どこから見てもトゲトゲ、鋭い：ウニの歯の自動研磨機構

人々の歯について話すとき、ほとんどの場合、虫歯、歯列矯正装置、そしてあなたの歯からビーズを作ることだけを夢見ている白衣を着たサディストを連想します。 しかし冗談はさておき、歯科医も確立された口腔衛生規則もなければ、私たちは砕いたジャガイモとストローを使ったスープしか食べなかったでしょう。 そして、すべては進化のせいであり、その結果、私たちは最も耐久性のある歯とは程遠く、依然として再生されず、おそらく歯科業界の代表者を言葉では言い表せないほど喜ばせています。 野生の代表者の歯について話すと、雄大なライオン、血に飢えたサメ、そして非常にポジティブなハイエナがすぐに頭に浮かびます。 しかし、彼らの顎の力と強さにもかかわらず、彼らの歯はウニの歯ほど驚くべきものではありません。 そう、この水中にある針の球は、踏むと休暇の大部分を台無しにしてしまう可能性があるのですが、非常に丈夫な歯を持っています。 もちろん、その数はわずか XNUMX 人と多くはありませんが、彼らは独自の方法で独自の方法で自分自身を研ぎ澄ますことができます。 科学者はそのような機能をどのように特定したのでしょうか、このプロセスは具体的にどのように進行し、どのように人々を助けることができるのでしょうか? このことは研究グループの報告書から分かります。 行く。

研究根拠

まず第一に、研究の主人公であるピンクのウニであるストロンギロセントロトゥス フラジリスについて知る価値があります。 この種のウニは、柱の形状がより平らであることと、華やかな色を除いて、他のウニと大きな違いはありません。 彼らはかなり深いところ（100メートルから1キロメートル）に生息しており、直径は最大10センチメートルまで成長します。

XNUMX光線対称を示すウニの「骨格」。

どんなに失礼に聞こえるかもしれないが、ウニには善悪がある。 前者は、顕著な XNUMX ビーム対称性を備えたほぼ完全な円形のボディ形状をしていますが、後者はより非対称です。

ウニを見てまず目に入るのは、体全体を覆う羽根です。 種によっては、針の長さは 2 mm から 30 cm まであり、針に加えて、体には球状器官 (平衡器官) と小柄器 (鉗子に似た突起) があります。

中央にはXNUMX本の歯がすべてはっきりと見えます。

ウニを表現するには、まず逆さまに立つ必要があります。ウニの口は体の下部にありますが、他の穴は上部にあるためです。 ウニの口には「アリストテレスのランタン」という美しい学名を持つ咀嚼器が備わっています（この器官を最初に説明し、その形状をアンティークの携帯用ランタンと比較したのはアリストテレスです）。 この器官には 1 つの顎があり、それぞれの先端は鋭い歯になっています (調査されたピンクのハリネズミのアリストテレスのランタンが下の写真 XNUMXC に示されています)。

ウニの歯の耐久性は、遠位面の鋭さを維持するために石灰化した歯板が徐々に破壊されることによって起こる絶え間ない研ぎによって確保されていると考えられています。

しかし、このプロセスは正確にどのように進行し、どの歯を削る必要があり、どの歯を削る必要はないのか、そしてこの重要な決定はどのように行われるのでしょうか? 科学者たちはこれらの疑問に対する答えを見つけようと試みてきました。

研究成果

画像 #1

ウニの歯の秘密を明らかにする前に、ウニの歯の構造全般について考えてみましょう。

写真について 1А - 1S 研究の主人公はピンクのウニです。 他のウニと同様に、この種の代表的なウニは海水からミネラル成分を摂取します。 骨格要素の中で、歯はマグネシウムが豊富な方解石で高度に石化されています (99%)。

先ほど説明したように、ハリネズミは歯を使って食べ物をこすり落とします。 しかし、これに加えて、彼らは歯の助けを借りて自分たちで穴を掘り、その中に捕食者や悪天候から身を隠します。 この珍しい歯の使用法を考えると、後者は非常に強くて鋭いものでなければなりません。

画像上 1D 歯全体の一部のマイクロコンピューター断層撮影が示されており、歯がT字型の断面を持つ楕円曲線に沿って形成されていることが明らかです。

歯の断面（1E) は、歯が 10 つの構造領域、一次層、歯石領域、二次層で構成されていることを示しています。 石の部分は小さな直径の繊維で構成されており、有機的な殻に囲まれています。 繊維は、マグネシウムが豊富な方解石粒子で構成される多結晶マトリックスに包まれています。 これらの粒子の直径は約 20 ～ XNUMX nm です。 研究者らは、マグネシウムの濃度は歯全体で均一ではなく、歯の端に近づくにつれて増加し、それによって耐摩耗性と硬度が向上していることに注目しています。

