Le conversazioni sui denti nella maggior parte delle persone evocano spesso pensieri su carie, apparecchi ortodontici e sadici in camici bianchi che sognano di realizzare collane con i tuoi denti. Ma scherzi a parte, senza i dentisti e le norme igieniche che regolano la nostra bocca, ci nutriremmo solo di purè di patate e zuppe tramite una cannuccia. Tutto ciò è colpa dell'evoluzione, che ci ha donato denti di certo non molto durevoli, i quali non si rigenerano, il che sicuramente rende felici i rappresentanti dell'industria odontoiatrica. Se parliamo dei denti degli animali selvatici, subito ci vengono in mente i maestosi leoni, gli spietati squali e le straordinarie iene. Tuttavia, nonostante la potenza e la forza delle loro mascelle, i loro denti non sono così incredibili come quelli dei ricci di mare. Sì, quel gruppo di spine sott'acqua, su cui potresti battere e rovinarti buona parte della vacanza, ha denti del tutto rispettabili. Certo, non sono molti, solo cinque, ma sono unici nel loro genere e si possono affilare da soli. Come hanno scoperto gli scienziati questa particolare caratteristica, come avviene esattamente questo processo e come può essere d'aiuto per gli esseri umani? Lo scopriremo dal rapporto del gruppo di ricerca. Andiamo.
La base della ricerca
Innanzitutto, è importante familiarizzare con il protagonista dello studio: Strongylocentrotus fragilis, ossia il riccio di mare rosa. Questo tipo di riccio non si distingue molto dai suoi simili, eccezion fatta per la forma più appiattita ai poli e il colore glamour. Abita a notevole profondità (da 100 m a 1 km) e può raggiungere un diametro di 10 cm.
Il 'scheletro' del riccio di mare, che mette in evidenza la simmetria a cinque raggi.
I ricci di mare, per quanto possa sembrare strano, sono classificati in regolari e irregolari. I primi hanno una forma praticamente perfettamente rotonda con una spiccata 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. A seconda delle specie, gli aculei possono variare da 2 mm fino a 30 cm. Oltre agli aculei, sul corpo ci sono anche sferidi (organi dell'equilibrio) e pedicellarie (prolungamenti simili a pinze).
Al centro si notano chiaramente tutti e cinque i denti.
Per rappresentare un riccio di mare, bisogna iniziare a stare a testa in giù, poiché la bocca è posizionata nella parte inferiore del corpo, mentre le altre aperture sono sulla parte superiore. La bocca dei ricci di mare è dotata di un apparato masticatorio con un bel nome scientifico: "lanterna di Aristotele" (fu Aristotele il primo a descrivere questo organo e a confrontarlo per forma con le lanterne portatili dell'antichità). Questo organo è dotato di cinque mascelle, ognuna delle quali termina con un dente affilato (la lanterna di Aristotele del riccio rosa esaminato è mostrata nella foto 1C qui sotto).
C'è l'ipotesi che la durevolezza dei denti dei ricci di mare derivi dalla loro continua affilatura, che avviene attraverso la graduale erosione delle placche mineralizzate del dente per mantenere l'affilatezza della superficie distale.
Ma come avviene esattamente questo processo, quali denti necessitano di essere affilati e quali no, e come viene presa questa importante decisione? Su queste domande i ricercatori hanno cercato di trovare risposte.
Risultati della ricerca
Immagine n. 1
Prima di svelare i segreti dentali dei ricci di mare, esaminiamo la struttura dei loro denti in generale.
Nelle immagini 1A—1C è rappresentato il protagonista dello studio: il riccio di mare rosa. Come altri ricci di mare, questo tipo ottiene i propri componenti minerali dall'acqua di mare. Tra gli elementi scheletrici, i denti sono altamente mineralizzati (per il 99%) in calcite, arricchita di magnesio.
Come abbiamo già discusso, i ricci usano i loro denti per raschiare il cibo. Inoltre, con i denti scavano tane dove si nascondono dai predatori o dalle intemperie. Considerando questo strano utilizzo, i denti devono essere estremamente robusti e affilati.
Nell'immagine 1D è mostrata la microtomografia computerizzata di un intero dente, che dimostra che il dente si forma lungo una curva ellittica con sezione trasversale a forma di T.
Sezione trasversale del dente (1E) mostra che il dente è composto da tre aree strutturali: piastre primarie, area minerale e piastre secondarie. L'area minerale 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 di circa 10-20 nm. I ricercatori notano che la concentrazione di magnesio non è omogenea in tutto il dente e aumenta vicino alla sua estremità, garantendo una maggiore resistenza all'usura e durezza.
La sezione longitudinale (1F) dell'area minerale del dente mostra la rottura delle fibre e anche il distacco che avviene a causa del distacco al confine tra le fibre e l'involucro organico.
