héjak kitöltik a homorú felületet.
képen 1G egy sor ívelt elsődleges lemezt láthatunk egymással párhuzamosan. A képen szálak és a lemezek közötti teret kitöltő polikristályos mátrix is látható. keel (1H) képezi a keresztirányú T-szelvény alapját és növeli a fog hajlítási merevségét.
Mivel tudjuk, hogy milyen szerkezetű a rózsaszín tengeri sün foga, most meg kell találnunk az összetevőinek mechanikai tulajdonságait. Ehhez pásztázó elektronmikroszkóppal és a módszerrel kompressziós vizsgálatokat végeztünk nanobehúzás*. A fog hossz- és keresztirányú orientációja mentén vágott minták nanomechanikai vizsgálatokban vettek részt.
Nanobehúzás* — az anyag ellenőrzése egy speciális szerszám mintájának felületébe történő bemélyedés módszerével - a behúzó.
Az adatok elemzése kimutatta, hogy az átlagos Young-modulus (E) és keménység (H) a foghegyen hossz- és keresztirányban: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (hosszirányú) és ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (keresztirányú).
Young modulusa* - fizikai mennyiség, amely leírja az anyag feszültség- és nyomásálló képességét.
Keménység* - az anyag azon tulajdonsága, hogy ellenáll a szilárdabb test bejutásának (behúzás).
Ezenkívül hosszirányban bemélyedéseket készítettek ciklikus többletterheléssel, hogy modellt alkossanak a kőfelület képlékeny károsodásáról. Tovább 2А a terhelés-elmozdulás görbe látható.
2. kép
Az egyes ciklusok modulusát az Oliver-Farr módszer alapján számítottuk ki, kirakodási adatok felhasználásával. A behúzási ciklusok a modulus monoton csökkenését mutatták a behúzás mélységének növekedésével (2V). A merevség ilyen romlása a sérülések felhalmozódásával magyarázható (2C) visszafordíthatatlan deformáció következtében. Figyelemre méltó, hogy a harmadik fejlődése a rostok körül történik, és nem rajtuk keresztül.
A fogak alkotóelemeinek mechanikai tulajdonságait kvázi statikus mikropillér kompressziós kísérletekkel is értékeltük. Fókuszált ionsugarat használtak mikrométer méretű oszlopok előállításához. A fog domború oldalán lévő elsődleges lemezek közötti kapcsolat erősségének felmérésére mikropilléreket állítottunk elő, amelyek a lemezek közötti normál interfészhez képest ferdén helyezkedtek el (2D). képen 2E egy ferde felületű mikrooszlop látható. És a diagramon 2F a nyírófeszültség mérésének eredményeit mutatjuk be.
A tudósok megjegyeznek egy érdekes tényt: a mért rugalmassági modulus csaknem a fele a benyomódási tesztekénél. Ez az eltérés a benyomódási és a kompressziós tesztek között a fogzománc esetében is megfigyelhető. Jelenleg több elmélet is magyarázza ezt az eltérést (a tesztek alatti környezeti hatásoktól a minták szennyeződéséig), de nincs egyértelmű válasz arra a kérdésre, hogy miért következik be az eltérés.
A tengeri sünök fogainak vizsgálatának következő lépése a pásztázó elektronmikroszkóppal végzett kopási teszt volt. A fogat egy speciális tartóra ragasztották, és ultrananokristályos gyémánt hordozóhoz nyomták (3А).
3. kép
A tudósok megjegyzik, hogy a kopási tesztjük változata az ellenkezője annak, amit általában akkor végeznek, amikor egy gyémántcsúcsot nyomnak a vizsgált anyag hordozójába. A kopásvizsgálati módszertan változásai lehetővé teszik a mikrostruktúrák és a fogkomponensek tulajdonságainak jobb megértését.
