קוצים וחד לאן שלא תסתכלו: מנגנון ההשחזה העצמי של שיני קיפוד ים

דיבור על שיניים אצל אנשים קשור לרוב לעששת, פלטה וסדיסטים במעילים לבנים שרק חולמים לעשות חרוזים מהשיניים שלך. אבל בדיחות בצד, כי ללא רופאי שיניים וכללי היגיינת פה מבוססים, היינו אוכלים רק תפוחי אדמה כתושים ומרק דרך קשית. והכל אשם באבולוציה, שהעניקה לנו רחוק מהשיניים העמידות ביותר, שעדיין אינן מתחדשות, מה שכנראה משמח בצורה שאין לתאר את נציגי תעשיית השיניים. אם אנחנו מדברים על השיניים של נציגי הטבע, אז אריות מלכותיים, כרישים צמאי דם וצבועים חיוביים ביותר עולים מיד בראש. עם זאת, למרות הכוח והחוזק של הלסתות שלהם, השיניים שלהם לא מדהימות כמו אלה של קיפודי ים. כן, לכדור המחטים הזה מתחת למים, שדורך עליו אתה יכול להרוס חלק ניכר מהחופשה שלך, יש שיניים די טובות. כמובן שאין הרבה מהם, רק חמישה, אבל הם ייחודיים בדרכם ומסוגלים לחדד את עצמם. כיצד זיהו מדענים תכונה כזו, איך בדיוק התהליך הזה ממשיך וכיצד הוא יכול לעזור לאנשים? אנו למדים על כך מהדוח של קבוצת המחקר. ללכת.

בסיס מחקר

קודם כל, כדאי להכיר את הדמות הראשית של המחקר - Strongylocentrotus fragilis, או במונחים אנושיים, קיפוד ים ורוד. סוג זה של קיפוד ים אינו שונה מאוד משאר מקביליו, למעט צורה שטוחה יותר וצבע זוהר. הם חיים די עמוק (מ-100 מ' עד 1 ק"מ), והם גדלים עד 10 ס"מ בקוטר.

ה"שלד" של קיפוד ים, המראה סימטריה של חמש קרניים.

קיפודי ים הם, לא משנה כמה גס זה נשמע, צודקים ולא נכונים. לראשונים צורת גוף עגולה כמעט מושלמת עם סימטריית חמש קורות בולטת, בעוד שהאחרונים אסימטריים יותר.

הדבר הראשון שמושך את העין שלך כשאתה רואה קיפוד ים הוא הנוצה שלו המכסה את כל הגוף. במינים שונים המחטים יכולות להיות מ-2 מ"מ עד 30 ס"מ. בנוסף למחטים, יש בגוף ספרידיות (איברי שיווי משקל) ופדיסלריה (תהליכים הדומים למלקחיים).

כל חמש השיניים נראות בבירור במרכז.

כדי לתאר קיפוד ים, תחילה עליך לעמוד הפוך, מכיוון שפתח הפה שלו ממוקם בחלק התחתון של הגוף, אך החורים האחרים נמצאים בחלק העליון. הפה של קיפודי הים מצויד במנגנון לעיסה בעל שם מדעי יפהפה "פנס אריסטו" (אריסטו היה זה שתיאר לראשונה את האיבר הזה והשווה אותו בצורתו עם פנס נייד עתיק). איבר זה מצויד בחמש לסתות, שכל אחת מהן מסתיימת בשן חדה (הפנס האריסטוטלי של הקיפוד הוורוד שנחקר מוצג בתמונה 1C למטה).

קיימת הנחה שעמידות השיניים של קיפודי ים מובטחת על ידי השחזה מתמדת שלהם, המתרחשת באמצעות הרס הדרגתי של לוחות השיניים המינרלים כדי לשמור על חדות המשטח המרוחק.

אבל איך בדיוק מתבצע התהליך הזה, אילו שיניים צריך להשחיז ואילו לא, ואיך מתקבלת ההחלטה החשובה הזו? מדענים ניסו למצוא תשובות לשאלות אלו.

תוצאות המחקר

תמונה מס' 1

לפני שחושפים את סודות השיניים של קיפודי ים, שקול את מבנה השיניים שלהם באופן כללי.

על התמונות 1А-1S גיבור המחקר מוצג - קיפוד ים ורוד. כמו קיפודי ים אחרים, נציגים של מין זה מקבלים את הרכיבים המינרליים שלהם ממי הים. בין מרכיבי השלד, השיניים מינרליות מאוד (ב-99%) עם קלציט מועשר במגנזיום.

