Pokalbiai apie dantis dažniausiai asocijuojasi su kariesu, breketais ir baltais chalatais vilkinčiais sadistais, kurie tik svajoja pasidaryti karoliukus iš jūsų dantų. Bet anekdotai į šalį, nes be odontologų ir nusistovėjusių burnos higienos taisyklių tu ir aš valgytume tik trintas bulves ir sriubą per šiaudelį. Ir dėl visko kalta evoliucija, kuri mums padovanojo toli gražu ne pačius patvariausius dantis, kurie taip pat neatsinaujina, o tai tikriausiai nepaprastai džiugina odontologijos pramonės atstovus. Jei kalbėtume apie laukinės gamtos atstovų dantis, tai iš karto į galvą šauna didingi liūtai, kraujo ištroškę rykliai ir itin pozityvios hienos. Tačiau nepaisant jų žandikaulių galios ir stiprumo, jų dantys nėra tokie nuostabūs kaip jūros ežių dantys. Taip, šis spyglių gumulas po vandeniu, ant kurio užlipęs gali sugadinti nemažą dalį atostogų, turi nemažai gerų dantų. Žinoma, jų nėra daug, tik penki, bet jie yra savaip unikalūs ir geba paaštrinti. Kaip mokslininkai atrado šią savybę, kaip tiksliai vyksta šis procesas ir kaip tai gali padėti žmonėms? Apie tai sužinome iš tyrimo grupės ataskaitos. Eik.
Tyrimo pagrindas
Visų pirma, verta susipažinti su pagrindiniu tyrimo veikėju - Strongylocentrotus fragilis, arba, žmogiškai kalbant, rožiniu jūros ežiu. Šio tipo jūros ežiai labai nesiskiria nuo kitų savo kolegų, išskyrus labiau išlygintą formą ir žavingą spalvą. Gyvena gana giliai (nuo 100 m iki 1 km), užauga iki 10 cm skersmens.
Jūros ežio „skeletas“, rodantis penkių spindulių simetriją.
Jūros ežiai, kad ir kaip šiurkščiai skambėtų, yra teisingi ir neteisingi. Pirmieji turi beveik idealiai apvalią kūno formą su ryškia penkių spindulių simetrija, o antrieji yra labiau asimetriški.
Pirmas dalykas, kuris krenta į akis pamačius jūros ežį, yra jo spygliai, dengiantys visą kūną. Įvairių rūšių spygliai gali būti nuo 2 mm iki 30 cm Be spyglių, organizme yra sferidijos (pusiausvyros organai) ir pedicellaria (procesai, primenantys žnyples).
Visi penki dantys aiškiai matomi centre.
Norėdami pavaizduoti jūrų ežį, pirmiausia turite atsistoti aukštyn kojomis, nes jo burnos anga yra apatinėje kūno dalyje, o kitos angos yra viršutinėje. Jūrų ežių burnoje yra kramtomasis aparatas gražiu moksliniu pavadinimu „Aristotelio žibintas“ (būtent Aristotelis pirmasis aprašė šį organą ir palygino jo formą su senoviniu nešiojamu žibintu). Šiame organe yra penki žandikauliai, kurių kiekvienas baigiasi aštriu dantimi (tiriamojo rožinio ežio aristotelinis žibintas parodytas 1C paveikslėlyje žemiau).
Daroma prielaida, kad šlakių dantų ilgaamžiškumą užtikrina nuolatinis jų galandimas, kuris vyksta palaipsniui sunaikinant mineralizuotas danties plokšteles, siekiant išlaikyti distalinio paviršiaus aštrumą.
Tačiau kaip tiksliai vyksta šis procesas, kuriuos dantis reikia galąsti, o kokius ne ir kaip priimamas šis svarbus sprendimas? Mokslininkai bandė rasti atsakymus į šiuos klausimus.
Tyrimo rezultatai
1 vaizdas
Prieš atskleisdami jūrų ežių dantų paslaptis, pažvelkime į jų dantų struktūrą kaip visumą.
Nuotraukose 1А-1S parodytas tyrimo herojus – rožinis jūros ežiukas. Kaip ir kitų jūrų ežių, šios rūšies atstovai mineralinius komponentus gauna iš jūros vandens. Tarp skeleto elementų dantys yra labai mineralizuoti (99%) su kalcitu, praturtintu magniu.
Kaip jau aptarėme anksčiau, ežiukai dantis braukia maistą. Bet be to, jie dantimis išsikasa sau duobes, kuriose slepiasi nuo plėšrūnų ar blogo oro. Atsižvelgiant į tokį neįprastą dantų panaudojimą, pastarieji turi būti itin tvirti ir aštrūs.