Le piastre primarie sono generalmente costituite da monocrignoli di calcite e sono posizionate sulla superficie convessa del dente, mentre le piastre secondarie riempiono la superficie concava.
Nell'immagine 1G si può vedere un insieme di piastre primarie curve disposte parallelamente l'una all'altra. L'immagine mostra anche le fibre e la matrice policristallina che riempie lo spazio tra le piastre. Chiglia (1H) forma la base della sezione trasversale a T e aumenta la rigidità del dente durante la flessione.
Ora che conosciamo la struttura del dente dell'istrice di mare rosa, dobbiamo scoprire le proprietà meccaniche dei suoi componenti. A tal fine sono stati condotti test di compressione utilizzando un microscopio elettronico a scansione e la metodologia dell nanoindentazione*. Nei test nanomeccanici sono stati utilizzati campioni tagliati in orientamenti longitudinali e trasversali del dente.
Nanoindentazione* è un metodo di verifica del materiale mediante l'inserimento di uno strumento speciale, un indenter, sulla superficie del campione.
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 a tensione e compressione.
Durezza* è la proprietà di un materiale di resistere all'inserimento di un corpo più duro (indenter).
Inoltre, sono state eseguite delle incisioni longitudinali con un carico ciclico aggiuntivo per creare un modello di danno 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-Farr basato sui dati di scarico. I cicli di immissione hanno mostrato una diminuzione monotona del modulo con l'aumentare della profondità di immissione (2B). Questo peggioramento della rigidità è spiegato dall'accumulo di danni (2C) a causa della deformazione irreversibile. È interessante notare che lo sviluppo dei danni avviene attorno alle fibre e non attraverso di esse.
Le proprietà meccaniche delle singole parti dei denti sono state valutate anche tramite esperimenti di compressione quasi statica degli microcolonnini. Per la realizzazione dei colonnini di dimensione micrometrica è stato utilizzato un fascio di ioni focalizzati. Per valutare la resistenza del giunto tra le piastre primarie sul lato convesso del dente, sono stati realizzati microcolonnini con orientazione inclinata rispetto all'interfaccia normale tra le piastre (2D). Nella foto 2E è mostrata una microcolonna con interfaccia inclinata. Nel grafico 2F sono riportati i risultati della misurazione della tensione di taglio.
Gli scienziati notano un fatto interessante: il modulo di elasticità misurato è quasi la metà rispetto a quello ottenuto dai test di compressione. Questa discrepanza tra i test di compressione e di taglio viene riscontrata anche per lo smalto dentale. Attualmente esistono diverse teorie che spiegano questa incongruenza (dall'influenza dell'ambiente durante i test alla contaminazione dei campioni), ma non c'è ancora una risposta chiara sul perché questa discrepanza si verifichi.
La fase successiva della ricerca sui denti del riccio di mare è stata composta da test di usura, condotti con un microscopio elettronico a scansione. Il dente veniva incollato a un supporto speciale e premuto contro un substrato di diamante ultra-nanocristallino (3A).
Immagine n. 3
Gli scienziati sottolineano che la loro variante del test di usura è opposta a quelle normalmente effettuate, in cui la punta di diamante viene premuta contro il substrato del materiale in esame. Le modifiche nella metodologia del test di usura consentono una migliore comprensione delle proprietà delle microstrutture e dei componenti del dente.
Come possiamo vedere nelle immagini, all'aumentare del carico critico iniziano a formarsi scheggiature. Va considerato che la forza del 'morso' della lampada aristotelica dei ricci di mare varia a seconda della specie, da 1 a 50 newton. Nel test, è stata applicata una forza che andava da centinaia di micronewton fino a 1 newton, cioè da 1 a 5 newton per tutta la lampada aristotelica (poiché i denti sono cinque).
Nell'immagine 3B(i) si vedono piccole particelle (freccia rossa) formatesi a causa dell'usura dell'area della pietra. Poiché l'area della pietra si usura e si comprime, le crepe sulle interfacce tra le lastre possono verificarsi e propagarsi a causa del carico di compressione-shear e dell'accumulo di tensioni nell'area delle lastre di calcite. Immagini 3B(ii) e 3B(iii) mostrano i punti in cui i frammenti si sono staccati.
A scopo comparativo, sono stati condotti due tipi di esperimenti sull'usura: con un carico costante corrispondente all'inizio della fluidità (WCL) e con un carico costante corrispondente al limite di fluidità (WCS). Ne sono risultati due tipi di usura del dente.
Video dei test di usura:
Fase I
Fase II
Fase III
Fase IV
In caso di carico costante nel test WCL, si è osservata una compressione dell'area, ma non sono stati notati scheggiature o altri danni alle piastre (4A). Tuttavia, nel test WCS, quando la forza normale è stata aumentata per mantenere costante la tensione di contatto nominale, sono state osservate scheggiature e cadute delle piastre (4B).