Ahogy a képeken is láthatjuk, a kritikus terhelés elérésekor forgács képződik. Érdemes megfontolni, hogy az arisztotelészi lámpás „harapásának” ereje a tengeri sünökben fajtól függően 1 és 50 newton között változik. A tesztben több száz mikronewtontól 1 newtonig terjedő erőt alkalmaztak, azaz. 1-5 newton az egész arisztotelészi lámpásra (mivel öt foga van).
képen 3B(i) apró részecskék (piros nyíl) láthatók, amelyek a kőterület kopása következtében keletkeztek. A kőfelület kopásával és összehúzódásával a lemezek közötti határfelületeken repedések keletkezhetnek és továbbterjedhetnek a kalcitlemezek területén a nyomó-nyíró terhelés és a feszültség felhalmozódása miatt. Pillanatképek 3B(ii) и 3B(iii) mutasd meg azokat a helyeket, ahol a töredékek letörtek.
Összehasonlításképpen kétféle kopási kísérletet végeztünk: a hozam kezdetének megfelelő állandó terheléssel (WCL) és a folyáshatárnak megfelelő állandó terheléssel (WCS). Ennek eredményeként a fogkopás két változatát kaptuk.
Kopásteszt videó:
I. szakasz
szakasz II
szakasz III
szakasz IV
A WCL tesztben állandó terhelés esetén a terület összenyomódása volt megfigyelhető, azonban a lemezeken nem észleltek csorbát vagy egyéb sérülést (4A). De a WCS-tesztben, amikor a normál erőt megnövelték a névleges érintkezési feszültség állandó fenntartása érdekében, a lemezek forgását és kiesését figyelték meg (4V).
4. kép
Ezeket a megfigyeléseket megerősíti a cselekmény (4S) a préselési terület és a forgácsolt lemezek térfogatának mérése a csúszási hossztól függően (minta a vizsgálat során gyémánt felett).
Ezen a grafikonon az is látható, hogy WCL esetén még akkor sem keletkezik chip, ha a csúszási távolság nagyobb, mint a WCS esetében. Összenyomott és feltört lemezek ellenőrzése a 4V lehetővé teszi, hogy jobban megértse a tengeri sün fogak önéleződésének mechanizmusát.
A kő összenyomott területének területe a lemez letörésével növekszik, aminek következtében az összenyomott terület egy része eltávolítható [4B(iii-v)]. A mikroszerkezeti jellemzők, mint például a kő és a lapok közötti kötés, megkönnyítik ezt a folyamatot. A mikroszkópos vizsgálat kimutatta, hogy a fogkő rostjai meggörbültek, és áthatolnak a fog domború részének lemezrétegein.
A diagramon 4S ugrás következik be a csorba terület térfogatában, amikor az új lemezt leválasztják a fogról. Kíváncsi, hogy ugyanebben a pillanatban élesen csökken a lapos régió szélessége (4D), amely az önélesítés folyamatát jelzi.
Egyszerűen fogalmazva, ezek a kísérletek azt mutatták, hogy miközben állandó normál (nem kritikus) terhelést tartanak fenn a kopási tesztek során, a hegy tompa lesz, miközben a fog éles marad. Kiderül, hogy a sünök fogai használat közben élesednek, ha a terhelés nem haladja meg a kritikus értéket, különben sérülések (forgácsok) fordulhatnak elő, nem pedig élezés.
5. kép
Annak érdekében, hogy megértsük a fogak mikrostruktúráinak szerepét, tulajdonságaikat és hozzájárulásukat az önélező mechanizmushoz, elvégeztük a kopási folyamat nemlineáris végeselemes elemzését (5А). Ehhez a fog hegyének hosszanti metszetének képeit használták, amelyek alapul szolgáltak egy kétdimenziós modellhez, amely kőből, lemezekből, gerincből, valamint a lemezek és a kő közötti interfészekből állt.
