ProHoster > Blogs > interneta ziņas > Smailas un asas, lai kur vien jÅ«s skatÄ«tos: jÅ«ras ežu zobu paÅ”asināŔanas mehānisms

Smailas un asas, lai kur vien jūs skatītos: jūras ežu zobu paŔasināŔanas mehānisms

Smailas un asas, lai kur vien jūs skatītos: jūras ežu zobu paŔasināŔanas mehānisms
RunāŔana par zobiem cilvēkiem visbiežāk saistās ar kariesu, breketēm un sadistiem baltos halātos, kuri tikai sapņo par krelles veidoÅ”anu no zobiem. Bet jokus malā, jo bez zobārstiem un iedibinātiem mutes higiēnas noteikumiem mēs ēstu tikai sasmalcinātus kartupeļus un zupu caur salmiņu. Un pie visa vainÄ«ga evolÅ«cija, kas mums deva tālu no izturÄ«gākajiem zobiem, kuri joprojām neatjaunojas, kas, iespējams, neaprakstāmi priecē zobārstniecÄ«bas nozares pārstāvjus. Ja runājam par savvaļas pārstāvju zobiem, tad prātā uzreiz nāk majestātiskās lauvas, asinskāras haizivis un ārkārtÄ«gi pozitÄ«vas hiēnas. Tomēr, neskatoties uz viņu žokļu spēku un spēku, viņu zobi nav tik pārsteidzoÅ”i kā jÅ«ras ežu zobi. Jā, Å”ai zem Å«dens skuju kamoliņai, uz kuras uzkāpjot var sabojāt labu daļu sava atvaļinājuma, ir diezgan labi zobi. Protams, tādu nav daudz, tikai pieci, bet tie ir savā veidā unikāli un spēj sevi uzasināt. Kā zinātnieki identificēja Ŕādu iezÄ«mi, kā tieÅ”i Å”is process norisinās un kā tas var palÄ«dzēt cilvēkiem? Par to uzzinām no pētnieku grupas ziņojuma. Aiziet.

Pētījuma bāze

Vispirms ir vērts iepazÄ«t pētÄ«juma galveno varoni - Strongylocentrotus fragilis, cilvēciskā izteiksmē, ar rozā jÅ«ras ezi. Å is jÅ«ras ežu veids Ä«paÅ”i neatŔķiras no citiem saviem kolēģiem, izņemot plakanāku formu pie stabiem un krāŔņu krāsu. Viņi dzÄ«vo diezgan dziļi (no 100 m lÄ«dz 1 km), un to diametrs sasniedz 10 cm.

Smailas un asas, lai kur vien jūs skatītos: jūras ežu zobu paŔasināŔanas mehānisms
Jūras eža "skelets", kas parāda piecu staru simetriju.

Jūras eži, lai arī cik rupji tas neizklausītos, ir pareizi un nepareizi. Pirmajiem ir gandrīz ideāli apaļa ķermeņa forma ar izteiktu piecu staru simetriju, savukārt pēdējie ir asimetriskāki.

Pirmā lieta, kas piesaista jūsu uzmanību, ieraugot jūras ezi, ir tā spalviņas, kas pārklāj visu ķermeni. Dažādām sugām adatas var būt no 2 mm līdz pat 30 cm. Papildus adatām ķermenī ir sferidijas (līdzsvara orgāni) un pedicellaria (procesi, kas atgādina knaibles).

Smailas un asas, lai kur vien jūs skatītos: jūras ežu zobu paŔasināŔanas mehānisms
Visi pieci zobi ir skaidri redzami centrā.

Lai attēlotu jÅ«ras ezi, vispirms jāstāv otrādi, jo tā mutes atvere atrodas Ä·ermeņa lejasdaļā, bet pārējās atveres ir augÅ”pusē. JÅ«ras ežu mute ir aprÄ«kota ar koŔļājamo aparātu ar skaistu zinātnisko nosaukumu "Aristoteļa laterna" (tas bija Aristotelis, kurÅ” pirmais aprakstÄ«ja Å”o orgānu un salÄ«dzināja to pēc formas ar antÄ«ku pārnēsājamu laternu). Å is orgāns ir aprÄ«kots ar pieciem žokļiem, no kuriem katrs beidzas ar asu zobu (pētāmā rozā eža Aristoteļa laterna ir parādÄ«ta 1C attēlā zemāk).

Pastāv pieņēmums, ka jÅ«ras ežu zobu izturÄ«bu nodroÅ”ina to pastāvÄ«ga asināŔana, kas notiek, pakāpeniski iznÄ«cinot mineralizētās zobu plāksnes, lai saglabātu distālās virsmas asumu.

