Կծու և սուր, ուր էլ որ նայեք. ծովի ոզնի ատամների ինքնասրել մեխանիզմը

Մարդկանց ատամների մասին խոսելն ամենից հաճախ կապված է կարիեսի, բրեկետների և սպիտակ վերարկուներով սադիստների հետ, ովքեր միայն երազում են ձեր ատամներից ուլունքներ պատրաստել: Բայց կատակները մի կողմ, որովհետև առանց ատամնաբույժների և բերանի խոռոչի հիգիենայի հաստատված կանոնների մենք կուտեինք միայն մանրացված կարտոֆիլ և ապուր՝ ծղոտի միջով։ Եվ ամեն ինչի մեղավորն է էվոլյուցիան, որը մեզ տվել է հեռու ամենադիմացկուն ատամներից, որոնք մինչ օրս չեն վերականգնվում, ինչը, հավանաբար, աննկարագրելիորեն գոհացնում է ատամնաբուժական ոլորտի ներկայացուցիչներին։ Եթե ​​խոսենք վայրի բնության ներկայացուցիչների ատամների մասին, ապա անմիջապես մտքիս են գալիս հոյակապ առյուծներ, արյունարբու շնաձկներ և չափազանց դրական բորենիներ։ Այնուամենայնիվ, չնայած նրանց ծնոտների ուժին և ամրությանը, նրանց ատամները այնքան էլ զարմանալի չեն, որքան ծովային ոզնիները։ Այո, ջրի տակ գտնվող ասեղների այս գունդը, որի վրա ոտք դնելով, կարող ես փչացնել արձակուրդիդ մի լավ հատված, բավականին լավ ատամներ ունի։ Իհարկե, նրանցից շատերը չկան, ընդամենը հինգը, բայց նրանք յուրովի եզակի են և կարողանում են սրել իրենց։ Ինչպե՞ս են գիտնականները բացահայտել նման հատկանիշը, կոնկրետ ինչպե՞ս է ընթանում այս գործընթացը և ինչպե՞ս կարող է այն օգնել մարդկանց։ Այս մասին տեղեկանում ենք հետազոտական ​​խմբի զեկույցից։ Գնա։

Հետազոտության հիմքը

Առաջին հերթին արժե ծանոթանալ հետազոտության գլխավոր հերոսին՝ Strongylocentrotus fragilis-ին, մարդկային առումով՝ վարդագույն ծովախոզուկով։ Ծովային ոզնի այս տեսակը շատ չի տարբերվում իր մյուս նմանակներից, բացառությամբ բևեռներում ավելի հարթ ձևի և դյութիչ գույնի: Ապրում են բավականին խորը (100 մ-ից մինչև 1 կմ), իսկ տրամագիծը հասնում է 10 սմ-ի։

Ծովային ոզնի «կմախքը», որը ցույց է տալիս հինգ ճառագայթային համաչափություն։

Ծովային ոզնիները, որքան էլ կոպիտ հնչի, ճիշտ են և սխալ: Առաջիններն ունեն մարմնի գրեթե կատարյալ կլոր ձև՝ ընդգծված հինգ ճառագայթային համաչափությամբ, մինչդեռ երկրորդներն ավելի ասիմետրիկ են։

Առաջին բանը, որ գրավում է ձեր աչքը, երբ տեսնում եք ծովախեցգետին, նրա քիվերն են, որոնք ծածկում են ամբողջ մարմինը: Տարբեր տեսակների մոտ ասեղները կարող են լինել 2 մմ-ից մինչև 30 սմ: Բացի ասեղներից, մարմինը ունի սֆերիդիա (հավասարակշռության օրգաններ) և պեդիկելարիա (գործընթացներ, որոնք նման են ֆորսպսի):

