Шилести и остри каде и да погледнете: механизмот за самоострување на забите од морскиот еж

Луѓето најчесто ги поврзуваат разговорите за забите со кариес, протези и садисти во бели мантили кои само сонуваат да направат мониста од вашите заби. Но шегите на страна, бидејќи без стоматолози и воспоставени правила за орална хигиена, јас и ти би јаделе само кршен компир и супа преку сламка. И сето тоа е виновна за еволуцијата, која ни даде далеку од најиздржливите заби, кои исто така не се регенерираат, што веројатно ги прави претставниците на стоматолошката индустрија неверојатно среќни. Ако зборуваме за забите на претставниците на дивиот свет, тогаш на ум веднаш доаѓаат величествени лавови, крвожедни ајкули и исклучително позитивни хиени. Сепак, и покрај моќта и силата на нивните вилици, нивните заби не се толку неверојатни како забите на морските ежови. Да, оваа грутка игли под вода, која ако ја згазнете може да ви уништи добар дел од одморот, има доста добри заби. Се разбира, ги нема многу, само пет, но тие се единствени на свој начин и се способни да се изострат. Како научниците ја откриле оваа карактеристика, како точно се случува овој процес и како може да им помогне на луѓето? За ова дознаваме од извештајот на истражувачката група. Оди.

Истражувачка основа

Пред сè, вреди да се запознаеме со главниот лик на студијата - Strongylocentrotus fragilis, или во човечка смисла, розов морски еж. Овој тип на морски еж не се разликува многу од другите негови колеги, со исклучок на повеќе сплескана форма и гламурозна боја. Живеат доста длабоко (од 100 m до 1 km), а растат и до 10 cm во дијаметар.

„Скелетот“ на морски еж, кој покажува симетрија од пет зраци.

Морските ежови се, колку и да звучи груби, исправни и погрешни. Првите имаат речиси совршено тркалезна форма на телото со изразена симетрија со пет зраци, додека вторите се поасиметрични.

Првото нешто што ви привлекува внимание кога ќе видите морски еж се неговите боцки кои го покриваат целото тело. Кај различни видови иглите можат да бидат од 2 мм до 30 цм. Покрај иглите, телото има сферидии (органи за рамнотежа) и педицеларија (процеси кои наликуваат на форцепс).

Сите пет заби се јасно видливи во центарот.

За да прикажете морски еж, прво мора да стоите наопаку, бидејќи нејзиниот отвор за уста се наоѓа на долниот дел од телото, но другите отвори се на горниот дел. Устата на морските ежови е опремена со апарат за џвакање со прекрасното научно име „Аристотеловиот фенер“ (Аристотел прв го опиша овој орган и ја спореди неговата форма со антички пренослив фенер). Овој орган е опремен со пет вилици, од кои секоја завршува со остар заб (аристотеловиот фенер на розовиот еж што се испитува е прикажан на сликата 1C подолу).

Постои претпоставка дека издржливоста на забите од морскиот еж е обезбедена со нивното постојано заострување, кое настанува преку постепено уништување на минерализираните плочи на забот за да се одржи острината на дисталната површина.

Но, како точно функционира овој процес, кои заби треба да се изострат, а кои не, и како се носи оваа важна одлука? Научниците се обидоа да најдат одговори на овие прашања.

Резултати од истражувањето

Слика бр. 1

Пред да ги откриеме забните тајни на морските ежови, да ја погледнеме структурата на нивните заби во целина.

На сликите 1A-1S прикажан е херојот на студијата - розов морски еж. Како и другите морски ежови, претставниците на овој вид ги добиваат своите минерални компоненти од морската вода. Меѓу скелетните елементи, забите се високо минерализирани (99%) со калцит збогатен со магнезиум.

Како што разговаравме претходно, ежите ги користат забите за стругање храна. Но, покрај ова, тие ги користат забите за да си копаат дупки во кои се кријат од предатори или лоши временски услови. Со оглед на оваа необична употреба на забите, вторите мора да бидат исклучително силни и остри.

