Orang paling kerap mengaitkan perbualan tentang gigi dengan karies, pendakap gigi dan sadis berkot putih yang hanya bermimpi membuat manik daripada gigi anda. Tetapi diketepikan jenaka, kerana tanpa doktor gigi dan peraturan kebersihan mulut yang ditetapkan, anda dan saya hanya akan makan kentang hancur dan sup melalui penyedut minuman. Dan semuanya harus dipersalahkan untuk evolusi, yang telah memberikan kita jauh dari gigi yang paling tahan lama, yang juga tidak tumbuh semula, yang mungkin membuat wakil industri pergigian sangat gembira. Jika kita bercakap tentang gigi wakil hidupan liar, maka singa megah, jerung yang dahagakan darah dan dubuk yang sangat positif segera terlintas di fikiran. Namun, di sebalik kekuatan dan kekuatan rahang mereka, gigi mereka tidak sehebat gigi landak laut. Ya, ketulan jarum ini di bawah air, yang, jika anda pijak, boleh merosakkan sebahagian besar percutian anda, mempunyai beberapa gigi yang baik. Sudah tentu, tidak banyak daripada mereka, hanya lima, tetapi mereka unik dengan cara mereka sendiri dan mampu mengasah diri mereka sendiri. Bagaimanakah saintis menemui ciri ini, bagaimana sebenarnya proses ini berlaku, dan bagaimana ia boleh membantu orang ramai? Kami belajar tentang ini daripada laporan kumpulan penyelidik. Pergi.
Asas penyelidikan
Pertama sekali, ia patut mengenali watak utama kajian - Strongylocentrotus fragilis, atau dalam istilah manusia, landak laut merah jambu. Landak laut jenis ini tidak begitu berbeza dengan rakan sejawatnya yang lain, kecuali bentuk yang lebih rata dan warna yang glamor. Mereka hidup agak dalam (dari 100 m hingga 1 km), dan mereka membesar sehingga diameter 10 cm.
"Rangka" seekor landak laut, yang menunjukkan simetri lima sinar.
Landak laut, sekeras mana kedengarannya, betul dan salah. Yang pertama mempunyai bentuk badan yang hampir bulat sempurna dengan simetri lima sinar yang jelas, manakala yang kedua lebih tidak simetri.
Perkara pertama yang menarik perhatian anda apabila anda melihat landak laut adalah durinya yang menutupi seluruh badannya. Dalam spesies yang berbeza, jarum boleh dari 2 mm hingga 30 cm. Selain jarum, badan mempunyai spheridia (organ keseimbangan) dan pedicellaria (proses yang menyerupai forsep).
Kelima-lima gigi jelas kelihatan di bahagian tengah.
Untuk menggambarkan landak laut, anda mesti terlebih dahulu berdiri terbalik, kerana bukaan mulutnya terletak di bahagian bawah badan, tetapi bukaan lain berada di bahagian atas. Mulut landak laut dilengkapi dengan alat pengunyah dengan nama saintifik yang indah "tanglung Aristotle" (Aristotlelah yang pertama kali menggambarkan organ ini dan membandingkan bentuknya dengan tanglung mudah alih antik). Organ ini dilengkapi dengan lima rahang, setiap satunya berakhir dengan gigi yang tajam (tanglung Aristotelian landak merah jambu yang sedang diperiksa ditunjukkan dalam imej 1C di bawah).
Terdapat andaian bahawa ketahanan gigi landak laut dipastikan oleh penajaman berterusan mereka, yang berlaku melalui pemusnahan secara beransur-ansur plat mineral gigi untuk mengekalkan ketajaman permukaan distal.
Tetapi bagaimana sebenarnya proses ini berfungsi, gigi mana yang perlu diasah dan mana yang tidak, dan bagaimanakah keputusan penting ini dibuat? Para saintis cuba mencari jawapan kepada soalan-soalan ini.
Hasil penyelidikan
Imej #1
Sebelum mendedahkan rahsia pergigian landak laut, mari kita lihat struktur gigi mereka secara keseluruhan.
Dalam gambar 1A-1S wira kajian ditunjukkan - landak laut merah jambu. Seperti landak laut lain, wakil spesies ini memperoleh komponen mineralnya daripada air laut. Di antara unsur rangka, gigi sangat bermineral (99%) dengan kalsit yang diperkaya dengan magnesium.