Immagine n. 4
Queste osservazioni sono confermate dal grafico (4С) delle misurazioni dell'area di compressione e del volume delle piastre scheggiate in funzione della lunghezza di scorrimento (del campione su diamante durante il test).
Questo grafico mostra anche che nel caso di WCL non si formano scheggiature, anche se la distanza di scorrimento è maggiore rispetto al caso di WCS. L'esame delle piastre compresse e scheggiate su 4B consente di comprendere meglio il meccanismo di autoaffilatura dei denti dell'ermite di mare.
L'area della zona compressa della pietra aumenta man mano che la piastra si scheggia, il che porta alla rimozione di parte dell'area compressa [4B (iii-v)]. Caratteristiche microstrutturali, come la connessione tra la pietra e le piastre, facilitano questo processo. La microscopia ha mostrato che le fibre nell'area della pietra si piegano e penetrano attraverso gli strati delle piastre nella parte convessa del dente.
Nel grafico 4С si osserva un aumento del volume dell'area fratturata quando una nuova lamina si stacca dal dente. È curioso notare che in quel momento si verifica una brusca diminuzione della larghezza dell'area schiacciata (4D), che indica un processo di autaffilatura.
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 rovina, mentre il dente rimane affilato. In pratica, i denti dei ricci si affilano durante l'uso, a patto che il carico non superi il limite critico; in caso contrario, potrebbero verificarsi danni (scheggiature), anziché affilatura.
Immagine n. 5
Per comprendere il ruolo delle microstrutture del dente, le loro proprietà e il loro contributo al meccanismo di autaffilatura, è stata condotta un'analisi non lineare del processo di usura attraverso il metodo degli elementi finiti (5A). A tal fine, sono state utilizzate immagini della sezione longitudinale della punta del dente, che hanno servito da base per un modello bidimensionale composto da pietra, lamine, chiglia e interfacce tra lamine e pietra.
Immagini 5B–5H — sono i grafici a contorno del criterio di 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 appiattisce») (5B e 5C). Ulteriore compressione provoca una banda di scorrimento nella pietra, dove gran parte della deformazione plastica e dei danni si accumula, staccando parte della pietra, portando al contatto diretto con il substrato (5D). Questa frammentazione della pietra in questo modello corrisponde a osservazioni sperimentali (frammenti scheggiati su 3B(i)). La compressione porta anche a sfaldamenti tra le lamine, poiché gli elementi interfaciali sono sottoposti a carico misto, causando decohesione (distacco). Con l'aumentare dell'area di contatto, le tensioni di contatto aumentano, provocando l'innesco e la propagazione di crepe sull'interfaccia (5B—5E). La perdita di aderenza tra le lamine amplifica la flessione, in cui la lamina esterna si stacca.
Graffiare aggravare i danni all'interfaccia, portando alla rimozione della placca quando le placche vengono sottoposte a frattura (dove le crepe si discostano dall'interfaccia e penetrano nella placca, 5G). Con il proseguire del processo, i frammenti della placca si staccano dalla punta del dente (5H).
Curiosamente, la modellazione prevede con grande precisione la scheggiatura sia nell'area della pietra che in quella delle placche, come già osservato dagli scienziati durante gli studi (3B e 5I).
Per una comprensione più dettagliata delle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a e ad esso.
Epilogo
Questo studio ha ulteriormente confermato che l'evoluzione non è stata particolarmente benevola con i denti umani. In effetti, nella loro ricerca, gli scienziati sono stati in grado di esaminare e spiegare dettagliatamente il meccanismo di autosfioramento dei denti dei ricci di mare, basato su una struttura dentale particolarmente insolita e su un carico corretto. Le placche che ricoprono il dente del riccio si staccano sotto un certo carico, consentendo così di mantenere il dente affilato. Ma ciò non significa che i ricci di mare possano frantumare le pietre, poiché al raggiungimento di parametri critici di carico sui denti si formano crepe e scheggiature. Si può quindi concludere che il principio 'la forza è, la saggezza non serve' non porterebbe sicuramente alcun beneficio.
Potrebbe sembrare che lo studio dei denti degli abitanti degli abissi marini non porti alcun beneficio all'umanità, se non quello di soddisfare la curiosità insaziabile delle persone. Tuttavia, le conoscenze acquisite attraverso questa ricerca potrebbero costituire la base per la creazione di nuovi tipi di materiali che possiedono proprietà simili a quelle dei denti dei ricci — resistenza all'usura, affilatura autonoma a livello di materiale senza aiuto esterno e durata nel tempo.
In ogni caso, la natura nasconde numerosi 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 gigantesche alghe fungono da rifugio per ricci di mare e altri abitanti straordinari degli oceani. (BBC Earth, voce fuori campo - David Attenborough).
Grazie per l'attenzione, continuate a essere curiosi e buon fine settimana a tutti, ragazzi! 🙂
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Fonte: habr.com