На сликата 1D Прикажана е микрокомпјутерска томографија на сегмент од цел заб, покажувајќи дека забот е формиран по елипсовидна крива со пресек во форма на Т.

Пресек на забот (1E) покажува дека забот е составен од три структурни региони: примарни ламина, регија на камен и секундарни ламина. Камениот регион се состои од влакна со мал дијаметар опкружени со органска обвивка. Влакната се вградени во поликристална матрица која се состои од честички калцит богати со магнезиум. Дијаметарот на овие честички е околу 10-20 nm. Истражувачите забележуваат дека концентрацијата на магнезиум не е униформа низ забот и се зголемува кон крајот, што обезбедува негова зголемена отпорност на абење и цврстина.

Надолжен пресек (1F) Камената површина на забот покажува уништување на влакната, како и авулзија, што се јавува поради раслојување на интерфејсот на влакната и органската мембрана.

Примарните плочи обично се составени од единечни кристали на калцит и се наоѓаат на конвексната површина на забот, додека секундарните плочи ја исполнуваат конкавната површина.

Во сликата 1G може да се види низа од криви примарни плочи кои лежат паралелно една со друга. На сликата, исто така, се прикажани влакната и поликристалната матрица кои го пополнуваат просторот помеѓу плочите. Кил (1H) ја формира основата на пресекот Т и ја зголемува ригидноста на свиткување на забот.

Сега кога ја знаеме структурата на розовиот заб од морски еж, сега треба да ги откриеме механичките својства на неговите компоненти. За таа цел, беа спроведени тестови за компресија со помош на електронски микроскоп за скенирање и нановдлабнување*. Наномеханичките тестови вклучија примероци исечени по надолжната и попречната ориентација на забот.

Нановдлабнување* - тестирање на материјалот со притискање на специјален алат - вовлекувач - на површината на примерокот.

Анализата на податоците покажа дека просечниот Јанг-модул (E) и цврстина (H) на врвот на забот во надолжната и попречната насока се: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (надолжно) и ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (попречно).

Јанг модул * - физичка количина што ја опишува способноста на материјалот да се спротивстави на напнатост и компресија.

Цврстина * - својство на материјалот да се спротивстави на пенетрација на потврдо тело (вовлекување).

Дополнително, направени се вдлабнатини со циклично дополнително оптоварување во надолжната насока за да се создаде виско-пластичен модел на оштетување на површината на каменот. На 2A е прикажана кривата оптоварување-поместување.

Слика бр. 2

Модулот за секој циклус беше пресметан врз основа на методот Оливер-Фар користејќи податоци за растоварување. Циклусите на вовлекување покажаа монотоно намалување на модулот со зголемување на длабочината на вдлабнување (2V). Ова влошување на вкочанетоста се објаснува со акумулацијата на штета (2C) како резултат на неповратна деформација. Вреди да се одбележи дека развојот на третата се јавува околу влакната, а не преку нив.

Механичките својства на конституентите на забот исто така беа оценети со користење на квази-статички експерименти со компресија на микростолбови. Се користеше фокусиран јонски зрак за производство на столбови со големина на микрометар. За да се оцени јачината на врската помеѓу примарните плочи на конвексната страна на забот, беа направени микростолбови со коси ориентација во однос на нормалната интерфејс помеѓу плочите (2D). Во сликата 2E е прикажан микростолб со наклонет интерфејс. И на графиконот 2F прикажани се резултатите од мерењата на напрегањето на смолкнување.

Научниците забележуваат интересен факт - измерениот модул на еластичност е речиси половина од тестовите за вовлекување. Ова несовпаѓање помеѓу тестовите за вовлекување и компресија е забележано и кај забната глеѓ. Во моментов, постојат неколку теории за објаснување на ова несовпаѓање (од влијанија од околината за време на тестовите до контаминација на примерокот), но сè уште нема јасен одговор на прашањето зошто се појавува несовпаѓањето.