Seperti yang kita bincangkan sebelum ini, landak menggunakan gigi mereka untuk mengikis makanan. Tetapi selain itu, mereka menggunakan gigi mereka untuk menggali lubang untuk diri mereka sendiri, di mana mereka bersembunyi dari pemangsa atau cuaca buruk. Memandangkan penggunaan luar biasa ini untuk gigi, yang terakhir mestilah sangat kuat dan tajam.
Dalam imej 1D tomografi mikrokomputer bagi segmen keseluruhan gigi ditunjukkan, menunjukkan bahawa gigi terbentuk sepanjang lengkung elips dengan keratan rentas berbentuk T.
Keratan rentas gigi (1E) menunjukkan bahawa gigi terdiri daripada tiga kawasan struktur: lamina primer, kawasan kalkulus dan lamina sekunder. Kawasan batu terdiri daripada gentian diameter kecil yang dikelilingi oleh cangkerang organik. Gentian tertanam dalam matriks polihabluran yang terdiri daripada zarah kalsit yang kaya dengan magnesium. Diameter zarah ini adalah kira-kira 10-20 nm. Para penyelidik mendapati bahawa kepekatan magnesium tidak seragam di seluruh gigi dan meningkat menjelang akhir, yang memberikan peningkatan rintangan haus dan kekerasan.
Bahagian membujur (1F) kawasan batu gigi menunjukkan pemusnahan gentian, serta avulsi, yang berlaku akibat delaminasi pada antara muka gentian dan cangkang organik.
Plat primer biasanya terdiri daripada kristal tunggal kalsit dan terletak pada permukaan cembung gigi, manakala plat sekunder mengisi permukaan cekung.
Di dalam gambar 1G susunan plat primer melengkung boleh dilihat terletak selari antara satu sama lain. Imej juga menunjukkan gentian dan matriks polihabluran memenuhi ruang antara plat. Kiel (1H) membentuk asas keratan rentas keratan T dan meningkatkan ketegaran lenturan gigi.
Sekarang setelah kita mengetahui struktur gigi landak laut merah jambu, kita kini perlu memikirkan sifat mekanikal komponennya. Untuk tujuan ini, ujian mampatan telah dijalankan menggunakan mikroskop elektron pengimbasan dan nanoindentation*. Ujian nanomekanikal melibatkan sampel yang dipotong sepanjang orientasi membujur dan melintang gigi.
Nanoindentation* β menguji bahan dengan menekan alat khas β indentor β ke dalam permukaan sampel.
Analisis data menunjukkan purata modulus Young (E) dan kekerasan (H) pada hujung gigi dalam arah membujur dan melintang ialah: EL = 77.3 Β± 4,8 GPa, HL = 4.3 Β± 0.5 GPa (membujur) dan ET = 70.2 Β± 7.2 GPa, HT = 3,8 Β± 0,6 GPa (melintang).
Modulus muda* - kuantiti fizik yang menerangkan keupayaan bahan untuk menahan ketegangan dan mampatan.
Kekerasan* - sifat bahan untuk menahan penembusan badan yang lebih keras (indentor).
Di samping itu, lekukan dengan beban tambahan kitaran dibuat dalam arah membujur untuk mencipta model kerosakan plastik visco untuk kawasan batu. hidup 2A lengkung anjakan beban ditunjukkan.
Imej #2
Modulus untuk setiap kitaran dikira berdasarkan kaedah Oliver-Pharr menggunakan data pemunggahan. Kitaran lekukan menunjukkan penurunan monotonik dalam modulus dengan peningkatan kedalaman lekukan (2V). Kemerosotan dalam kekakuan ini dijelaskan oleh pengumpulan kerosakan (2C) akibat ubah bentuk yang tidak dapat dipulihkan. Perlu diperhatikan bahawa perkembangan ketiga berlaku di sekitar gentian, dan bukan melalui mereka.
Sifat mekanikal juzuk gigi juga dinilai menggunakan eksperimen mampatan mikropillar quasi-statik. Rasuk ion tertumpu digunakan untuk menghasilkan tiang bersaiz mikrometer. Untuk menilai kekuatan ikatan antara plat primer pada sisi cembung gigi, tiang mikro telah dibuat dengan orientasi serong berbanding antara muka biasa antara plat (2D). Dalam gambar 2E tiang mikro dengan antara muka condong ditunjukkan. Dan pada graf 2F keputusan ukuran tegasan ricih ditunjukkan.
Para saintis mencatat fakta menarik - modulus elastik yang diukur adalah hampir separuh daripada ujian lekukan. Percanggahan antara ujian lekukan dan mampatan ini juga telah diperhatikan untuk enamel gigi. Pada masa ini, terdapat beberapa teori untuk menjelaskan percanggahan ini (dari pengaruh persekitaran semasa ujian kepada pencemaran sampel), tetapi masih tiada jawapan yang jelas kepada persoalan mengapa percanggahan itu berlaku.
