Le conversazioni sui denti delle persone sono spesso associate a carie, apparecchi e sadici in camici bianchi che sognano di farsi delle perline con i tuoi denti. Ma scherzi a parte, perché senza dentisti e le regole di igiene orale, ci nutriremmo soltanto di purè di patate e di brodo attraverso una cannuccia. E tutto questo è colpa dell'evoluzione, che ci ha regalato denti tutt'altro che durevoli, che non si rigenerano nemmeno, il che, probabilmente, rende molto felici i membri dell'industria odontoiatrica. Se parliamo dei denti degli animali selvatici, ci vengono subito in mente i maestosi leoni, gli squali sanguinari e le iene estremamente positive. Tuttavia, nonostante la potenza e la forza delle loro mascelle, i loro denti non sono così straordinari come quelli dei ricci di mare. Sì, questo groviglio di aculei sott'acqua, su cui potresti calpestare rovinandoti una buona parte della vacanza, ha dei denti piuttosto buoni. Certo, non sono molti, solo cinque, ma sono unici e in grado di affilarsi da soli. Come hanno scoperto gli scienziati questa caratteristica, come avviene questo processo e come può aiutare gli esseri umani? Lo scopriremo dalla relazione del gruppo di ricerca. Andiamo.
Fondamenti della ricerca
Prima di tutto, vale la pena conoscere meglio il protagonista della ricerca: Strongylocentrotus fragilis, questo è il nome scientifico, tradotto in parole semplici, il riccio di mare rosa. Questa specie di riccio di mare non si differenzia particolarmente dagli altri suoi simili, eccezion fatta per la forma più schiacciata ai poli e il colore glamour. Vivono piuttosto in profondità (da 100 m a 1 km) e crescono fino a un diametro di 10 cm.
Lo "scheletro" di un riccio di mare, che mostra una simmetria a cinque raggi.
I ricci di mare possono essere, per quanto brutto possa sembrare, corretti e scorretti. I primi possiedono una forma del corpo praticamente rotonda con una chiara simmetria a cinque raggi, mentre i secondi sono più asimmetrici.
La prima cosa che colpisce alla vista di un riccio di mare sono i suoi aculei, che coprono tutto il corpo. In diverse specie, gli aculei possono variare da 2 mm fino a 30 cm. Oltre agli aculei, sul corpo ci sono le sferidi (organi dell'equilibrio) e le pedicellarìe (prolungamenti simili a pinzette).
Al centro si vedono chiaramente tutti e cinque i denti.
Per rappresentare un riccio di mare, è necessario iniziare a stare a testa in giù, poiché l'apertura boccale si trova nella parte inferiore del corpo, mentre le altre aperture si trovano nella parte superiore. La bocca dei ricci di mare è dotata di un apparato masticatorio con un bellissimo nome scientifico: "lampada di Aristotele" (è stato Aristotele a descrivere per primo questo organo e a confrontarlo nella forma con una lampada portatile dell'antichità). Questo organo è dotato di cinque mascelle, ognuna delle quali termina con un dente affilato (la lampada di Aristotele del riccio rosa in esame è mostrata nella foto 1C qui sotto).
Si ipotizza che la durata dei denti dei ricci di mare sia garantita dal loro costante affilamento, che avviene attraverso la distruzione graduale delle piastre mineralizzate del dente per mantenere l'affilatezza della superficie distale.
Ma come avviene esattamente questo processo, quali denti devono essere affilati e quali no, e come viene presa questa decisione importante? Gli scienziati hanno cercato di trovare risposte a queste domande.
Risultati dello studio
Immagine n. 1
Prima di rivelare i segreti dentali dei ricci di mare, esaminiamo la struttura dei loro denti in generale.
Nelle immagini 1A—1С viene mostrato il protagonista dello studio: il riccio di mare rosa. Come altri ricci di mare, i rappresentanti di questa specie ottengono i loro componenti minerali dall'acqua di mare. Tra gli elementi scheletrici, i denti sono fortemente mineralizzati (99%) con calcite arricchita di magnesio.