Следниот чекор во проучувањето на забите на морскиот еж беа тестовите за абење извршени со помош на електронски микроскоп за скенирање. Забот беше залепен на посебен држач и притиснат на ултрананокристална дијамантска подлога (3A).

Слика бр. 3

Научниците забележуваат дека нивната верзија на тестот за абење е спротивна од она што обично се прави, каде што врвот на дијамантот се притиснува во подлогата од материјалот што се тестира. Промените во техниките за тестирање на абење овозможуваат подобро разбирање на својствата на микроструктурите и компонентите на забот.

Како што можеме да видиме на сликите, кога ќе се достигне критичното оптоварување, почнуваат да се формираат чипови. Вреди да се земе предвид дека силата на „залак“ на фенерот на Аристотел кај морските ежови варира во зависност од видот од 1 до 50 њутни. Во тестот била употребена сила од стотици микроњутни до 1 њутн, т.е. од 1 до 5 њутни за целиот аристотелски фенер (бидејќи има пет заби).

Во сликата 3B(i) видливи фини честички (црвена стрелка) формирани како резултат на абење на површината на каменот. Како што површината на каменот се троши и се собира, пукнатините на интерфејсите меѓу плочите може да се развијат и да се пропагираат поради оптоварување со смолкнување со компресија и акумулација на стрес во областа на калцитната плоча. Слики 3B(ii) и 3B(iii) покажете места каде што се откинале фрагменти.

За споредба, беа спроведени два вида експерименти на абење: со константно оптоварување што одговара на почетокот на приносот (WCL) и со константно оптоварување што одговара на стресот на попуштање (WCS). Како резултат на тоа, беа добиени два вида на абење на забите.

Видео за тестирање на абење:

Фаза I

Фаза II

Фаза III

Фаза IV

Под постојано оптоварување, компресија на областа беше забележана во тестот WCL, но не беше забележано чипнување или друго оштетување на плочите (4A). Но, во тестот WCS, кога нормалната сила беше зголемена за да се одржи константа на номиналниот контакт напон, забележано е чипнување и губење на плочите (4V).

Слика бр. 4

Овие набљудувања се потврдени со графиконот (4S) мерења на површината на компресија и волуменот на исечените плочи во зависност од должината на лизгање (на примерокот на дијамантот за време на тестот).

Овој графикон исто така покажува дека во случајот на WCL, чиповите не се формираат дури и ако растојанието на лизгање е поголемо отколку во случајот со WCS. Инспекција на компресирани и исечкани плочи за 4V ни овозможува подобро да го разбереме механизмот на самоострување на забите од морскиот еж.

Областа на компресираната површина на каменот се зголемува како што плочата се отцепува, отстранувајќи дел од компримираната површина [4B (iii-v)]. Микроструктурните карактеристики како што е врската помеѓу каменот и плочите го олеснуваат овој процес. Микроскопијата покажа дека влакната во областа на калкулусот се закривени и навлегуваат низ слоевите на плочите во конвексниот дел на забот.

На табелата 4S скок на волуменот на исечената површина е видлив кога новата плоча ќе се одвои од забот. Интересно е што во истиот момент има нагло намалување на ширината на зарамнетиот регион (4D), што укажува на процес на самоострување.

Едноставно кажано, овие експерименти покажаа дека кога се одржува константно нормално (не критично) оптоварување за време на тестовите за абење, врвот станува досаден додека забот останува остар. Излегува дека забите на ежовите се заоструваат за време на употребата, ако оптоварувањето не го надмине критичното, инаку може да дојде до оштетување (чипови) наместо да се остри.

Слика бр. 5

За да се разбере улогата на микроструктурите на забите, нивните својства и нивниот придонес во механизмот за самоострување, беше спроведена нелинеарна анализа на конечни елементи на процесот на абење (5A). За да го направите ова, беа користени фотографии од надолжен пресек на врвот на забот, кои служеа како основа за дводимензионален модел кој се состои од камен, плочи, кил и интерфејси помеѓу плочите и каменот.