Langkah seterusnya dalam kajian gigi landak laut ialah ujian haus yang dijalankan menggunakan mikroskop elektron pengimbasan. Gigi itu dilekatkan pada pemegang khas dan ditekan pada substrat berlian ultrananocrystalline (3A).
Imej #3
Para saintis mendapati bahawa versi ujian haus mereka adalah bertentangan dengan apa yang biasanya dilakukan, di mana hujung berlian ditekan ke dalam substrat bahan yang diuji. Perubahan dalam teknik ujian haus membolehkan pemahaman yang lebih baik tentang sifat-sifat struktur mikro dan komponen gigi.
Seperti yang dapat kita lihat dalam gambar, apabila beban kritikal dicapai, cip mula terbentuk. Perlu dipertimbangkan bahawa daya "gigitan" tanglung Aristotle dalam landak laut berbeza-beza bergantung pada spesies dari 1 hingga 50 newton. Dalam ujian itu, daya daripada ratusan mikronewton kepada 1 newton telah digunakan, i.e. dari 1 hingga 5 newton untuk keseluruhan tanglung Aristotelian (kerana terdapat lima gigi).
Di dalam gambar 3B(i) zarah halus yang kelihatan (anak panah merah) terbentuk akibat haus pada kawasan batu. Apabila kawasan batu haus dan mengecut, rekahan pada antara muka antara plat boleh berkembang dan merambat disebabkan oleh beban ricih mampatan dan pengumpulan tegasan di kawasan plat kalsit. Gambar 3B(ii) ΠΈ 3B(iii) tunjukkan tempat di mana serpihan terpecah.
Sebagai perbandingan, dua jenis eksperimen haus telah dijalankan: dengan beban malar sepadan dengan permulaan hasil (WCL) dan dengan beban malar sepadan dengan tegasan hasil (WCS). Hasilnya, dua jenis haus gigi diperolehi.
Video ujian pakai:
Peringkat I
Peringkat II
Peringkat III
Peringkat IV
Di bawah beban berterusan, mampatan kawasan diperhatikan dalam ujian WCL, tetapi tiada cipratan atau kerosakan lain pada plat diperhatikan (4A). Tetapi dalam ujian WCS, apabila daya normal dinaikkan untuk mengekalkan tegasan sentuhan nominal malar, serpihan dan kehilangan plat diperhatikan (4V).
Imej #4
Pemerhatian ini disahkan oleh graf (4S) ukuran kawasan mampatan dan isi padu plat sumbing bergantung pada panjang gelongsor (sampel pada berlian semasa ujian).
Graf ini juga menunjukkan bahawa dalam kes WCL, cip tidak terbentuk walaupun jarak gelongsor lebih besar daripada dalam kes WCS. Pemeriksaan plat termampat dan sumbing untuk 4V membolehkan kita lebih memahami mekanisme mengasah sendiri gigi landak laut.
Luas kawasan termampat batu bertambah apabila plat pecah, mengeluarkan sebahagian daripada kawasan termampat [4B (iii-v)]. Ciri mikrostruktur seperti ikatan antara batu dan papak memudahkan proses ini. Mikroskopi menunjukkan bahawa gentian di kawasan kalkulus melengkung dan menembusi melalui lapisan plat di bahagian cembung gigi.
Pada carta 4S lonjakan dalam isipadu kawasan sumbing kelihatan apabila plat baru ditanggalkan daripada gigi. Adalah aneh bahawa pada masa yang sama terdapat penurunan mendadak dalam lebar kawasan yang diratakan (4D), yang menunjukkan proses mengasah diri.
Ringkasnya, eksperimen ini menunjukkan bahawa apabila beban normal (tidak kritikal) yang berterusan dikekalkan semasa ujian haus, hujungnya menjadi kusam manakala gigi kekal tajam. Ternyata gigi landak diasah semasa digunakan, jika beban tidak melebihi kritikal, jika tidak, kerosakan (cip) mungkin berlaku dan bukannya mengasah.
Imej #5
Untuk memahami peranan mikrostruktur gigi, sifatnya dan sumbangannya kepada mekanisme mengasah diri, analisis unsur terhingga tak linear bagi proses haus telah dijalankan (5A). Untuk melakukan ini, gambar bahagian membujur hujung gigi digunakan, yang berfungsi sebagai asas untuk model dua dimensi yang terdiri daripada batu, plat, lunas dan antara muka antara plat dan batu.