Vaizde 1D parodyta viso danties segmento mikrokompiuterinė tomografija, iš kurios matyti, kad dantis suformuotas išilgai elipsės kreivės su T formos skerspjūviu.
Danties skerspjūvis (1E) rodo, kad dantis susideda iš trijų struktūrinių sričių: pirminės plokštelės, akmenų srities ir antrinės plokštelės. Akmens sritis susideda iš mažo skersmens pluoštų, apsuptų organiniu apvalkalu. Pluoštai yra įterpti į polikristalinę matricą, susidedančią iš magnio turtingo kalcito dalelių. Šių dalelių skersmuo yra apie 10-20 nm. Tyrėjai pastebi, kad magnio koncentracija visame dantyje nėra vienoda ir didėja iki galo, o tai padidina jo atsparumą dilimui ir kietumą.
Išilginis pjūvis (1F) danties akmenų plotas rodo skaidulų sunaikinimą, taip pat avulsiją, kuri atsiranda dėl skaidulų ir organinės membranos sąsajos delaminacijos.
Pirminės plokštelės paprastai susideda iš pavienių kalcito kristalų ir yra ant išgaubto danties paviršiaus, o antrinės plokštelės užpildo įgaubtą paviršių.
Nuotraukoje 1G galima pamatyti lygiagrečiai viena kitai gulinčių išlenktų pirminių plokščių masyvą. Paveikslėlyje taip pat matyti pluoštai ir polikristalinė matrica, užpildantys tarpą tarp plokščių. Kylis (1H) formuoja skerspjūvio T pjūvio pagrindą ir padidina danties lenkimo standumą.
Dabar, kai žinome rožinio jūros ežio danties struktūrą, dabar turime išsiaiškinti jo komponentų mechanines savybes. Šiuo tikslu buvo atlikti suspaudimo bandymai naudojant skenuojantį elektroninį mikroskopą ir nanoįdubimas*. Nanomechaniniai bandymai apėmė mėginius, supjaustytus išilgai ir skersine danties orientacija.
Nanoįdubimas* — medžiagos bandymas įspaudžiant į mėginio paviršių specialų įrankį – įdubą.
Duomenų analizė parodė, kad vidutinis Youngo modulis (E) ir kietumas (H) danties gale išilgine ir skersine kryptimis yra: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (išilginė) ir ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (skersinis).
Youngo modulis* - fizinis dydis, apibūdinantis medžiagos gebėjimą atsispirti įtempimui ir gniuždymui.
Kietumas* - medžiagos savybė atsispirti kietesnio kūno prasiskverbimui (įtraukimui).
Be to, išilgine kryptimi buvo padaryti įdubimai su cikliniu papildomu apkrovimu, kad būtų sukurtas klampus-plastinis akmens srities pažeidimo modelis. Įjungta 2А parodyta apkrovos poslinkio kreivė.
2 vaizdas
Kiekvieno ciklo modulis buvo apskaičiuotas remiantis Oliver-Pharr metodu, naudojant iškrovimo duomenis. Įtraukimo ciklai parodė monotonišką modulio sumažėjimą didėjant įdubimo gyliui (2V). Šis standumo pablogėjimas paaiškinamas žalos kaupimu (2C) dėl negrįžtamos deformacijos. Pastebėtina, kad trečiasis vystosi aplink pluoštus, o ne per juos.
Dantų sudedamųjų dalių mechaninės savybės taip pat buvo įvertintos naudojant kvazistatinio mikrostulpelio suspaudimo eksperimentus. Mikrometro dydžio stulpams gaminti buvo naudojamas fokusuotas jonų pluoštas. Norint įvertinti sukibimo stiprumą tarp pirminių plokštelių išgaubtoje danties pusėje, mikrostulpeliai buvo pagaminti įstrižai, palyginti su normalia plokštelių sąsaja (2D). Nuotraukoje 2E parodytas mikrostulpelis su pasvirusia sąsaja. Ir grafike 2F parodyti šlyties įtempių matavimų rezultatai.
Mokslininkai atkreipia dėmesį į įdomų faktą – išmatuotas tamprumo modulis yra beveik perpus mažesnis nei atliekant įdubimo testus. Šis neatitikimas tarp įdubimo ir suspaudimo bandymų taip pat buvo pastebėtas dantų emaliui. Šiuo metu yra keletas teorijų, paaiškinančių šį neatitikimą (nuo aplinkos poveikio bandymų metu iki mėginių užteršimo), tačiau vis dar nėra aiškaus atsakymo į klausimą, kodėl atsiranda neatitikimas.