כפי שדיברנו קודם לכן, קיפודים משתמשים בשיניהם לגירוד מזון. אבל חוץ מזה, הם משתמשים בשיניהם כדי לחפור לעצמם בורות, שבהם הם מסתתרים מפני טורפים או מזג אוויר גרוע. בהתחשב בשימוש חריג שכזה לשיניים, האחרונות חייבות להיות חזקות וחדות במיוחד.

על התמונה 1D מוצגת טומוגרפיה ממוחשבת של קטע של שן שלמה, מה שמבהיר שהשן נוצרת לאורך עקומה אליפטית עם חתך בצורת T.

חתך רוחב של השן (1E) מראה כי שן מורכבת משלושה אזורים מבניים: הרצועות הראשוניות, אזור החשבון והרצועות המשניות. אזור האבן מורכב מסיבים בקוטר קטן המוקפים במעטפת אורגנית. הסיבים משובצים במטריקס רב גבישי המורכב מחלקיקי קלציט עשירים במגנזיום. הקוטר של חלקיקים אלה הוא בערך 10-20 ננומטר. החוקרים מציינים כי ריכוז המגנזיום אינו אחיד בכל השן ועולה לקראת הסוף, מה שמספק את עמידות הבלאי והקשיחות המוגברת שלה.

חתך אורך (1F) של אבן השן מראה את הרס הסיבים, כמו גם את ההפרדה, המתרחשת עקב דלמינציה בממשק שבין הסיבים לקליפה האורגנית.

ציפויים ראשוניים מורכבים בדרך כלל מגבישים בודדים של קלציט וממוקמים על המשטח הקמור של השן, בעוד שציפויים משניים ממלאים את המשטח הקעור.

בתמונה 1G אפשר לראות מערך של לוחות ראשיים מעוקלים שוכבים במקביל זה לזה. התמונה מציגה גם סיבים ומטריצה ​​פוליקריסטלית הממלאת את החלל בין הלוחות. קיל (1H) מהווה את הבסיס של חתך T-חתך ומגביר את קשיחות הכיפוף של השן.

מכיוון שאנו יודעים איזה מבנה יש לשן של קיפוד הים הוורוד, כעת עלינו לברר את התכונות המכניות של מרכיביו. לשם כך בוצעו בדיקות דחיסה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני סורק והשיטה חריץ ננו*. דגימות שנחתכו לאורך כיוון האורך והרוחב של השן השתתפו בבדיקות ננו-מכניות.

חריץ ננו* - בדיקת החומר בשיטת ההזחה אל פני השטח של המדגם של כלי מיוחד - המכנס.

ניתוח הנתונים הראה כי מודול יאנג (E) וקשיות (H) הממוצעים בקצה השן בכיווני האורך והרוחב הם: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (אורכי) ו-ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (רוחבי).

מודול יאנג* - גודל פיזיקלי המתאר את יכולתו של חומר לעמוד בפני מתח ודחיסה.

קַשִׁיוּת* - התכונה של החומר להתנגד להחדרת גוף מוצק יותר (indenter).

כמו כן, נעשו שקעים בכיוון האורך עם עומס נוסף מחזורי ליצירת דגם של נזק רקיע לאזור האבן. עַל 2А עקומת העומס-תזוזה מוצגת.

תמונה מס' 2

המודולוס עבור כל מחזור חושב על בסיס שיטת אוליבר-פארר תוך שימוש בנתוני פריקה. מחזורי ההזחה הראו ירידה מונוטונית במודולוס עם הגדלת עומק ההזחה (2V). הידרדרות כזו בנוקשות מוסברת על ידי הצטברות של נזק (2C) כתוצאה מעיוות בלתי הפיך. ראוי לציין כי התפתחותו של השלישי מתרחשת סביב הסיבים, ולא דרכם.

התכונות המכניות של מרכיבי השן הוערכו גם באמצעות ניסויי דחיסה מעין סטטיים של מיקרועמודים. קרן יונים ממוקדת שימשה לייצור עמודים בגודל מיקרומטר. כדי להעריך את חוזק הקשר בין הלוחות הראשוניים בצד הקמור של השן, יוצרו מיקרו-עמודים עם כיוון אלכסוני ביחס לממשק הרגיל בין הלוחות (2D). בתמונה 2E מוצגת מיקרו-עמודה עם ממשק משופע. ובתרשים 2F התוצאות של מדידת מתח גזירה מוצגות.

מדענים מציינים עובדה מעניינת - מודול האלסטיות הנמדד הוא כמעט חצי מזה של בדיקות הזחה. אי התאמה זו בין בדיקות הזחה ודחיסה מצוינת גם לגבי אמייל השן. נכון לעכשיו, קיימות מספר תיאוריות המסבירות את הפער הזה (מהשפעות סביבתיות במהלך בדיקות ועד לזיהום דגימות), אך אין תשובה ברורה לשאלה מדוע הפער מתרחש.