Gambar 5B-5H ialah plot kontur bagi kriteria von Mises (kriteria keplastikan) di pinggir kawasan batu dan papak. Apabila gigi dimampatkan, batu mengalami ubah bentuk viscoplastik yang besar, terkumpul kerosakan, dan mengecut ("meratakan") (5B ΠΈ 5C). Mampatan selanjutnya menyebabkan jalur ricih pada batu, di mana banyak ubah bentuk plastik dan kerosakan terkumpul, mengoyakkan sebahagian daripada batu, membawanya ke dalam sentuhan langsung dengan substrat (5D). Pemecahan batu sedemikian dalam model ini sepadan dengan pemerhatian eksperimen (serpihan pecah pada 3B(i)). Mampatan juga menyebabkan delaminasi antara plat kerana elemen antara muka tertakluk kepada beban bercampur, mengakibatkan penyahhebatan (delaminasi). Apabila kawasan sesentuh bertambah, tegasan sesentuh meningkat, menyebabkan permulaan retakan dan perambatan pada antara muka (5B-5E). Kehilangan lekatan antara plat meningkatkan lenturan yang menyebabkan plat luar menjadi tertanggal.
Menggaru memburukkan lagi kerosakan antara muka, membawa kepada penyingkiran wafer apabila wafer mengalami belahan (di mana retakan menyimpang dari antara muka dan menembusi ke dalam wafer, 5G). Apabila proses berterusan, serpihan plat menjadi tertanggal dari hujung gigi (5H).
Menariknya, pemodelan dengan sangat tepat meramalkan serpihan di kedua-dua kawasan batu dan plat, yang telah diperhatikan oleh saintis semasa pemerhatian (3B ΠΈ 5I).
Untuk kenalan yang lebih terperinci dengan nuansa kajian, saya cadangkan melihat ΠΈ kepada dia.
Epilog
Kerja ini sekali lagi mengesahkan bahawa evolusi tidak begitu menguntungkan gigi manusia. Secara serius, dalam kajian mereka, saintis dapat meneliti secara terperinci dan menerangkan mekanisme mengasah sendiri gigi landak laut, yang berdasarkan struktur luar biasa gigi dan beban yang betul di atasnya. Plat yang menutupi gigi landak terkelupas di bawah beban tertentu, yang membantu mengekalkan gigi tajam. Tetapi ini tidak bermakna landak laut boleh menghancurkan batu, kerana apabila penunjuk beban kritikal dicapai, retak dan serpihan terbentuk pada gigi. Ternyata prinsip "anda mempunyai kekuatan, anda tidak memerlukan kecerdasan" pastinya tidak akan membawa apa-apa faedah.
Seseorang mungkin berfikir bahawa mengkaji gigi penduduk laut dalam tidak membawa apa-apa faedah kepada manusia, kecuali untuk memuaskan rasa ingin tahu manusia yang tidak pernah puas. Walau bagaimanapun, pengetahuan yang diperoleh daripada penyelidikan ini boleh menjadi asas untuk penciptaan jenis bahan baru yang akan mempunyai sifat yang serupa dengan gigi landak - rintangan haus, mengasah diri pada tahap bahan tanpa bantuan luar, dan ketahanan.
Walau apa pun, alam menyembunyikan banyak rahsia yang masih belum kita bongkarkan. Adakah mereka akan berguna? Mungkin ya, mungkin tidak. Tetapi kadang-kadang, walaupun dalam penyelidikan yang paling kompleks, kadang-kadang bukan destinasi yang penting, tetapi perjalanan itu sendiri.
Jumaat luar atas:
Hutan rumpai laut gergasi di bawah air berfungsi sebagai tempat berkumpul landak laut dan makhluk laut lain yang luar biasa. (BBC Earth, suara oleh David Attenborough).
Terima kasih kerana membaca, kekal ingin tahu dan selamat berhujung minggu guys! π
Terima kasih kerana tinggal bersama kami. Adakah anda suka artikel kami? Ingin melihat kandungan yang lebih menarik? Sokong kami dengan membuat pesanan atau mengesyorkan kepada rakan, Diskaun 30% untuk pengguna Habr pada analog unik pelayan peringkat permulaan, yang kami cipta untuk anda: (tersedia dengan RAID1 dan RAID10, sehingga 24 teras dan sehingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya disini di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - daripada $99! Baca tentang
Sumber: www.habr.com