Come abbiamo già discusso in precedenza, i ricci usano i loro denti per raschiare il cibo. Ma oltre a questo, con i denti scavano delle tane in cui si nascondono dai predatori o dal maltempo. Considerando questo utilizzo così insolito dei denti, questi ultimi devono essere estremamente resistenti e affilati.
Nell'immagine 1D è mostrata la tomografia computerizzata micro del segmento di un dente intero, che mostra che il dente è formato lungo una curva ellittica con una sezione trasversale a forma di T.
La sezione trasversale del dente (1Е) mostra che il dente consiste di tre aree strutturali: piani primari, zona calcarea e piani secondari. La zona calcarea è composta da fibre di piccolo diametro, circondate da un involucro organico. Le fibre sono racchiuse in una matrice policristallina composta da particelle di calcite ricca di magnesio. Il diametro di queste particelle è compreso tra 10 e 20 nm. I ricercatori notano che la concentrazione di magnesio è eterogenea in tutto il dente e aumenta verso la sua estremità, fornendo una maggiore resistenza all'usura e durezza.
La sezione trasversale (1F) della zona calcarea del dente mostra la rottura delle fibre e il distacco che avviene a causa del distacco al confine tra fibre e involucro organico.
I piani primari consistono solitamente di monocrisalli di calcite e sono disposti sulla superficie convessa del dente, mentre i piani secondari riempiono la superficie concava.
Nella foto 1G si può vedere un insieme di piani primari curvi, disposti parallelamente tra loro. L'immagine mostra anche le fibre e la matrice policristallina che riempie lo spazio tra i piani. La chiglia (1H) forma la base della sezione trasversale a T e aumenta la rigidità del dente durante la flessione.
Ora che conosciamo quale struttura ha il dente dell'eccentrico marino rosa, dobbiamo scoprire le proprietà meccaniche dei suoi componenti. Per questo sono stati effettuati test di compressione utilizzando un microscopio elettronico a scansione e il metodo nanoindentazione*. Nei test nanomeccanici sono stati utilizzati campioni tagliati lungo le orientazioni longitudinale e trasversale del dente.
Nanoindentazione* è il test del materiale mediante l'impatto di uno strumento speciale sulla superficie del campione — l'indentatore.
L'analisi dei dati ha mostrato che il modulo di Young medio (E) e la durezza (H) sulla punta del dente nelle direzioni longitudinale e trasversale sono: EL = 77,3 ± 4,8 GPa, HL = 4,3 ± 0,5 GPa (longitudinale) e ET = 70,2 ± 7,2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (trasversale).
Modulo di Young* è una grandezza fisica che descrive la capacità di un materiale di resistere alla tensione e alla compressione.
Durezza* è la proprietà di un materiale di resistere all'impronta di un corpo più duro (indentatore).
Inoltre, sono state eseguite delle cavità in direzione longitudinale con un carico ciclico aggiuntivo, per creare un modello di danneggiamento visco-plastico per l'area rocciosa. Su 2A è mostrata la curva carico-spostamento.
Immagine n. 2
Il modulo per ogni ciclo è stato calcolato utilizzando il metodo di Oliver e Farr avvalendosi dei dati di scarico. I cicli di imprinted hanno mostrato una diminuzione monotona del modulo con l'aumento della profondità di imprinted (2D). Tale deterioramento della rigidità è spiegato dall'accumulo di danni (2C) a causa della deformazione irreversibile. È degno di nota che lo sviluppo di terzi si verifica attorno alle fibre e non attraverso di esse.
Le proprietà meccaniche delle componenti dei denti sono state valutate anche attraverso esperimenti di compressione quasisstatica di microcolonne. Per la realizzazione delle colonne delle dimensioni di micrometri è stato utilizzato un fascio di ioni focalizzati. Per valutare la resistenza del collegamento tra le piastre primarie sul lato convesso del dente, sono state realizzate microcolonne con un'orientazione inclinata rispetto all'interfaccia normale tra le piastre (2D). Nella foto 2E è mostrata una microcolonna con interfaccia inclinata. E nel grafico 2F sono mostrati i risultati della misurazione dello stress di taglio.