Bet kā tieÅ”i Å”is process norisinās, kuri zobi ir jāasina un kuri nē, un kā tiek pieņemts Å”is svarÄ«gais lēmums? Zinātnieki ir mēģinājuÅ”i rast atbildes uz Å”iem jautājumiem.

Pētījuma rezultāti

Smailas un asas, lai kur vien jūs skatītos: jūras ežu zobu paŔasināŔanas mehānisms
1. attēls

Pirms atklājat jūras ežu zobu noslēpumus, apsveriet viņu zobu uzbūvi kopumā.

Uz bildēm 1ŠSākot no1S tiek parādÄ«ts pētÄ«juma varonis - rozā jÅ«ras ezis. Tāpat kā citi jÅ«ras eži, arÄ« Ŕīs sugas pārstāvji minerālvielas iegÅ«st no jÅ«ras Å«dens. Starp skeleta elementiem zobi ir ļoti mineralizēti (par 99%) ar magniju bagātinātu kalcÄ«tu.

Kā mēs runājām iepriekÅ”, eži izmanto zobus, lai skrāpētu pārtiku. Bet turklāt viņi ar zobu palÄ«dzÄ«bu izrok sev caurumus, kuros slēpjas no plēsējiem vai sliktiem laikapstākļiem. Ņemot vērā Å”o neparasto zobu izmantoÅ”anu, pēdējiem jābÅ«t ārkārtÄ«gi stipriem un asiem.

Uz attēla 1D parādÄ«ta vesela zoba segmenta mikrodatortomogrāfija, kas skaidri parāda, ka zobs veidojas pa eliptisku lÄ«kni ar T veida Ŕķērsgriezumu.

Zoba Ŕķērsgriezums (1E) parāda, ka zobs sastāv no trim strukturālajiem reÄ£ioniem: primārajām slāņām, kaļķakmens apgabaliem un sekundārajām lamelām. Akmens laukums sastāv no maza diametra Ŕķiedrām, ko ieskauj organisks apvalks. Å Ä·iedras ir ietvertas polikristāliskā matricā, kas sastāv no magniju bagātām kalcÄ«ta daļiņām. Å o daļiņu diametrs ir aptuveni 10-20 nm. Pētnieki atzÄ«mē, ka magnija koncentrācija nav vienmērÄ«ga visā zobā un palielinās tuvāk tā galam, kas nodroÅ”ina tā paaugstinātu nodilumizturÄ«bu un cietÄ«bu.

Garengriezums (1F) no zoba kaļķakmens parāda Ŕķiedru iznÄ«cināŔanu, kā arÄ« atdalÄ«Å”anos, kas notiek atslāņoÅ”anās dēļ saskarē starp Ŕķiedrām un organisko apvalku.

Primārie finieri parasti sastāv no kalcīta monokristāliem un atrodas uz zoba izliektās virsmas, savukārt sekundārie finieri aizpilda ieliekto virsmu.

Attēlā 1G var redzēt izliektu primāro plākŔņu masÄ«vu, kas atrodas paralēli viena otrai. Attēlā redzamas arÄ« Ŕķiedras un polikristāliska matrica, kas aizpilda atstarpi starp plāksnēm. Ä·Ä«lis (1H) veido Ŕķērsvirziena T veida pamatni un palielina zoba lieces stÄ«vumu.

Tā kā mēs zinām, kāda ir rozā jÅ«ras eža zoba struktÅ«ra, mums tagad ir jānoskaidro tā sastāvdaļu mehāniskās Ä«paŔības. Å im nolÅ«kam tika veikti kompresijas testi, izmantojot skenējoÅ”o elektronu mikroskopu un metodi nanoindentation*. Paraugi, kas izgriezti gar zoba garenvirziena un Ŕķērsvirziena orientāciju, piedalÄ«jās nanomehāniskajos testos.

Nanoindentation* ā€” materiāla pārbaude ar ievilkÅ”anas metodi speciāla instrumenta parauga virsmā ā€” iespiedējs.

Datu analÄ«ze parādÄ«ja, ka vidējais Janga modulis (E) un cietÄ«ba (H) zoba galā garenvirzienā un Ŕķērsvirzienā ir: EL = 77.3 Ā± 4,8 GPa, HL = 4.3 Ā± 0.5 GPa (gareniski) un ET = 70.2 Ā± 7.2. GPa, HT = 3,8 Ā± 0,6 GPa (Ŕķērsvirziena).