縦断面 （1F歯石の）は、繊維の破壊と、繊維と有機殻との間の界面での層間剥離によって生じる分離を示しています。

通常、一次ベニアは方解石単結晶で構成され、歯の凸面に配置されますが、二次ベニアは凹面を埋めます。

写真で 1G 湾曲した一次プレートが互いに平行に配列されているのがわかります。 この画像には、プレート間の空間を埋める繊維と多結晶マトリックスも示されています。 キール (1H) は、横 T 断面の基部を形成し、歯の曲げ剛性を高めます。

ピンクウニの歯がどのような構造をしているかはわかったので、今度はその構成要素の機械的性質を調べる必要があります。 このために、走査型電子顕微鏡と次の方法を使用して圧縮試験が実行されました。 ナノインデント*。 歯の縦方向および横方向に沿って切断されたサンプルは、ナノメカニカルテストに参加しました。

ナノインデンテーション* - 特別なツールである圧子をサンプルの表面に押し込む方法による材料のチェック。

データ分析の結果、縦方向と横方向の歯先の平均ヤング率 (E) と硬度 (H) は、EL = 77.3 ± 4,8 GPa、HL = 4.3 ± 0.5 GPa (縦方向)、ET = 70.2 ± 7.2 であることがわかりました。 GPa、HT = 3,8 ± 0,6 GPa (横方向)。

ヤング率* - 張力と圧縮に耐える材料の能力を表す物理量。

硬度* - より固体の物体 (圧子) の導入に抵抗する材料の特性。

さらに、周期的な追加荷重を加えて長手方向に凹部を作成し、石材領域の延性損傷のモデルを作成しました。 の上 2А 荷重-変位曲線が表示されます。

画像 #2

各サイクルの弾性率は、除荷データを使用した Oliver-Farr 法に基づいて計算されました。 押し込みサイクルでは、押し込み深さが増加するにつれて弾性率が単調に減少することが示されました (2V）。 このような剛性の低下は、損傷の蓄積によって説明されます (2C) 不可逆的な変形の結果として。 XNUMX番目の発達は繊維を介してではなく、繊維の周囲で発生することは注目に値します。

歯の構成要素の機械的特性も、準静的なマイクロピラー圧縮実験を使用して評価されました。 集束イオンビームを使用してマイクロメートルサイズのピラーを作製した。 歯の凸面側のプライマリプレート間の接続の強度を評価するために、プレート間の通常の境界面に対して斜めの向きでマイクロピラーを作製しました（2D）。 写真の 2E 傾斜した界面を持つマイクロカラムが示されています。 そしてチャート上では 2F せん断応力の測定結果を示します。

科学者たちは、測定された弾性率が押し込み試験の弾性率のほぼ半分であるという興味深い事実に注目しています。 押し込み試験と圧縮試験の間のこの不一致は、歯のエナメル質でも注目されます。 現時点では、この不一致を説明する理論はいくつかありますが（テスト中の環境の影響からサンプルの汚染まで）、なぜ不一致が発生するのかという疑問に対する明確な答えはありません。

ウニの歯の研究の次のステップは、走査型電子顕微鏡を使用して行われた摩耗試験でした。 歯は特別なホルダーに接着され、ウルトラナノ結晶ダイヤモンドの基板に押し付けられました（3А).

画像 #3

科学者らは、彼らのバージョンの摩耗試験は、研究対象の材料の基板にダイヤモンドの先端を押し込むときに通常行われる試験とは逆であることに注目しています。 摩耗試験方法の変更により、微細構造と歯の構成要素の特性をより深く理解できるようになりました。

写真からわかるように、臨界荷重に達すると、切りくずが形成され始めます。 ウニのアリストテレスのランタンの「噛みつき」の力は、種によって1〜50ニュートンまで異なることを考慮する価値があります。 テストでは、数百マイクロニュートンから 1 ニュートンの力が加えられました。 アリストテレスのランタン全体では 1 ～ 5 ニュートン (歯が XNUMX つあるため)。

写真で 3B(i) 石部分の磨耗の結果として形成された小さな粒子 (赤い矢印) が見えます。 石の領域が磨耗して収縮すると、圧縮せん断荷重と方解石プレートの領域での応力の蓄積により、プレート間の界面で亀裂が発生し、伝播する可能性があります。 スナップショット 3B(ii) и 3B(iii) 破片が壊れた場所を示します。

比較のために、降伏開始点に対応する一定荷重 (WCL) と降伏強度に対応する一定荷重 (WCS) の XNUMX 種類の摩耗実験を実行しました。 その結果、歯の摩耗の XNUMX つのバリエーションが得られました。

着用テストビデオ:

ステージI

ステージⅡ

ステージⅢ

ステージ IV

WCL テストで一定の荷重がかかった場合、領域の圧縮が観察されましたが、プレートの欠けやその他の損傷は認められませんでした (4A）。 しかし、WCS テストでは、公称接触電圧を一定に維持するために垂直抗力を増加すると、プレートの欠けや脱落が観察されました (4V).