kép 5B-5H a Mises-kritérium (plaszticitási kritérium) kontúrrajzai a kő- és födémterület szélén. Amikor egy fog összenyomódik, a fogkő nagy viszkoplasztikus deformációkon megy keresztül, sérüléseket halmoz fel és összezsugorodik („lapul”).5B и 5C). A további összenyomás nyírószalagot indukál a kőben, ahol a képlékeny deformáció és sérülés nagy része felhalmozódik, leszakítva a kő egy részét, és közvetlenül érintkezésbe kerül az aljzattal (5D). A kő ilyen töredezettsége ebben a modellben megfelel a kísérleti megfigyeléseknek (hasadt töredékek a 3B(i)). Az összenyomódás a lemezek közötti rétegvesztést is eredményezi, mivel az interfész elemek vegyes terhelésnek vannak kitéve, ami dekohéziót (hámlást) eredményez. Az érintkezési felület növekedésével az érintkezési feszültségek nőnek, ami repedés kialakulását és továbbterjedését okozza a határfelületen (5B-5E). A lemezek közötti tapadás elvesztése megerősíti a csavarodást, ami a külső lemez szétválását okozza.
A karcolás súlyosbítja a felület sérülését, ami a lemez eltávolítását eredményezi, amikor a lemez(ek) széthasadnak (ahol a repedések eltérnek a felülettől és behatolnak a lemezbe, 5G). Ahogy a folyamat folytatódik, a lemez töredékei leválnak a fog hegyéről (5H).
Érdekes, hogy a szimuláció nagyon pontosan megjósolja a kő- és lemezrégióban bekövetkező törést, amit a tudósok már megfigyelések során is észrevettek (3B и 5I).
A tanulmány árnyalatainak részletesebb megismeréséhez javaslom, hogy tekintse meg и neki.
Epilógus
Ez a munka ismét megerősítette, hogy az evolúció nem nagyon támogatja az emberi fogakat. Komolyan, tanulmányukban a tudósok részletesen megvizsgálhatták és elmagyarázhatták a tengeri sünök fogainak önéleződésének mechanizmusát, amely a fog szokatlan felépítésén és a megfelelő terhelésen alapul. A sündisznó fogát borító lemezek bizonyos terhelés hatására lehámlanak, így a fog éles marad. De ez nem jelenti azt, hogy a tengeri sünök összetörhetik a köveket, mert a kritikus terhelési jelzők elérésekor repedések és forgácsok keletkeznek a fogakon. Kiderült, hogy a „hatalom van, ész nem kell” elvnek semmi haszna nem lenne.
Azt gondolhatnánk, hogy a mélytengeri lakosok fogainak tanulmányozása semmi hasznot nem hoz az embernek, kivéve a kielégíthetetlen emberi kíváncsiság kielégítését. A tanulmány során megszerzett ismeretek azonban alapul szolgálhatnak új típusú anyagok létrehozásához, amelyek a sünök fogaihoz hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek - kopásállóság, külső segítség nélkül anyagszinten önélező, tartósság.
Bárhogy is legyen, a természet sok titkot rejt, amelyeket még fel kell fednünk. Hasznosak lesznek? Talán igen, talán nem. De néha, még a legösszetettebb kutatások során is, néha nem a cél, hanem maga az utazás számít.
péntek off-top:
Az óriási algák víz alatti erdői a tengeri sünök és más szokatlan óceánlakók gyülekezőhelyeként szolgálnak. (BBC Earth, szinkronhang – David Attenborough).
Köszönöm, hogy megnézted, maradj kíváncsi és szép hétvégét mindenkinek! 🙂
Köszönjük, hogy velünk tartott. Tetszenek cikkeink? További érdekes tartalmakat szeretne látni? Támogass minket rendeléssel vagy ajánlj ismerőseidnek, 30% kedvezmény a Habr felhasználóknak a belépő szintű szerverek egyedülálló analógjára, amelyet mi találtunk ki Önnek: (RAID1 és RAID10, akár 24 maggal és akár 40 GB DDR4-gyel is elérhető).
Dell R730xd kétszer olcsóbb? Csak itt Hollandiában! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollártól! Olvasni valamiről
Forrás: will.com