Կենտրոնում բոլոր հինգ ատամները հստակ երևում են։

Ծովային ոզնին պատկերելու համար նախ պետք է գլխիվայր կանգնել, քանի որ նրա բերանի բացվածքը գտնվում է մարմնի ստորին մասում, իսկ մյուս անցքերը՝ վերին մասում։ Ծովային ոզնիների բերանը հագեցված է «Արիստոտելի լապտեր» գիտական ​​գեղեցիկ անունով կրծող ապարատով (հենց Արիստոտելն է առաջինը նկարագրել այս օրգանը և այն իր տեսքով համեմատել հնաոճ շարժական լապտերի հետ): Այս օրգանը հագեցած է հինգ ծնոտով, որոնցից յուրաքանչյուրն ավարտվում է սուր ատամով (հետազոտված վարդագույն ոզնի արիստոտելյան լապտերը ներկայացված է ստորև նկարում 1C):

Ենթադրություն կա, որ ծովային ոզնիների ատամների ամրությունը ապահովվում է դրանց մշտական ​​սրմամբ, որը տեղի է ունենում հանքայնացված ատամի թիթեղների աստիճանական ոչնչացման միջոցով՝ պահպանելով հեռավոր մակերեսի սրությունը:

Բայց կոնկրետ ինչպե՞ս է ընթանում այս գործընթացը, ո՞ր ատամներն է պետք սրել, որը՝ ոչ, և ինչպե՞ս է կայացվում այս կարևոր որոշումը։ Գիտնականները փորձել են գտնել այս հարցերի պատասխանները։

Ուսումնասիրության արդյունքները

Պատկեր թիվ 1

Ծովային ոզնիների ատամնաբուժական գաղտնիքները բացահայտելուց առաջ հաշվի առեք նրանց ատամների կառուցվածքն ընդհանրապես։

Նկարների վրա 1A-1S ցուցադրված է հետազոտության հերոսը՝ վարդագույն ծովախեցգետին։ Ինչպես մյուս ծովային ոզնիները, այս տեսակի ներկայացուցիչներն էլ իրենց հանքային բաղադրիչները ստանում են ծովի ջրից։ Կմախքի տարրերից ատամները բարձր հանքայնացված են (99%-ով) մագնեզիումով հարստացված կալցիտով։

Ինչպես ավելի վաղ խոսեցինք, ոզնիներն օգտագործում են իրենց ատամները սնունդը քերելու համար: Բայց բացի դրանից, ատամների օգնությամբ նրանք իրենց համար փոսեր են փորում, որոնցում թաքնվում են գիշատիչներից կամ վատ եղանակից։ Հաշվի առնելով ատամների այս անսովոր օգտագործումը՝ վերջիններս պետք է լինեն չափազանց ամուր և սուր։

Պատկերի վրա 1D Ցուցադրված է մի ամբողջ ատամի հատվածի միկրոհաշվարկային տոմոգրաֆիա՝ պարզ դարձնելով, որ ատամը ձևավորվել է էլիպսաձև կորի երկայնքով՝ T-աձև խաչմերուկով:

Ատամի խաչմերուկ (1E) ցույց է տալիս, որ ատամը կազմված է երեք կառուցվածքային շրջաններից՝ առաջնային թաղանթներից, քարերի շրջանից և երկրորդային շերտավոր շերտերից։ Քարի տարածքը բաղկացած է փոքր տրամագծով մանրաթելերից՝ շրջապատված օրգանական պատյանով։ Մանրաթելերը պարուրված են պոլիբյուրեղային մատրիցով, որը կազմված է մագնեզիումով հարուստ կալցիտի մասնիկներից: Այս մասնիկների տրամագիծը մոտ 10-20 նմ է։ Հետազոտողները նշում են, որ մագնեզիումի կոնցենտրացիան ամբողջ ատամում միատեսակ չէ և աճում է նրա ծայրին մոտ, ինչը ապահովում է մաշվածության դիմադրության և կարծրության բարձրացում:

Երկայնական հատված (1F) ատամի քարը ցույց է տալիս մանրաթելերի քայքայումը, ինչպես նաև տարանջատումը, որը տեղի է ունենում մանրաթելերի և օրգանական թաղանթի միջերեսի շերտազատման պատճառով:

Առաջնային վինիրները սովորաբար կազմված են կալցիտի միաբյուրեղներից և տեղակայված են ատամի ուռուցիկ մակերեսին, մինչդեռ երկրորդական վինիրները լրացնում են գոգավոր մակերեսը:

Պատկերված 1G կարելի է տեսնել կոր առաջնային թիթեղների զանգված, որոնք ընկած են միմյանց զուգահեռ: Նկարում պատկերված են նաև մանրաթելեր և բազմաբյուրեղ մատրիցա, որը լրացնում է թիթեղների միջև ընկած տարածությունը: կիլիա (1H) կազմում է լայնակի T-հատվածի հիմքը և մեծացնում ատամի ծռման կոշտությունը։

Քանի որ մենք գիտենք, թե ինչ կառուցվածք ունի վարդագույն ծովատառեխի ատամը, այժմ պետք է պարզենք դրա բաղադրիչների մեխանիկական հատկությունները։ Դրա համար սեղմման թեստեր են իրականացվել սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակի և մեթոդի միջոցով նանոինտացիա*. Ատամի երկայնական և լայնակի կողմնորոշումների երկայնքով կտրված նմուշները մասնակցել են նանոմեխանիկական թեստերին:

Նանոինտացիա* - նյութի ստուգում հատուկ գործիքի նմուշի մակերևույթի մեջ ներթափանցելու մեթոդով` ներդիր:

Տվյալների վերլուծությունը ցույց է տվել, որ Յանգի միջին մոդուլը (E) և կարծրությունը (H) ատամի ծայրում երկայնական և լայնակի ուղղություններով են՝ EL = 77.3 ± 4,8 ԳՊա, HL = 4.3 ± 0.5 ԳՊա (երկայնական) և ET = 70.2 ± 7.2: GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (լայնակի):

Յանգի մոդուլը* - ֆիզիկական մեծություն, որը նկարագրում է նյութի լարվածությունը և սեղմումը դիմակայելու ունակությունը:

Կարծրություն* - նյութի հատկությունը՝ դիմակայելու ավելի պինդ մարմնի (indenter) ներմուծմանը։

Բացի այդ, երկայնական ուղղությամբ գոգավորություններ են արվել ցիկլային լրացուցիչ բեռով, որպեսզի ստեղծվի քարի տարածքի ճկուն վնասման մոդել: Վրա 2A ցույց է տրված բեռ-տեղաշարժի կորը:

Պատկեր թիվ 2

Յուրաքանչյուր ցիկլի համար մոդուլը հաշվարկվել է Օլիվեր-Ֆարր մեթոդի հիման վրա՝ օգտագործելով բեռնաթափման տվյալները: Անջատման ցիկլերը ցույց են տվել մոդուլի միապաղաղ նվազում՝ խորացման խորության աճով (2V) Կոշտության նման վատթարացումը բացատրվում է վնասի կուտակմամբ (2C) անդառնալի դեֆորմացիայի արդյունքում. Հատկանշական է, որ երրորդի զարգացումը տեղի է ունենում մանրաթելերի շուրջ, այլ ոչ թե դրանց միջոցով։

Ատամի բաղադրամասերի մեխանիկական հատկությունները նույնպես գնահատվել են՝ օգտագործելով քվազաստատիկ միկրոսյունների սեղմման փորձեր: Միկրոմետրի չափի սյուներ պատրաստելու համար օգտագործվել է կենտրոնացված իոնային ճառագայթ: Ատամի ուռուցիկ կողմում առաջնային թիթեղների միջև կապի ուժը գնահատելու համար միկրոսյուններ են պատրաստվել թիթեղների միջև նորմալ միջերեսի համեմատ թեք կողմնորոշմամբ (2D) Պատկերված 2E ցուցադրվում է թեք միջերեսով միկրոսյունակ: Եվ գծապատկերում 2F ցույց են տրված կտրվածքային լարվածության չափման արդյունքները:

Գիտնականները նշում են մի հետաքրքիր փաստ. առաձգականության չափված մոդուլը գրեթե կեսն է, քան թեստերի հետքերը: Այս անհամապատասխանությունը ներծծման և սեղմման թեստերի միջև նկատվում է նաև ատամի էմալի դեպքում: Այս պահին կան մի քանի տեսություններ, որոնք բացատրում են այս անհամապատասխանությունը (փորձարկումների ընթացքում շրջակա միջավայրի ազդեցությունից մինչև նմուշների աղտոտում), սակայն հստակ պատասխան չկա այն հարցին, թե ինչու է առաջանում անհամապատասխանությունը:

Ծովային ոզնի ատամների ուսումնասիրության հաջորդ քայլը մաշվածության թեստերն էին, որոնք իրականացվել են սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակի միջոցով: Ատամը սոսնձվել է հատուկ պահարանի վրա և սեղմվել ուլտրանաբյուրեղային ադամանդի հիմքի վրա (3A).

