Parlare di denti nelle persone è spesso associato a carie, apparecchi ortodontici e sadici in camice bianco che sognano solo di ricavare perle dai denti. Ma scherzi a parte, perché senza dentisti e senza regole stabilite di igiene orale, mangeremmo solo patate schiacciate e zuppa con la cannuccia. E tutta la colpa è dell'evoluzione, che ci ha dato i denti tutt'altro che durevoli, che ancora non si rigenerano, il che probabilmente fa piacere indescrivibilmente ai rappresentanti dell'industria dentale. Se parliamo dei denti dei rappresentanti della natura selvaggia, vengono subito in mente maestosi leoni, squali assetati di sangue e 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, questa palla di aghi sott'acqua, sulla quale puoi rovinare buona parte della tua vacanza, ha denti abbastanza buoni. Certo, non ce ne sono molti, solo cinque, ma sono unici a modo loro e sono in grado di affinarsi. Come hanno fatto gli scienziati a identificare tale caratteristica, come procede esattamente questo processo e come può aiutare le persone? Lo apprendiamo dal rapporto del gruppo di ricerca. Andare.
Base di ricerca
Prima di tutto, vale la pena conoscere il personaggio principale dello studio: Strongylocentrotus fragilis, in termini umani, con un riccio di mare rosa. Questo tipo di riccio di mare non è molto diverso dagli altri suoi omologhi, ad eccezione di una forma più appiattita ai poli e di un colore glamour. Vivono abbastanza in profondità (da 100 ma 1 km) e crescono fino a 10 cm di diametro.
Lo "scheletro" di un riccio di mare, che mostra una simmetria a cinque raggi.
I ricci di mare, per quanto scortese possa sembrare, sono giusti e sbagliati. I primi hanno una forma del corpo quasi perfettamente rotonda con una pronunciata simmetria a cinque raggi, mentre i secondi sono più asimmetrici.
La prima cosa che attira la tua attenzione quando vedi un riccio di mare sono i suoi aculei che ricoprono tutto il corpo. In diverse specie, gli aghi possono variare da 2 mm fino a 30 cm Oltre agli aghi, il corpo ha sferidi (organi di equilibrio) e pedicellari (processi che assomigliano a una pinza).
Tutti e cinque i denti sono chiaramente visibili al centro.
Per rappresentare un riccio di mare, devi prima stare a testa in giù, poiché la sua apertura della bocca si trova nella parte inferiore del corpo, ma gli altri fori sono nella parte superiore. La bocca dei ricci di mare è dotata di un apparato masticatorio dal bellissimo nome scientifico "lanterna di Aristotele" (fu Aristotele il primo a descrivere questo organo e a paragonarlo nella forma con un'antica lanterna portatile). Questo organo è dotato di cinque mascelle, ciascuna delle quali termina con un dente aguzzo (la lanterna aristotelica del riccio rosa indagato è mostrata nella figura 1C sotto).
Si presume che la durabilità dei denti dei ricci di mare sia assicurata dalla loro costante affilatura, che avviene attraverso la graduale distruzione delle placche dentali mineralizzate per mantenere l'affilatura della superficie distale.
Ma come si svolge esattamente questo processo, quali denti devono essere affilati e quali no, e come viene presa questa importante decisione? Gli scienziati hanno cercato di trovare risposte a queste domande.
Risultati dello studio
Immagine n. 1
Prima di svelare i segreti dentali dei ricci di mare, consideriamo la struttura dei loro denti in generale.
Sulle immagini 1А-1S viene mostrato l'eroe dello studio: un 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 altamente mineralizzati (del 99%) con calcite arricchita di magnesio.
Come abbiamo discusso in precedenza, i ricci usano i denti per raschiare il cibo. Ma oltre a questo, con l'aiuto dei denti, scavano buche in cui si nascondono dai predatori o dalle intemperie. Dato questo uso insolito dei denti, questi ultimi devono essere estremamente forti e affilati.
Sull'immagine 1D viene mostrata la tomografia microcomputerizzata di un segmento di un dente intero, evidenziando che il dente è formato lungo una curva ellittica con una sezione trasversale a forma di T.
Sezione trasversale del dente (1E) mostra che il dente è composto da tre regioni strutturali: lamine primarie, regione del calcolo e lamelle secondarie. L'area della pietra è costituita da fibre di piccolo diametro, circondate da un guscio organico. Le fibre sono racchiuse in una matrice policristallina composta da particelle di calcite ricche di magnesio. Il diametro di queste particelle è di circa 10-20 nm. I ricercatori notano che la concentrazione di magnesio non è uniforme in tutto il dente e aumenta avvicinandosi alla sua estremità, il che garantisce una maggiore resistenza all'usura e durezza.
Sezione longitudinale (1F) del calcolo del dente mostra la distruzione delle fibre, nonché la separazione, che avviene per delaminazione all'interfaccia tra le fibre e il guscio organico.
Le placche primarie sono solitamente composte da singoli cristalli di calcite e si trovano sulla superficie convessa del dente, mentre le placche secondarie riempiono la superficie concava.