Сликата 5B-5H се контурни парцели од критериумот на фон Мисес (критериум за пластичност) на работ на пределот на каменот и плочата. Кога забот е компресиран, каменот претрпува големи вископластични деформации, акумулира оштетување и се собира („се израмнува“) (5B и 5C). Понатамошната компресија предизвикува лента за смолкнување во каменот, каде што голем дел од пластичната деформација и оштетување се акумулира, откорнувајќи дел од каменот, доведувајќи го во директен контакт со подлогата (5D). Таквата фрагментација на камења во овој модел одговара на експериментални набљудувања (скршени фрагменти на 3B(i)). Компресијата, исто така, предизвикува раслојување помеѓу плочите бидејќи елементите на интерфејсот се подложени на мешани оптоварувања, што резултира со декохезија (разложување). Како што се зголемува површината за контакт, напрегањата на контактот се зголемуваат, предизвикувајќи иницирање и ширење на пукнатината на интерфејсот (5B-5E). Губењето на адхезијата помеѓу плочите го зголемува свиткувањето што предизвикува одвојување на надворешната плоча.

Гребењето го влошува оштетувањето на интерфејсот, што доведува до отстранување на наполитанките кога обландата(ите) се подложени на расцепување (каде пукнатините отстапуваат од интерфејсот и продираат во обландата, 5G). Како што продолжува процесот, фрагменти од плочата се одвојуваат од врвот на забот (5H).

Интересно, моделирањето многу прецизно предвидува чипнување и во областа на каменот и на плочата, што научниците веќе го забележаа за време на набљудувањата (3B и 5I).

За подетално запознавање со нијансите на студијата, препорачувам да погледнете известуваат научниците и Дополнителни материјали до него.

Епилог

Оваа работа уште еднаш потврди дека еволуцијата не била многу поволна за човечките заби. Сериозно, во нивната студија, научниците успеаја детално да го испитаат и објаснат механизмот на самоострување на забите од морскиот еж, кој се базира на необичната структура на забот и правилното оптоварување на него. Плочите што го покриваат забот на ежот се лупат под одредено оптоварување, што помага забот да остане остар. Но, тоа не значи дека морските ежови можат да скршат камења, бидејќи кога ќе се достигнат критичните индикатори за оптоварување, на забите се формираат пукнатини и чипс. Излегува дека принципот „имаш сила, не ти треба интелигенција“ сигурно нема да донесе никаква корист.

Може да се помисли дека проучувањето на забите на жителите на морските длабочини не носи никаква корист за луѓето, освен задоволување на ненаситна човечка љубопитност. Сепак, знаењето добиено од ова истражување може да послужи како основа за создавање на нови видови материјали кои ќе имаат својства слични на забите на ежот - отпорност на абење, самоострување на материјално ниво без надворешна помош и издржливост.

Како и да е, природата крие многу тајни кои допрва треба да ги откриеме. Дали тие ќе бидат корисни? Можеби да, можеби не. Но, понекогаш, дури и во најсложените истражувања, понекогаш не е важна дестинацијата, туку самото патување.

Петок надвор од врвот:

Подводните џиновски шуми со алги служат како место за собирање на морските ежови и други необични океански суштества. (BBC Earth, глас од Дејвид Атенборо).

Ви благодариме за читањето, останете љубопитни и имајте одличен викенд момци! 🙂

Ви благодариме што останавте со нас. Дали ви се допаѓаат нашите написи? Сакате да видите поинтересна содржина? Поддржете не со нарачка или препорака на пријатели, 30% попуст за корисниците на Habr на уникатен аналог на сервери на почетно ниво, кој го измисливме ние за вас: Целата вистина за VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 јадра) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps од 20 долари или како да споделите сервер? (достапен со RAID1 и RAID10, до 24 јадра и до 40 GB DDR4).

Dell R730xd 2 пати поевтин? Само овде 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 телевизор од 199 долари во Холандија! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - од 99 долари! Прочитајте за Како да се изгради инфраструктурна корп. класа со употреба на сервери Dell R730xd E5-2650 v4 вредни 9000 евра за денар?

Извор: www.habr.com