Պատկեր թիվ 3

Գիտնականները նշում են, որ մաշվածության թեստի իրենց տարբերակը հակառակն է այն ամենին, ինչ սովորաբար արվում է, երբ ադամանդի ծայրը սեղմվում է ուսումնասիրվող նյութի ենթաշերտի մեջ: Մաշվածության փորձարկման մեթոդաբանության փոփոխությունները թույլ են տալիս ավելի լավ հասկանալ միկրոկառուցվածքների և ատամի բաղադրիչների հատկությունները:

Ինչպես տեսնում ենք նկարներում, երբ կրիտիկական բեռը հասնում է, չիպերը սկսում են ձևավորվել: Հարկ է հաշվի առնել, որ արիստոտելյան լապտերի «խայթոցի» ուժը ծովային ոզնիների մեջ տատանվում է կախված տեսակից 1-ից մինչև 50 նյուտոն: Փորձարկման ժամանակ ուժ է կիրառվել հարյուրավոր միկրոնյուտոնից մինչև 1 նյուտոն, այսինքն. 1-ից 5 նյուտոն ամբողջ Արիստոտելյան լապտերի համար (քանի որ կան հինգ ատամ):

Պատկերված 3B(i) տեսանելի են մանր մասնիկներ (կարմիր սլաք), որոնք առաջացել են քարի տարածքի մաշվածության արդյունքում։ Քանի որ քարի տարածքը մաշվում և կծկվում է, թիթեղների միջերեսների ճաքերը կարող են առաջանալ և տարածվել սեղմման-կտրման բեռնման և կալցիտի թիթեղների տարածքում լարվածության կուտակման պատճառով: Պատկերներ 3B(ii) и 3B(iii) ցույց տվեք այն վայրերը, որտեղ կոտրվել են բեկորները:

Համեմատության համար իրականացվել են երկու տեսակի մաշվածության փորձեր՝ ելքի սկզբին (WCL) համապատասխան հաստատուն բեռնվածությամբ և զիջման ուժին (WCS) համապատասխան հաստատուն բեռնվածությամբ։ Արդյունքում ստացվել է ատամի մաշվածության երկու տարբերակ.

Հագուստի փորձարկման տեսանյութ.

I փուլ

II փուլ

III փուլ

IV փուլ

WCL թեստում մշտական ​​ծանրաբեռնվածության դեպքում նկատվել է տարածքի սեղմում, սակայն թիթեղների ճեղքվածք կամ այլ վնաս չի նկատվել (4A) Բայց WCS թեստում, երբ նորմալ ուժն ավելացվեց անվանական կոնտակտային լարման հաստատունը պահպանելու համար, նկատվեցին թիթեղներից ցատկել և ընկնել (4V).

Պատկեր թիվ 4

Այս դիտարկումները հաստատվում են սյուժեով (4S) սեղմման տարածքի և տրորված թիթեղների ծավալի չափումներ՝ կախված սահելու երկարությունից (փորձարկման ընթացքում ադամանդի վրայի նմուշ):

Այս գրաֆիկը նաև ցույց է տալիս, որ WCL-ի դեպքում չիպեր չեն ձևավորվում, նույնիսկ եթե սահելու հեռավորությունը ավելի մեծ է, քան WCS-ի դեպքում: Սեղմված և փշրված թիթեղների ստուգում 4V թույլ է տալիս ավելի լավ հասկանալ ծովախոզուկի ատամների ինքնուրույն սրման մեխանիզմը։