Janga modulis* - fizikāls lielums, kas raksturo materiāla spēju pretoties spriedzei un saspieÅ”anai.

Cietība* - materiāla īpaŔība pretoties cietāka korpusa (ievilkŔanas) ievadīŔanai.

Papildus tika veiktas ieplakas garenvirzienā ar ciklisku papildu slodzi, lai izveidotu akmens laukuma plastisko bojājumu modeli. Ieslēgts 2Š tiek parādÄ«ta slodzes nobÄ«des lÄ«kne.

Smailas un asas, lai kur vien jūs skatītos: jūras ežu zobu paŔasināŔanas mehānisms
2. attēls

Katra cikla modulis tika aprēķināts, pamatojoties uz Oliver-Farr metodi, izmantojot izkrauÅ”anas datus. Ievilkuma cikli uzrādÄ«ja monotonisku moduļa samazināŔanos, palielinoties ievilkuma dziļumam (2V). Šāda stinguma pasliktināŔanās ir izskaidrojama ar bojājumu uzkrāŔanos (2C) neatgriezeniskas deformācijas rezultātā. JāatzÄ«mē, ka treŔā attÄ«stÄ«ba notiek ap Ŕķiedrām, nevis caur tām.

Zobu sastāvdaļu mehāniskās Ä«paŔības tika novērtētas arÄ«, izmantojot kvazistatiskos mikropilāru kompresijas eksperimentus. Mikrometra izmēra pÄ«lāru izgatavoÅ”anai tika izmantots fokusēts jonu stars. Lai novērtētu savienojuma stiprumu starp primārajām plāksnēm zoba izliektajā pusē, tika izgatavoti mikropilāri ar slÄ«pu orientāciju attiecÄ«bā pret parasto saskarni starp plāksnēm (2D). Attēlā 2E tiek parādÄ«ta mikrokolonna ar slÄ«pu saskarni. Un diagrammā 2F parādÄ«ti bÄ«des sprieguma mērÄ«jumu rezultāti.

Zinātnieki atzÄ«mē interesantu faktu - izmērÄ«tais elastÄ«bas modulis ir gandrÄ«z uz pusi mazāks nekā iespieduma testos. Å Ä« neatbilstÄ«ba starp ievilkuma un saspieÅ”anas testiem ir novērota arÄ« zobu emaljai. Å obrÄ«d pastāv vairākas teorijas, kas izskaidro Å”o neatbilstÄ«bu (no vides ietekmes testu laikā lÄ«dz paraugu piesārņojumam), taču nav skaidras atbildes uz jautājumu, kāpēc neatbilstÄ«ba rodas.

Nākamais solis jÅ«ras ežu zobu izpētē bija nodiluma testi, kas veikti, izmantojot skenējoÅ”o elektronu mikroskopu. Zobs tika pielÄ«mēts pie Ä«paÅ”a turētāja un nospiests pret ultrananokristāliskā dimanta substrātu (3Š).

Smailas un asas, lai kur vien jūs skatītos: jūras ežu zobu paŔasināŔanas mehānisms
3. attēls

Zinātnieki atzÄ«mē, ka viņu nodiluma testa versija ir pretēja tam, ko parasti dara, kad dimanta galu iespiež pētāmā materiāla substrātā. Izmaiņas nodiluma pārbaudes metodoloÄ£ijā ļauj labāk izprast mikrostruktÅ«ru un zobu komponentu Ä«paŔības.

Kā redzam bildēs, sasniedzot kritisko slodzi, sāk veidoties skaidas. Ir vērts padomāt, ka Aristoteļa laternas ā€œkodienaā€ spēks jÅ«ras ežiem atkarÄ«bā no sugas svārstās no 1 lÄ«dz 50 ņūtoniem. Pārbaudē tika pielikts spēks no simtiem mikroņūtonu lÄ«dz 1 ņūtonam, t.i. no 1 lÄ«dz 5 ņūtoniem visai Aristoteļa laternai (jo ir pieci zobi).

Attēlā 3B(i) redzamas sÄ«kas daļiņas (sarkanā bultiņa), kas veidojas akmens laukuma nodiluma rezultātā. Akmens laukumam nolietojoties un saraujoties, plaisas plākŔņu saskarnēs var rasties un izplatÄ«ties spiedes-bÄ«des slodzes un spriedzes palielināŔanās dēļ kalcÄ«ta plākŔņu zonā. Momentuzņēmumi 3B(ii) Šø 3B(iii) parādÄ«t vietas, kur fragmenti atlÅ«za.