Kitas jūros ežių dantų tyrimo žingsnis buvo nusidėvėjimo testai, atlikti naudojant skenuojantį elektroninį mikroskopą. Dantis buvo priklijuotas prie specialaus laikiklio ir prispaustas prie ultrananokristalinio deimantinio pagrindo (3А).
3 vaizdas
Mokslininkai pažymi, kad jų nusidėvėjimo bandymo versija yra priešinga tai, kas paprastai daroma, kai deimantinis antgalis įspaudžiamas į bandomos medžiagos pagrindą. Pasikeitę nusidėvėjimo tyrimo metodai leidžia geriau suprasti danties mikrostruktūrų ir komponentų savybes.
Kaip matome paveikslėliuose, pasiekus kritinę apkrovą pradeda formuotis drožlės. Verta manyti, kad Aristotelio žibinto „įkandimo“ jėga jūros ežiuose skiriasi priklausomai nuo rūšies nuo 1 iki 50 niutonų. Bandymo metu buvo panaudota jėga nuo šimtų mikroniutonų iki 1 niutono, t.y. nuo 1 iki 5 niutonų visam Aristotelio žibintui (nes yra penki dantys).
Nuotraukoje 3B(i) matomos smulkios dalelės (raudona rodyklė), susidariusios dėl akmens srities susidėvėjimo. Dėvint ir susitraukiant akmens sričiai, gali atsirasti ir plisti įtrūkimai tarp plokščių sąsajų dėl gniuždymo-šlyties apkrovos ir įtempių kaupimosi kalcito plokštės srityje. Paveikslėliai 3B(ii) и 3B(iii) parodyti vietas, kur skeveldros nulūžo.
Palyginimui buvo atlikti dviejų tipų nusidėvėjimo eksperimentai: su pastovia apkrova, atitinkančia derlingumo pradžią (WCL) ir su pastovia apkrova, atitinkančia takumo įtempį (WCS). Dėl to buvo gautas dviejų tipų dantų nusidėvėjimas.
Dėvėjimo bandymo vaizdo įrašas:
I etapas
II etapas
III etapas
IV etapas
Esant pastoviai apkrovai, atliekant WCL testą, buvo pastebėtas ploto suspaudimas, tačiau plokštelių atskilimo ar kitokio pažeidimo nepastebėta (4A). Tačiau atliekant WCS testą, kai normalioji jėga buvo padidinta, kad būtų išlaikytas vardinis kontaktinis įtempis, buvo pastebėtas plokštelių įskilimas ir praradimas (4V).
4 vaizdas
Šiuos pastebėjimus patvirtina grafikas (4S) suspaudimo ploto ir susmulkintų plokščių tūrio matavimai, priklausomai nuo slydimo ilgio (bandymo metu bandinio ant deimanto).
Šis grafikas taip pat rodo, kad WCL atveju lustai nesusidaro net jei slydimo atstumas yra didesnis nei WCS atveju. Suspaustų ir susmulkintų plokščių patikrinimas 4V leidžia geriau suprasti jūros ežių dantų savaiminio galandimo mechanizmą.
Suspausto akmens plotas didėja, kai plokštelė atitrūksta, pašalinant dalį suspausto ploto [4B (iii-v)]. Mikrostruktūrinės savybės, tokios kaip akmens ir plokščių ryšys, palengvina šį procesą. Mikroskopija parodė, kad skaidulos akmenų srityje išlinkusios ir prasiskverbė pro plokštelių sluoksnius išgaubtoje danties dalyje.
Diagramoje 4S Atskyrus naują plokštelę nuo danties, matomas nuskilusios vietos tūrio šuolis. Įdomu, kad tuo pačiu metu smarkiai sumažėja išlygintos srities plotis (4D), o tai rodo savaiminio galandimo procesą.
Paprasčiau tariant, šie eksperimentai parodė, kad nusidėvėjimo bandymų metu išlaikant pastovią normalią (ne kritinę) apkrovą, galiukas nublanksta, o dantis išlieka aštrus. Pasirodo, ežiukų dantys yra pagaląsti naudojimo metu, jei apkrova neviršija kritinio, kitaip gali atsirasti ne galandimas, o pažeidimai (skeveldros).
5 vaizdas
Norint suprasti danties mikrostruktūrų vaidmenį, jų savybes ir indėlį į savaiminio galandimo mechanizmą, buvo atlikta netiesinė baigtinių elementų dilimo proceso analizė (5А). Tam buvo naudojamos išilginės danties galiuko pjūvio nuotraukos, kurios buvo dvimačio modelio, sudaryto iš akmens, plokštelių, kilio ir plokštelių bei akmens sąsajų, pagrindas.