Nella foto 1G si può vedere una serie di piastre primarie curve che giacciono parallele l'una all'altra. L'immagine mostra anche fibre e una matrice policristallina che riempie lo spazio tra le piastre. chiglia (1H) costituisce la base della sezione trasversale a T e aumenta la rigidità alla flessione del dente.
Poiché sappiamo quale struttura ha il dente del riccio di mare rosa, dobbiamo ora scoprire le proprietà meccaniche dei suoi componenti. Per questo, sono stati eseguiti test di compressione utilizzando un microscopio elettronico a scansione e il metodo nanoindentazione*. I campioni tagliati lungo gli orientamenti longitudinale e trasversale del dente hanno partecipato a test nanomeccanici.
Nanoindentazione* — controllo del materiale mediante il metodo di indentazione sulla superficie del campione con uno strumento speciale — penetratore.
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) ed ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (trasversale).
Modulo di Young* - una grandezza fisica che descrive la capacità di un materiale di resistere alla tensione e alla compressione.
Durezza* - la proprietà del materiale di resistere all'introduzione di un corpo più solido (entratore).
Inoltre, sono state realizzate rientranze in direzione longitudinale con un carico ciclico aggiuntivo per creare un modello di danno duttile per l'area lapidea. SU 2А viene mostrata la curva carico-spostamento.
Immagine n. 2
Il modulo per ciascun ciclo è stato calcolato in base al metodo Oliver-Farr utilizzando i dati di scarico. I cicli di indentazione hanno mostrato una diminuzione monotona del modulo all’aumentare della profondità di indentazione (2V). Un tale deterioramento della rigidità è spiegato dall'accumulo di danni (2C) a causa di una deformazione irreversibile. È interessante notare che lo sviluppo del terzo avviene attorno alle fibre e non attraverso di esse.
Le proprietà meccaniche dei componenti del dente sono state valutate anche mediante esperimenti di compressione micropilastro quasi statica. Un fascio ionico focalizzato è stato utilizzato per fabbricare pilastri di dimensioni micrometriche. Per valutare la forza della connessione tra le placche primarie sul lato convesso del dente, sono stati fabbricati micropilastri con un orientamento obliquo rispetto alla normale interfaccia tra le placche (2D). Nella foto 2E è mostrata una microcolonna con interfaccia inclinata. E sul grafico 2F vengono mostrati i risultati della misurazione dello sforzo di taglio.
Gli scienziati notano un fatto interessante: il modulo di elasticità misurato è quasi la metà di quello dei test di indentazione. Questa discrepanza tra i test di indentazione e quelli di compressione è nota anche per lo smalto dei denti. Al momento esistono diverse teorie che spiegano questa discrepanza (dagli influssi ambientali durante i test alla contaminazione dei campioni), ma non esiste una risposta chiara alla domanda sul perché si verifica tale discrepanza.
Il passo successivo nello studio dei denti del riccio di mare sono stati i test di usura effettuati utilizzando un microscopio elettronico a scansione. Il dente è stato incollato su un supporto speciale e premuto contro un substrato di diamante ultrananocristallino (3А).
Immagine n. 3
Gli scienziati notano che la loro versione del test di usura è l'opposto di quello che viene solitamente fatto quando una punta di diamante viene premuta in un substrato del materiale in esame. I cambiamenti nella metodologia del test di usura consentono una migliore comprensione delle proprietà delle microstrutture e dei componenti dei denti.
Come possiamo vedere nelle immagini, quando viene raggiunto il carico critico, iniziano a formarsi dei trucioli. Vale la pena considerare che la forza del “morso” della lanterna aristotelica nei ricci di mare varia a seconda della specie da 1 a 50 newton. Nel test è stata applicata una forza compresa tra centinaia di micronewton e 1 newton, ovvero da 1 a 5 newton per l'intera lanterna aristotelica (poiché i denti sono cinque).
Nella foto 3B(i) sono visibili piccole particelle (freccia rossa), formatesi a seguito dell'usura della zona della pietra. Man mano che l'area della pietra si usura e si contrae, possono originarsi e propagarsi crepe alle interfacce tra le piastre a causa del carico di compressione-taglio e dell'accumulo di stress nell'area delle piastre di calcite. Istantanee 3B(ii) и 3B(iii) mostrare i luoghi in cui i frammenti si sono staccati.
Per confronto, sono stati effettuati due tipi di esperimenti di usura: con un carico costante corrispondente all'inizio dello snervamento (WCL) e con un carico costante corrispondente al limite di snervamento (WCS). Di conseguenza, sono state ottenute due varianti di usura dei denti.
Video del test di usura:
Fase I
Fase II
Fase III
Fase IV
Nel caso di un carico costante nel test WCL è stata osservata una compressione dell'area, tuttavia non sono state notate scheggiature o altri danni alle piastre (4A). Ma 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 (4V).
Immagine n. 4
Queste osservazioni sono confermate dal grafico (4S) misurazioni dell'area di compressione e del volume delle piastre scheggiate in funzione della lunghezza di scorrimento (campione su diamante durante la prova).