SalÄ«dzinājumam tika veikti divu veidu nodiluma eksperimenti: ar konstantu slodzi, kas atbilst ražas sākumam (WCL) un ar konstantu slodzi, kas atbilst tecÄ“Å”anas robežai (WS). Rezultātā tika iegÅ«ti divi zobu nodiluma varianti.

Nodiluma testa video:


I posms


II posms


III posms


IV posms

Konstantas slodzes gadÄ«jumā WCL testā tika novērota laukuma saspieÅ”ana, tomēr plākŔņu ŔķelÅ”anās vai citi bojājumi netika pamanÄ«ti (4A). Bet WCS testā, kad tika palielināts parastais spēks, lai uzturētu nominālo kontaktspriegumu nemainÄ«gu, tika novērota plākŔņu plaisāŔana un izkriÅ”ana (4V).

Smailas un asas, lai kur vien jūs skatītos: jūras ežu zobu paŔasināŔanas mehānisms
4. attēls

Å os novērojumus apstiprina sižets (4S) saspieÅ”anas laukuma un Ŕķelto plākŔņu tilpuma mērÄ«jumi atkarÄ«bā no slÄ«dÄ“Å”anas garuma (pārbaudes laikā paraugs virs dimanta).

Å is grafiks arÄ« parāda, ka WCL gadÄ«jumā čipi neveidojas pat tad, ja slÄ«dÄ“Å”anas attālums ir lielāks nekā WCS gadÄ«jumā. Saspiesto un Ŕķeldotu plākŔņu pārbaude 4V ļauj labāk izprast jÅ«ras ežu zobu paÅ”asināŔanas mehānismu.

Akmens saspiestā laukuma laukums palielinās, plāksnei nolÅ«stot, izraisot daļu no saspiestās vietas noņemÅ”anas [4B(iii-v)]. Mikrostrukturālās Ä«paŔības, piemēram, saikne starp akmeni un plāksnēm, atvieglo Å”o procesu. Mikroskopija parādÄ«ja, ka kaļķakmens Ŕķiedras ir saliektas un iekļūst cauri plākŔņu slāņiem zoba izliektajā daļā.

Uz diagrammas 4S atdaloties no zoba, notiek Ŕķeldotās vietas apjoma lēciens. Interesanti, ka tajā paŔā brÄ«dÄ« ir krasi samazinājies oblate reÄ£iona platums (4D), kas norāda uz paÅ”asināŔanas procesu.

VienkārÅ”i sakot, Å”ie eksperimenti ir parādÄ«juÅ”i, ka, saglabājot nemainÄ«gu normālu (ne kritisku) slodzi nodiluma testu laikā, gals kļūst neass, savukārt zobs paliek ass. Izrādās, ka ežu zobi tiek uzasināti lietoÅ”anas laikā, ja slodze nepārsniedz kritisko, pretējā gadÄ«jumā var rasties bojājumi (Ŕķeldas), nevis asināŔana.

Smailas un asas, lai kur vien jūs skatītos: jūras ežu zobu paŔasināŔanas mehānisms
5. attēls

Lai izprastu zobu mikrostruktÅ«ru lomu, Ä«paŔības un ieguldÄ«jumu paÅ”asināŔanas mehānismā, tika veikta nodiluma procesa nelineāra galÄ«go elementu analÄ«ze (5Š). Lai to izdarÄ«tu, tika izmantoti zoba gala gareniskā griezuma attēli, kas kalpoja par pamatu divdimensiju modelim, kas sastāv no akmens, plāksnēm, ķīļa un saskarnēm starp plāksnēm un akmeni.

Š˜Š·Š¾Š±Ń€Š°Š¶ŠµŠ½Šøя 5B-5H ir Mises kritērija (plastiskuma kritērija) kontÅ«rlaukumi akmens un plātņu laukuma malā. Kad zobs tiek saspiests, zobakmens iziet lielas viskoplastiskas deformācijas, uzkrājas bojājumi un saraujas (ā€œsaplacināsā€) (5B Šø 5C). Turpmāka saspieÅ”ana akmenÄ« izraisa bÄ«des joslu, kurā uzkrājas lielākā daļa plastisko deformāciju un bojājumu, noraujot daļu no akmens, nonākot tieŔā saskarē ar pamatni (5D). Šāda akmens sadrumstalotÄ«ba Å”ajā modelÄ« atbilst eksperimentāliem novērojumiem (Ŕķeltie fragmenti uz 3B(i)). SaspieÅ”anas rezultātā starp plāksnēm notiek arÄ« atslāņoÅ”anās, jo saskarnes elementi tiek pakļauti jauktai slodzei, kā rezultātā notiek dekohēzija (lobÄ«Å”anās). Palielinoties kontakta laukumam, palielinās kontakta spriegumi, izraisot plaisas raÅ”anos un izplatÄ«Å”anos saskarnē (5BSākot no5E). Adhēzijas zudums starp plāksnēm pastiprina locÄ«jumu, kas izraisa ārējās plāksnes atvienoÅ”anu.