Gli scienziati notano un fatto curioso: il modulo di elasticità misurato è quasi due volte inferiore rispetto a quello nei test di imprinted. Tale discrepanza tra i test di imprinted e di compressione è osservata anche per lo smalto dentale. Attualmente esistono diverse teorie che spiegano questa discrepanza (dall'influenza dell'ambiente durante i test alla contaminazione dei campioni), tuttavia non c'è ancora una risposta chiara sul perché questa discrepanza si verifichi.
La fase successiva dello studio sui denti del riccio di mare sono stati i test di usura, condotti utilizzando un microscopio elettronico a scansione. Il dente è stato incollato a un supporto speciale e premuto su un substrato di diamante ultranano-cristallino (3A).
Immagine n. 3
Gli scienziati osservano che la loro variante del test di usura è oppositiva a quelle normalmente condotte, quando la punta di diamante viene impressa nel substrato del materiale in esame. Le modifiche alla metodologia del test di usura consentono di studiare meglio le proprietà delle microstrutture e delle componenti del dente.
Come possiamo vedere nelle immagini, al raggiungimento di un carico critico iniziano a formarsi delle scheggiature. È importante considerare che la forza del «morso» della lampada aristotelica dei ricci di mare varia da 1 a 50 newton a seconda della specie. Nel test, invece, è stata applicata una forza da centinaia di micro-newton a 1 newton, ossia da 1 a 5 newton per tutta la lampada aristotelica (poiché ci sono cinque denti).
Nella foto 3B(i) sono visibili piccole particelle (freccia rossa) generate dall'usura dell'area della pietra. Poiché l'area della pietra si usura e si comprime, le crepe tra le lastre possono insorgere e propagarsi a causa del carico di compressione-salti e dell'accumulo di stress nelle zone delle lastre di calcite. Immagini 3B(ii) e 3B(iii) mostrano i punti in cui i frammenti si sono staccati.
Per confronto, sono stati condotti due tipi di esperimenti di usura: con carico costante pari all'inizio della plasticità (WCL) e con carico costante pari al limite di plasticità (WCS). Di conseguenza, sono stati ottenuti due tipi di usura del dente.
Video dei test di usura:
Fase I
Fase II
Fase III
Fase IV
Nel caso del carico costante nel test WCL si è osservata una compressione dell'area, ma non sono state notate scheggiature o altri danni alle lastre (4A). Nel test WCS, tuttavia, quando la forza normale è stata aumentata per mantenere costante la tensione di contatto nominale, sono state osservate scheggiature e distacco delle lastre (4В).
Immagine n. 4
Queste osservazioni sono confermate dal grafico (4С) delle misurazioni dell'area di compressione e del volume delle lastre scheggiate in funzione della lunghezza del scorrimento (del campione di diamante durante il test).
Questo grafico mostra anche che nel caso del WCL le scheggiature non si formano anche se la distanza di scivolamento è maggiore rispetto al WCS. L'ispezione delle lastre compresse e scheggiate su 4В permette di comprendere meglio il meccanismo di auto-affilatura dei denti del riccio di mare.
L'area compressa della pietra aumenta man mano che la lastra si scheggia, il che porta alla rimozione di parte dell'area compressa [4B (iii-v)]. Le caratteristiche microstrutturali, come il legame tra la pietra e le lastre, facilitano questo processo. La microscopia ha mostrato che le fibre nell'area della pietra si piegano e penetrano attraverso i strati delle lastre nella parte convessa del dente.
Nel grafico 4С si osserva un aumento del volume dell'area scheggiata, quando una nuova piastra si stacca dal dente. È curioso notare che in quel momento si verifica una forte riduzione della larghezza dell'area schiacciata (4D), che indica un processo di autoaffilatura.
In altre parole, questi esperimenti hanno dimostrato che durante il mantenimento di un carico normale (non critico) durante i test di usura, la punta si affila, mentre il dente rimane affilato. Quindi, i denti dell'istrice si affilano durante l'uso, se il carico non supera il limite critico, altrimenti possono verificarsi danni (scheggiature) anziché affilatura.