Քարի սեղմված տարածքի տարածքը մեծանում է, երբ թիթեղը կոտրվում է, ինչի հետևանքով սեղմված տարածքի մի մասը հեռացվում է [4B(iii-v)]. Միկրոկառուցվածքային առանձնահատկությունները, ինչպիսիք են քարի և սալերի միջև կապը, հեշտացնում են այս գործընթացը: Մանրադիտակը ցույց է տվել, որ քարի մանրաթելերը թեքված են և թափանցում են ատամի ուռուցիկ հատվածի թիթեղների շերտերով։

Գծապատկերի վրա 4S ատամից նոր թիթեղն անջատվելիս նկատվում է կտրված հատվածի ծավալի ցատկում: Հետաքրքիր է, որ նույն պահին նկատվում է շերտավոր շրջանի լայնության կտրուկ նվազում (4D), որը ցույց է տալիս ինքնասրացման գործընթացը։

Պարզ ասած, այս փորձերը ցույց են տվել, որ մաշվածության թեստերի ընթացքում մշտական ​​նորմալ (ոչ կրիտիկական) բեռը պահպանելով, ծայրը դառնում է բութ, իսկ ատամը մնում է սուր: Պարզվում է, որ ոզնիների ատամները սրվում են օգտագործման ժամանակ, եթե ծանրաբեռնվածությունը չի գերազանցում կրիտիկականը, հակառակ դեպքում կարող է վնասվել (չիպսեր), այլ ոչ թե սրվել։

Պատկեր թիվ 5

Ատամի միկրոկառուցվածքների դերը, դրանց հատկությունները և դրանց ներդրումը ինքնասրացման մեխանիզմում հասկանալու համար իրականացվել է մաշվածության գործընթացի ոչ գծային վերջավոր տարրերի վերլուծություն (5A) Դրա համար օգտագործվել են ատամի ծայրի երկայնական հատվածի պատկերներ, որոնք հիմք են ծառայել երկչափ մոդելի համար, որը բաղկացած է քարից, թիթեղներից, կիլիից և թիթեղների և քարի միջերեսներից:

Изображения 5B-5H Միզեսի չափանիշի (պլաստիկության չափանիշ) եզրագծեր են քարի և սալաքարի տարածքի եզրին: Երբ ատամը սեղմվում է, քարը ենթարկվում է մեծ վիսկոպլաստիկ դեֆորմացիաների, կուտակվում է վնաս և փոքրանում («հարթեցնում») (5B и 5C) Հետագա սեղմումը քարի մեջ առաջացնում է կտրող ժապավեն, որտեղ կուտակվում է պլաստիկ դեֆորմացիայի և վնասի մեծ մասը՝ պոկելով քարի մի մասը, այն անմիջական շփման մեջ դնելով հիմքի հետ (5D) Այս մոդելում քարի նման մասնատումը համապատասխանում է փորձարարական դիտարկումներին (բեկորների պառակտում 3B(i)) Սեղմումը նաև հանգեցնում է թիթեղների միջև շերտազատման, քանի որ միջերեսի տարրերը ենթարկվում են խառը բեռնման, ինչը հանգեցնում է քայքայման (կլեպի): Քանի որ կոնտակտային տարածքը մեծանում է, կոնտակտային լարումները մեծանում են՝ առաջացնելով միջերեսի ճաքի առաջացում և տարածում (5B-5E) Թիթեղների միջև կպչունության կորուստը ուժեղացնում է թեքությունը, ինչը հանգեցնում է արտաքին ափսեի անջատմանը:

Քորելը խորացնում է միջերեսի վնասը, ինչը հանգեցնում է թիթեղների հեռացմանը, երբ թիթեղները ճեղքվում են (որտեղ ճաքերը շեղվում են միջերեսից և թափանցում ափսե, 5G) Երբ գործընթացը շարունակվում է, ափսեի բեկորները անջատվում են ատամի ծայրից (5H).

Հետաքրքիր է, որ սիմուլյացիան շատ ճշգրիտ կանխատեսում է թե՛ քարի, և թե՛ ափսեի հատվածներում բեկորներ, ինչը գիտնականներն արդեն նկատել են դիտարկումների ժամանակ (3B и 5I).