Skrāpējumi pastiprina saskarnes bojājumus, kā rezultātā plāksne tiek noņemta, kad plāksne(-s) tiek sadalīta (kur plaisas novirzās no saskarnes un iekļūst plāksnē, 5G). Procesam turpinoties, plāksnes fragmenti tiek atdalīti no zoba gala (5H).

Interesanti, ka simulācija ļoti precÄ«zi prognozē ŔķelÅ”anos gan akmens, gan plākŔņu reÄ£ionos, ko zinātnieki jau ir pamanÄ«juÅ”i novērojumu laikā (3B Šø 5I).

Detalizētākai iepazÄ«Å”anai ar pētÄ«juma niansēm iesaku aplÅ«kot ziņo zinātnieki Šø Papildu materiāli viņam.

Epilogs

Å is darbs vēlreiz apstiprināja, ka evolÅ«cija ne pārāk atbalstÄ«ja cilvēka zobus. Ja nopietni, tad zinātnieki savā pētÄ«jumā varēja detalizēti izpētÄ«t un izskaidrot jÅ«ras ežu zobu paÅ”asināŔanas mehānismu, kura pamatā ir neparastā zoba uzbÅ«ve un pareiza slodze uz to. Eža zobu nosedzoŔās plāksnes pie noteiktas slodzes nolobās, kas ļauj saglabāt zobu asu. Bet tas nenozÄ«mē, ka jÅ«ras eži var drupināt akmeņus, jo, sasniedzot kritiskos slodzes rādÄ«tājus, uz zobiem veidojas plaisas un skaidas. Izrādās, princips ā€œvara ir, prātu nevajagā€ noteikti nedotu nekādu labumu.

Varētu domāt, ka jÅ«ras dzīļu iemÄ«tnieku zobu izpēte cilvēkam nedod nekādu labumu, izņemot negausÄ«gās cilvēka zinātkāres apmierināŔanu. Taču Ŕī pētÄ«juma laikā iegÅ«tās zināŔanas var kalpot par pamatu jauna veida materiālu radÄ«Å”anai, kuriem bÅ«s ežu zobiem lÄ«dzÄ«gas Ä«paŔības ā€“ nodilumizturÄ«ba, paÅ”izasināŔanās materiāla lÄ«menÄ« bez ārējas palÄ«dzÄ«bas, kā arÄ« izturÄ«ba.

Lai kā arī būtu, dabai ir daudz noslēpumu, kas mums vēl nav jāatklāj. Vai tie būs noderīgi? Varbūt jā, varbūt nē. Bet dažreiz pat vissarežģītākajā izpētē dažreiz svarīgs nav galamērķis, bet gan pats ceļojums.

Piektdienas izlaidums:


ZemÅ«dens milzu aļģu meži kalpo kā jÅ«ras ežu un citu neparastu okeāna iemÄ«tnieku pulcÄ“Å”anās vieta. (BBC Earth, balss pārsÅ«tÄ«Å”ana - Deivids Attenboro).

Paldies, ka skatÄ«jāties, esiet ziņkārÄ«gs un lai visiem jauka nedēļas nogale! šŸ™‚

Paldies, ka palikāt kopā ar mums. Vai jums patīk mūsu raksti? Vai vēlaties redzēt interesantāku saturu? Atbalsti mūs, pasūtot vai iesakot draugiem, 30% atlaide Habr lietotājiem unikālam sākuma līmeņa serveru analogam, ko mēs jums izgudrojām: Visa patiesība par VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 kodoli) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps no 20$ vai kā koplietot serveri? (pieejams ar RAID1 un RAID10, līdz 24 kodoliem un līdz 40 GB DDR4).

Dell R730xd 2 reizes lētāk? Tikai Å”eit 2x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV no 199$ NÄ«derlandē! Dell R420 ā€” 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB ā€” no 99 USD! LasÄ«t par Kā izveidot infrastruktÅ«ras uzņēmumu klase ar Dell R730xd E5-2650 v4 serveru izmantoÅ”anu 9000 eiro par santÄ«mu?

Avots: www.habr.com

Pievieno komentāru