Immagine n. 5
Per comprendere il ruolo delle microstrutture del dente, delle loro proprietà e del loro contributo al meccanismo di autoaffilatura, è stata condotta un'analisi non lineare del processo di usura mediante il metodo degli elementi finiti (5A). A questo scopo sono state utilizzate immagini della sezione trasversale longitudinale della punta del dente, che hanno fornito la base per un modello bidimensionale composto da pietra, piastre, chiglia e interfacce tra piastre e pietra.
Immagini 5B–5H sono grafici contornati del criterio di von Mises (criterio di plasticità) al bordo dell'area della pietra e della piastra. Quando il dente è compresso, la pietra subisce grandi deformazioni viscoplastiche, accumula danni e si comprime («si schiaccia») (5B e 5C). Ulteriore compressione causa una banda di scorrimento nella pietra, dove si accumula gran parte della deformazione plastica e dei danni, strappando una parte di pietra, portando al suo diretto contatto con il substrato (5D). Tale frammentazione della pietra in questo modello corrisponde alle osservazioni sperimentali (frammenti scheggiati su 3B(i)). La compressione porta anche al distacco tra le piastre, poiché gli elementi dell'interfaccia sono sottoposti a carichi misti, provocando decogezione (sfaldamento). Con l'aumento dell'area di contatto, le tensioni da contatto aumentano, causando la nascita e la propagazione di crepe sull'interfaccia (5B—5E). La perdita di adesione tra le piastre aumenta la flessione, durante la quale la piastra esterna si stacca.
Il graffiamento aggrava il danno all'interfaccia, portando alla rimozione della piastra, quando le piastre sono soggette a fessurazione (laddove le crepe si allontanano dall'interfaccia e penetrano nella piastra, 5G). Con l'avanzare del processo, i frammenti della placca si staccano dalla punta del dente (5H).
Curiosamente, la modellazione predice con grande precisione la scheggiatura sia nell'area della pietra sia in quella delle placche, come già osservato dagli scienziati durante le loro osservazioni (3B e 5I).
Per un approfondimento sulle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a e ad essa.
Epilogo
Questo lavoro ha ulteriormente confermato che l'evoluzione non è stata molto favorevole ai denti umani. A dire il vero, nella sua ricerca, gli scienziati sono stati in grado di esaminare e spiegare in dettaglio il meccanismo di autoaffilatura dei denti delle ricci di mare, basato su una struttura dentale insolita e su una corretta sollecitazione. Le placche che ricoprono il dente del riccio si sfaldano sotto una certa pressione, permettendo di mantenere il dente affilato. Ma ciò non significa che i ricci di mare possano triturare le pietre, poiché al raggiungimento di carichi critici sui denti si formano crepe e scheggiature. Quindi, il principio "la forza c'è, l'intelligenza non serve" sicuramente non porterebbe alcun beneficio.
Si potrebbe pensare che lo studio dei denti degli abitanti delle profondità marine non abbia alcuna utilità per l'uomo, tranne che per soddisfare la insaziabile curiosità umana. Tuttavia, le conoscenze acquisite durante questa ricerca potrebbero servire da base per la creazione di nuovi tipi di materiali che abbiano proprietà simili a quelle dei denti dei ricci, come resistenza all'usura, autoaffilatura a livello materiale senza aiuto esterno e durabilità.
In ogni caso, la natura nasconde molti segreti che dobbiamo ancora svelare. Saranno utili? Forse sì, forse no. Ma a volte, anche nelle ricerche più complesse, ciò che conta non è la meta, ma il viaggio stesso.
Off-topic del venerdì:
Le foreste sottomarine di alghe giganti servono da luogo di raccolta per i ricci di mare e altri abitanti insoliti degli oceani. (BBC Earth, voce fuori campo — David Attenborough).
Grazie per l'attenzione, rimanete curiosi e buon fine settimana a tutti, ragazzi! 🙂
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Fonte: habr.com