Questo grafico mostra anche che nel caso del WCL non si formano trucioli anche se la distanza di scorrimento è maggiore che nel caso del WCS. Ispezione di lamiere compresse e scheggiate per 4V permette di comprendere meglio il meccanismo di autoaffilatura dei denti del riccio di mare.
L'area della zona compressa della pietra aumenta man mano che la piastra si rompe, provocando la rimozione di parte della zona compressa [4B(iii-v)]. Caratteristiche microstrutturali come il legame tra pietra e lastre facilitano questo processo. La microscopia ha dimostrato che le fibre del calcolo sono piegate e penetrano attraverso gli strati delle placche nella parte convessa del dente.
Sul grafico 4S si verifica un salto di volume della zona scheggiata quando la nuova placca si stacca dal dente. È curioso che nello stesso momento si verifichi una forte diminuzione della larghezza della regione oblata (4D), che indica il processo di auto-affilatura.
In poche parole, questi esperimenti hanno dimostrato che pur mantenendo un carico costante normale (non critico) durante i test di usura, la punta diventa smussata, mentre il dente rimane affilato. Si scopre che i denti dei ricci vengono affilati durante l'uso, se il carico non supera quello critico, altrimenti potrebbero verificarsi danni (scheggiature) e non affilatura.
Immagine n. 5
Per comprendere il ruolo delle microstrutture dei denti, le loro proprietà e il loro contributo al meccanismo di autoaffilatura, è stata effettuata un'analisi non lineare agli elementi finiti del processo di usura (5А). Per fare ciò sono state utilizzate le immagini di una sezione longitudinale della punta del dente, che sono servite come base per un modello bidimensionale costituito da pietra, piastre, chiglia e interfacce tra piastre e pietra.
Immagine 5B-5H sono grafici di contorno del criterio di Mises (criterio di plasticità) sul bordo dell'area della pietra e della lastra. Quando un dente viene compresso, il calcolo subisce grandi deformazioni viscoplastiche, accumula danni e si restringe (“si appiattisce”) (5B и 5C). Un’ulteriore compressione induce una fascia di taglio nella pietra, dove si accumula la maggior parte della deformazione plastica e del danno, strappando parte della pietra, portandola a diretto contatto con il substrato (5D). Tale frammentazione della pietra in questo modello corrisponde ad osservazioni sperimentali (frammenti divisi su 3B(i)). La compressione provoca anche la delaminazione tra le piastre poiché gli elementi dell'interfaccia sono soggetti a carichi misti con conseguente decoesione (sfaldamento). All’aumentare dell’area di contatto, aumentano le sollecitazioni di contatto, causando l’inizio e la propagazione di una cricca all’interfaccia (5B-5E). La perdita di adesione tra le piastre rinforza l'attorcigliamento, che provoca il disimpegno della piastra esterna.
I graffi aggravano il danno all'interfaccia con conseguente rimozione della piastra quando la piastra(e) subisce una spaccatura (dove le crepe si discostano dall'interfaccia e penetrano nella piastra, 5G). Man mano che il processo continua, i frammenti della placca vengono staccati dalla punta del dente (5H).
È interessante notare che il modello prevede in modo molto accurato la scheggiatura sia nella zona della pietra che in quella della piastra, cosa che gli scienziati hanno già notato durante le osservazioni (3B и 5I).
Per una conoscenza più dettagliata delle sfumature dello studio, consiglio di guardare и a lui.
Finale
Questo lavoro ha confermato ancora una volta che l’evoluzione non è stata molto favorevole ai denti umani. Scherzi a parte, nel loro studio, gli scienziati sono stati in grado di esaminare in dettaglio e spiegare il meccanismo di autoaffilatura dei denti dei ricci di mare, che si basa sulla struttura insolita del dente e sul carico corretto su di esso. Le piastre che coprono il dente del riccio si staccano sotto un certo carico, il che consente di mantenere il dente affilato. Ma questo non significa che i ricci di mare possano frantumare le pietre, perché quando vengono raggiunti gli indicatori di carico critico, si formano crepe e scheggiature sui denti. Si scopre che il principio “c’è potere, non è necessaria la mente” non porterebbe certamente alcun beneficio.
Si potrebbe pensare che studiare i denti degli abitanti delle profondità marine non apporti alcun beneficio all'uomo, se non quello di soddisfare l'insaziabile curiosità umana. Tuttavia, la conoscenza acquisita da questa ricerca può servire come base per la creazione di nuovi tipi di materiali che avranno proprietà simili ai denti del riccio: resistenza all'usura, autoaffilatura a livello del materiale senza assistenza esterna e durata.
Comunque sia, la natura nasconde molti segreti che dobbiamo ancora svelare. Saranno utili? Forse sì, forse no. Ma a volte, anche nella ricerca più complessa, a volte non è la destinazione che conta, ma il viaggio stesso.
Venerdì in anteprima:
Le foreste sottomarine di alghe giganti fungono da luogo di ritrovo per i ricci di mare e altri insoliti abitanti dell'oceano. (BBC Earth, voce fuori campo - David Attenborough).
Grazie per la visione, rimanete curiosi e buon fine settimana a tutti! 🙂
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Fonte: habr.com