השלב הבא בחקר השיניים של קיפוד הים היה בדיקות בלאי שבוצעו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני סורק. השן הודבקה למחזיק מיוחד ונלחצה על מצע של יהלום אולטרה-ננו-גביש (3А).

תמונה מס' 3

המדענים מציינים כי הגרסה שלהם למבחן הבלאי היא הפוכה ממה שנעשה בדרך כלל, כאשר קצה יהלום נלחץ לתוך מצע של החומר הנבדק. שינויים בטכניקות בדיקת בלאי מאפשרים הבנה טובה יותר של תכונות המיקרו-מבנים והרכיבים של השן.

כפי שאנו יכולים לראות בתמונות, כאשר מגיעים לעומס הקריטי מתחילים להיווצר שבבים. כדאי לקחת בחשבון שכוח ה"נשיכה" של הפנס של אריסטו בקיפודי ים משתנה בהתאם למין בין 1 ל-50 ניוטון. בבדיקה נעשה שימוש בכוח ממאות מיקרוניוטון ל-1 ניוטון, כלומר. מ-1 עד 5 ניוטון לכל הפנס האריסטוטלי (מכיוון שיש חמש שיניים).

בתמונה 3B(i) חלקיקים קטנים (חץ אדום) נראים, הנוצרים כתוצאה משחיקה של אזור האבן. ככל שאזור האבן מתבלה ומתכווץ, סדקים בממשקים בין הלוחות יכולים להיווצר ולהתפשט עקב עומס דחיסה והצטברות מתח באזור לוחות הקלציט. תצלומים 3B(ii) и 3B(iii) להראות את המקומות שבהם נשברו השברים.

לשם השוואה, בוצעו שני סוגי ניסויי בלאי: עם עומס קבוע התואם לתחילת היבול (WCL) ועם עומס קבוע התואם לחוזק התנובה (WCS). כתוצאה מכך התקבלו שתי גרסאות של בלאי שיניים.

סרטון בדיקת בלאי:

שלב א'

שלב ב'

שלב III

שלב IV

במקרה של עומס קבוע בבדיקת WCL, נצפתה דחיסה של האזור, אולם לא הבחינו בשבבים או נזק אחר לצלחות (4A). אבל בבדיקת WCS, כאשר הכוח הנורמלי הוגבר כדי לשמור על מתח המגע הנומינלי קבוע, נצפו שבבים ונפילה מהלוחות (4V).

תמונה מס' 4

תצפיות אלו מאושרות על ידי העלילה (4S) מדידות של אזור הדחיסה ונפח הצלחות הסדוקות בהתאם לאורך ההחלקה (דגימה מעל יהלום במהלך הבדיקה).

גרף זה גם מראה שבמקרה של WCL לא נוצרים שבבים גם אם מרחק ההחלקה גדול יותר מאשר במקרה של WCS. בדיקת צלחות דחוסות ושבבות עבור 4V מאפשר לך להבין טוב יותר את המנגנון של השחזה עצמית של שיני קיפוד ים.

שטח השטח הדחוס של האבן גדל ככל שהצלחת נשברת, מה שגורם להסרת חלק מהאזור הדחוס [4B(iii-v)]. תכונות מיקרו-סטרוקטורליות כמו הקשר בין אבן ללוחות מקלות על תהליך זה. מיקרוסקופיה הראתה כי הסיבים באבנית כפופים וחודרים דרך שכבות הלוחות בחלק הקמור של השן.

על התרשים 4S יש קפיצה בנפח האזור השסוע כאשר הצלחת החדשה מנותקת מהשן. זה מוזר שבאותו רגע יש ירידה חדה ברוחב של האזור האולטי (4D), מה שמעיד על תהליך של חידוד עצמי.

במילים פשוטות, ניסויים אלו הראו כי תוך שמירה על עומס רגיל (לא קריטי) קבוע במהלך בדיקות שחיקה, הקצה הופך קהה, בעוד השן נשארת חדה. מסתבר ששיניים של קיפודים משחיזות במהלך השימוש, אם העומס אינו עולה על הקריטי, אחרת עלולים להיווצר נזקים (שבבים), ואי השחזה.

תמונה מס' 5

על מנת להבין את תפקידם של מבני מיקרו שיניים, תכונותיהם ותרומתם למנגנון ההשחזה העצמי, בוצע ניתוח אלמנטים סופיים לא ליניאריים של תהליך הבלאי (5А). לשם כך נעשה שימוש בצילומים של חתך אורך של קצה השן, ששימשו בסיס לדגם דו מימדי המורכב מאבן, לוחות, קיל וממשקים בין לוחות לאבן.