画像 #4

これらの観察はプロット (4S) スライド長さに応じた圧縮面積と欠けたプレートの体積の測定値 (試験中のダイヤモンド上のサンプル)。

このグラフからも、WCLの場合はWCSに比べて摺動距離が長くても切りくずが発生しないことが分かります。 圧縮されて欠けたプレートの検査 4V ウニの歯が自然に削られるメカニズムをより深く理解することができます。

プレートが破壊されると石の圧縮領域の面積が増加し、圧縮領域の一部が除去されます [4B(iii-v)]。 石とスラブの間の結合などの微細構造の特徴により、このプロセスが促進されます。 顕微鏡検査では、歯石の繊維が曲がっており、歯の凸部のプレートの層を貫通していることが示されています。

チャート上 4S 新しいプレートを歯から取り外すと、欠けた領域の体積が急増します。 同時に、扁円領域の幅が急激に減少しているのは興味深いことです（4D）、自己研磨のプロセスを示します。

簡単に言うと、これらの実験は、摩耗テスト中に一定の通常の (重要ではない) 荷重を維持すると、歯は鋭利なままで、先端が鈍くなることを示しました。 ハリネズミの歯は使用中に研ぎますが、負荷が臨界値を超えない場合、損傷（欠け）が発生し、研げない可能性があることがわかりました。

画像 #5

歯の微細構造の役割、その特性、および自己研磨メカニズムへの寄与を理解するために、摩耗プロセスの非線形有限要素解析が実行されました。5А）。 これを行うために、歯の先端の縦断面の画像が使用され、石、プレート、キール、およびプレートと石の間の境界面で構成される XNUMX 次元モデルの基礎として機能しました。

Изображения 5B–5H は、石材およびスラブ領域の端におけるミーゼス基準 (塑性基準) の等高線図です。 歯が圧縮されると、歯石は大きな粘塑性変形を起こし、損傷が蓄積して収縮します（「平らになります」）。5B и 5C）。 さらに圧縮すると、石にせん断帯が生じ、そこで塑性変形と損傷のほとんどが蓄積し、石の一部が引き裂かれ、石が基材と直接接触します。5D）。 このモデルにおける石のそのような断片化は、実験的観察に対応しています（石の破片が分割されています）。 3B(i)）。 また、圧縮により、界面要素が混合荷重を受けるため、プレート間の層間剥離が生じ、その結果、剥離（剥離）が生じます。 接触面積が増加すると、接触応力が増加し、界面で亀裂が発生して伝播します (5B - 5E）。 プレート間の接着力が失われるとよじれが強化され、外側のプレートが外れてしまいます。

スクラッチは界面の損傷を悪化させ、プレートが分割されるときにプレートの除去につながります（亀裂が界面から逸脱してプレートを貫通する場合、 5G）。 プロセスが進むにつれて、プレートの破片が歯の先端から剥がれます（5H).

興味深いのは、このシミュレーションが石とプレートの両方の領域の欠けを非常に正確に予測していることです。これは科学者が観察中にすでに気づいていたことです (3B и 5I).

研究のニュアンスをより詳しく知りたい場合は、以下を参照することをお勧めします。 科学者の報告 и 追加資料 彼に。

フィナーレ

この研究は、進化が人間の歯をあまり支持していないことを再度確認しました。 真剣に、彼らの研究で科学者たちは、歯の異常な構造とそれにかかる適切な負荷に基づいたウニの歯の自己研磨のメカニズムを詳細に調査し、説明することができました。 ハリネズミの歯を覆うプレートは一定の負荷がかかると剥がれるので、歯を鋭く保つことができます。 しかし、これはウニが石を砕くことができるという意味ではありません。臨界荷重指標に達すると歯に亀裂や欠けが生じるからです。 「力があれば心は必要ない」という原則は確かに何の利益ももたらさないことがわかります。

深海の住民の歯の研究は、人間の飽くなき好奇心を満たす以外には何の利益ももたらさないと考える人もいるかもしれない。 しかし、この研究で得られた知識は、ハリネズミの歯に似た特性、つまり耐摩耗性、外部からの援助なしで材料レベルでの自己研磨性、耐久性などを持つ新しいタイプの材料を作成するための基礎として役立つ可能性があります。

いずれにせよ、自然には私たちがまだ明らかにしていない多くの秘密が隠されています。 役に立つでしょうか？ おそらくそうですが、おそらくそうではありません。 しかし、最も複雑な研究​​であっても、重要なのは目的地ではなく、旅そのものである場合があります。

金曜日のオフトップ:

巨大な藻類が茂る水中の森は、ウニやその他の珍しい海洋生物が集まる場所として機能します。 （BBC Earth、ナレーション - デビッド・アッテンボロー）。

ご視聴いただきありがとうございます。好奇心を持ち続けて、皆さん素晴らしい週末をお過ごしください。 🙂

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出所： habr.com