Vaizdai 5B-5H yra fon Miseso kriterijaus (plastiškumo kriterijaus) kontūriniai sklypai akmens ir plokščių regiono pakraštyje. Suspaudus dantį, akmuo patiria dideles viskoplastines deformacijas, kaupiasi pažeidimai ir susitraukia („suplokštėja“).5B и 5C). Dėl tolesnio suspaudimo akmenyje susidaro šlyties juosta, kurioje kaupiasi didelė dalis plastinių deformacijų ir pažeidimų, nuplėšdama dalį akmens ir tiesiogiai susiliečiant su pagrindu (5D). Toks akmens suskaidymas šiame modelyje atitinka eksperimentinius stebėjimus (sulaužyti fragmentai ant 3B(i)). Suspaudimas taip pat sukelia sluoksniuotumą tarp plokščių, nes sąsajos elementai yra veikiami mišrių apkrovų, dėl kurių atsiranda dekohezija (atsisluoksniavimas). Didėjant kontaktiniam plotui, didėja kontaktiniai įtempiai, todėl sąsajoje susidaro įtrūkimai ir plinta (5B-5E). Sukibimo tarp plokščių praradimas padidina lenkimą, dėl kurio išorinė plokštė atsiskiria.
Dėl įbrėžimų dar labiau pažeidžiama sąsaja, todėl plokštelė nuimama, kai plokštelė (-ės) įtrūksta (kai įtrūkimai nukrypsta nuo sąsajos ir prasiskverbia į plokštelę, 5G). Procesui tęsiantis, plokštelės fragmentai atsiskiria nuo danties galiuko (5H).
Įdomu tai, kad modeliuojant labai tiksliai prognozuojamas skilimas tiek akmens, tiek plokščių srityse, ką mokslininkai jau pastebėjo stebėjimų metu (3B и 5I).
Išsamiau susipažinti su tyrimo niuansais rekomenduoju pažiūrėti и jam.
Epilogas
Šis darbas dar kartą patvirtino, kad evoliucija nebuvo labai palanki žmogaus dantims. Jei rimtai, mokslininkai savo tyrime galėjo išsamiai išnagrinėti ir paaiškinti jūros ežių dantų savaiminio galandimo mechanizmą, kuris pagrįstas neįprasta danties struktūra ir teisinga jo apkrova. Ežiuko dantį dengiančios plokštelės, veikiant tam tikram apkrovimui, nusilupa, o tai padeda išlaikyti dantį aštrų. Bet tai nereiškia, kad jūros ežiai gali susmulkinti akmenis, nes pasiekus kritinius krūvio rodiklius ant dantų susidaro įtrūkimai ir skiedros. Pasirodo, principas „turi jėgų, intelekto tau nereikia“ tikrai neatneštų jokios naudos.
Galima manyti, kad jūros gelmių gyventojų dantų tyrinėjimas žmogui neduoda jokios naudos, išskyrus nepasotinamo žmogaus smalsumo patenkinimą. Tačiau šio tyrimo metu įgytos žinios gali tapti pagrindu kuriant naujų tipų medžiagas, kurios pasižymės savybėmis, panašiomis į ežio dantis – atsparumą dilimui, savaiminį galandimą medžiagos lygmenyje be išorinės pagalbos, ilgaamžiškumą.
Kad ir kaip būtų, gamta slepia daugybę paslapčių, kurių dar turime atskleisti. Ar jie bus naudingi? Galbūt taip, galbūt ne. Tačiau kartais, net ir sudėtingiausiuose tyrimuose, kartais svarbu ne kelionės tikslas, o pati kelionė.
Penktadienio laisvalaikis:
Povandeniniai milžiniški rudadumblių miškai yra jūros ežių ir kitų neįprastų vandenyno būtybių susibūrimo vieta. (BBC Žemė, įgarsinimas Davido Attenborougho).
Ačiū, kad skaitėte, būkite smalsūs ir gero savaitgalio vaikinai! 🙂
Dėkojame, kad likote su mumis. Ar jums patinka mūsų straipsniai? Norite pamatyti įdomesnio turinio? Palaikykite mus pateikdami užsakymą ar rekomenduodami draugams, 30% nuolaida Habr vartotojams unikaliam pradinio lygio serverių analogui, kurį mes sugalvojome jums: (galima su RAID1 ir RAID10, iki 24 branduolių ir iki 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 kartus pigiau? Tik čia Olandijoje! „Dell R420“ – 2 x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gbps 100 TB – nuo 99 USD! Skaityti apie
Šaltinis: www.habr.com