תמונות 5B-5H הם חלקות קווי מתאר של קריטריון Mises (קריטריון פלסטיות) בשולי שטח האבן והלוח. כאשר שן נדחסת, האבנית עוברת עיוותים ויסקופלסטיים גדולים, צוברת נזקים ומתכווצת ("משטחת") (5B и 5C). דחיסה נוספת גורמת לרצועת גזירה באבן, שבה מצטבר רוב העיוות הפלסטי והנזק, קורע חלק מהאבן, מביא אותו למגע ישיר עם המצע (5D). פיצול כזה של האבן במודל זה מתאים לתצפיות ניסיוניות (פיצול שברים על 3B(i)). דחיסה גורמת גם לדלמינציה בין הלוחות כאשר אלמנטי הממשק נתונים לעומס מעורב וכתוצאה מכך דה-קוהזיה (קילוף). ככל ששטח המגע גדל, מתח המגע גדל, מה שגורם להתחלה והתפשטות של סדק בממשק (5B-5E). אובדן הידבקות בין הלוחות מחזק את הקיפול, מה שגורם לניתוק הפלטה החיצונית.

שריטות מחמירות את הנזק לממשק וכתוצאה מכך להסרת הצלחת כאשר הלוח/ות עוברים פיצול (כאשר סדקים חורגים מהממשק וחודרים לצלחת, 5G). ככל שהתהליך נמשך, שברי הצלחת מנותקים מקצה השן (5H).

מעניין שהדוגמנות מנבאת בצורה מדויקת מאוד סתתים הן באזור האבן והן בלוחות, שמדענים כבר שמו לב אליו במהלך תצפיות (3B и 5I).

להבנה מפורטת יותר של הניואנסים של המחקר, אני ממליץ להסתכל על מדענים מדווחים и חומרים נוספים אליו.

אפילוג

עבודה זו אישרה שוב שהאבולוציה לא תמכה במיוחד בשיניים אנושיות. ברצינות, במחקרם הצליחו מדענים לבחון בפירוט ולהסביר את מנגנון ההשחזה העצמית של שיניים של קיפודי ים, המבוסס על המבנה החריג של השן והעומס הנכון עליה. הלוחות המכסים את שן הקיפוד מתקלפים בעומס מסוים, מה שמאפשר לשמור על חדות השן. אבל זה לא אומר שקיפודי ים יכולים לרסק אבנים, כי כאשר מגיעים לאינדיקטורים של עומס קריטי נוצרים סדקים ושבבים על השיניים. מסתבר שהעיקרון "יש כוח, לא צריך שכל" בוודאי לא יביא שום תועלת.

אפשר לחשוב שחקר השיניים של תושבי הים העמוק אינו מביא תועלת כלשהי לאדם, מלבד סיפוק הסקרנות האנושית שאינה יודעת שובע. עם זאת, הידע שנצבר במהלך מחקר זה יכול לשמש בסיס ליצירת סוגי חומרים חדשים שיהיו בעלי תכונות דומות לשיניים של קיפודים – עמידות בפני שחיקה, השחזה עצמית ברמת החומר ללא סיוע חיצוני ועמידות.

כך או כך, הטבע טומן בחובו סודות רבים שטרם חשפנו. האם הם יועילו? אולי כן, אולי לא. אבל לפעמים, גם במחקר המורכב ביותר, לפעמים זה לא היעד שחשוב, אלא המסע עצמו.

יום שישי מחוץ לראש:

יערות תת-מימיים של אצות ענק משמשים כמקום התכנסות לקיפודי ים ושאר שוכני אוקיינוס ​​יוצאי דופן. (BBC Earth, קריינות - דיוויד אטנבורו).

תודה שצפיתם, תישארו סקרנים ושבוע טוב לכולם! 🙂

תודה שנשארת איתנו. האם אתה אוהב את המאמרים שלנו? רוצים לראות עוד תוכן מעניין? תמכו בנו על ידי ביצוע הזמנה או המלצה לחברים, 30% הנחה למשתמשי Habr על אנלוגי ייחודי של שרתים ברמת הכניסה, שהומצא על ידינו עבורכם: כל האמת על VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ליבות) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps החל מ-$20 או איך לשתף שרת? (זמין עם RAID1 ו-RAID10, עד 24 ליבות ועד 40GB DDR4).

Dell R730xd זול פי 2? רק כאן 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV החל מ-$199 בהולנד! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - החל מ-$99! לקרוא על כיצד לבנות תשתיות קורפ. מחלקה עם שימוש בשרתי Dell R730xd E5-2650 v4 בשווי 9000 יורו עבור אגורה?

מקור: www.habr.com