Ուսումնասիրության նրբություններին ավելի մանրամասն ծանոթանալու համար խորհուրդ եմ տալիս նայել հայտնում են գիտնականները и Լրացուցիչ նյութեր նրան.

Վերջաբան

Այս աշխատանքը ևս մեկ անգամ հաստատեց, որ էվոլյուցիան այնքան էլ չի նպաստում մարդու ատամներին: Լուրջ, իրենց ուսումնասիրության ընթացքում գիտնականները կարողացել են մանրամասն ուսումնասիրել և բացատրել ծովային ոզնիների ատամների ինքնահաստատման մեխանիզմը, որը հիմնված է ատամի անսովոր կառուցվածքի և դրա վրա ճիշտ ծանրաբեռնվածության վրա։ Ոզնու ատամը ծածկող թիթեղները որոշակի ծանրաբեռնվածության տակ թեփոտվում են, ինչը թույլ է տալիս ատամը սուր պահել։ Բայց դա չի նշանակում, որ ծովախեցգետինները կարող են քարեր ջարդել, քանի որ երբ հասնում են կրիտիկական ծանրաբեռնվածության ցուցանիշներին, ատամների վրա առաջանում են ճաքեր և չիպսեր։ Ստացվում է, որ «իշխանություն կա, խելք պետք չէ» սկզբունքը, իհարկե, ոչ մի օգուտ չի բերի։

Կարելի է կարծել, որ խոր ծովի բնակիչների ատամների ուսումնասիրությունը մարդուն ոչ մի օգուտ չի բերում, բացի մարդկային անհագ հետաքրքրասիրության բավարարումից։ Այնուամենայնիվ, այս ուսումնասիրության ընթացքում ձեռք բերված գիտելիքները կարող են հիմք ծառայել նյութերի նոր տեսակների ստեղծման համար, որոնք կունենան ոզնիների ատամների նման հատկություններ՝ մաշվածության դիմադրություն, նյութի մակարդակով ինքնասրացում առանց արտաքին օգնության և ամրություն:

Ինչ էլ որ լինի, բնությունը շատ գաղտնիքներ է պահում, որոնք մենք դեռ պետք է բացահայտենք: Արդյո՞ք դրանք օգտակար կլինեն: Միգուցե այո, գուցե ոչ։ Բայց երբեմն, նույնիսկ ամենաբարդ հետազոտության մեջ, երբեմն կարևորը ոչ թե նպատակակետն է, այլ հենց ճանապարհորդությունը:

Ուրբաթ off-top:

Հսկա ջրիմուռների ստորջրյա անտառները ծառայում են որպես ծովային ոզնիների և այլ արտասովոր օվկիանոսների բնակիչների հավաքատեղի: (BBC Earth, ձայնային ձայնագրություն - Դեյվիդ Աթենբորո):

Շնորհակալություն դիտելու համար, մնացեք հետաքրքրասեր և անցկացրեք հիանալի հանգստյան օր բոլորին: 🙂

Շնորհակալություն մեզ հետ մնալու համար: Ձեզ դուր են գալիս մեր հոդվածները: Ցանկանու՞մ եք տեսնել ավելի հետաքրքիր բովանդակություն: Աջակցեք մեզ՝ պատվիրելով կամ խորհուրդ տալով ընկերներին, 30% զեղչ Habr-ի օգտատերերի համար մուտքի մակարդակի սերվերների եզակի անալոգի վրա, որը ստեղծվել է մեր կողմից ձեզ համար. Ամբողջ ճշմարտությունը VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps 20 դոլարից կամ ինչպես կիսել սերվերը: (հասանելի է RAID1 և RAID10-ով, մինչև 24 միջուկով և մինչև 40 ԳԲ DDR4):

Dell R730xd 2 անգամ ավելի էժան? Միայն այստեղ 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 հեռուստացույց $199-ից Նիդեռլանդներում! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - $99-ից: Կարդացեք մասին Ինչպես կառուցել ենթակառուցվածքի կորպ. դաս՝ 730 եվրո արժողությամբ Dell R5xd E2650-4 v9000 սերվերների օգտագործմամբ մեկ կոպեկի համար:

Source: www.habr.com