Folk forbinder oftest samtaler om tenner med karies, tannregulering og sadister i hvite frakker som bare drømmer om å lage perler av tennene dine. Men vitser til side, for uten tannleger og etablerte regler for munnhygiene ville du og jeg kun spist knuste poteter og suppe gjennom et sugerør. Og alt har skylden for evolusjonen, som har gitt oss langt fra de mest holdbare tennene, som heller ikke regenereres, noe som sannsynligvis gjør representanter for tannindustrien utrolig glade. Hvis vi snakker om tennene til representanter for dyrelivet, kommer majestetiske løver, blodtørstige haier og ekstremt positive hyener umiddelbart til tankene. Men til tross for kraften og styrken til kjevene deres, er ikke tennene like fantastiske som tennene til kråkeboller. Ja, denne nåleklumpen under vann, som, hvis du tråkker på, kan ødelegge en god del av ferien, har ganske gode tenner. Selvfølgelig er det ikke mange av dem, bare fem, men de er unike på hver sin måte og er i stand til å skjerpe seg. Hvordan oppdaget forskere denne funksjonen, nøyaktig hvordan skjer denne prosessen, og hvordan kan den hjelpe mennesker? Vi lærer om dette fra rapporten fra forskergruppen. Gå.
Grunnlaget for studien
Først av alt er det verdt å bli kjent med hovedpersonen i studien - Strongylocentrotus fragilis, eller på menneskelig vis, en rosa kråkebolle. Denne typen kråkeboller er ikke veldig forskjellig fra sine andre kolleger, med unntak av en mer flatere form og glamorøs farge. De lever ganske dypt (fra 100 m til 1 km), og de vokser opp til 10 cm i diameter.
«Skjelettet» til en kråkebolle, som viser femstrålesymmetri.
Kråkeboller er, så hardt det enn høres ut, rett og galt. De førstnevnte har en nesten perfekt rund kroppsform med utpreget femstrålesymmetri, mens de sistnevnte er mer asymmetriske.
Det første som fanger øyet når du ser en kråkebolle er ryggraden som dekker hele kroppen. Hos forskjellige arter kan nålene være fra 2 mm til 30 cm. I tillegg til nålene har kroppen spheridia (balanseorganer) og pedicellaria (prosesser som ligner tang).
Alle fem tennene er godt synlige i midten.
For å skildre en kråkebolle må du først stå opp ned, siden munnåpningen er plassert på den nedre delen av kroppen, men de andre åpningene er på den øvre delen. Munnen til kråkeboller er utstyrt med et tyggeapparat med det vakre vitenskapelige navnet "Aristoteles lykt" (det var Aristoteles som først beskrev dette organet og sammenlignet dets form med en antikk bærbar lykt). Dette organet er utstyrt med fem kjever, som hver ender i en skarp tann (den aristoteliske lykten til det rosa pinnsvinet som blir undersøkt er vist i bilde 1C nedenfor).
Det er en antakelse om at holdbarheten til kråkebolletennene er sikret ved deres konstante skjerping, som skjer gjennom gradvis ødeleggelse av de mineraliserte platene i tannen for å opprettholde skarpheten til den distale overflaten.
Men hvordan fungerer denne prosessen, hvilke tenner må slipes og hvilke ikke, og hvordan tas denne viktige avgjørelsen? Forskere prøvde å finne svar på disse spørsmålene.
Forskningsresultater
Bilde #1
Før vi avslører tannhemmelighetene til kråkeboller, la oss se på strukturen til tennene deres som helhet.
På bildene 1А-1S helten i studien vises - en rosa kråkebolle. Som andre kråkeboller får representanter for denne arten sine mineralkomponenter fra sjøvann. Blant skjelettelementene er tennene sterkt mineralisert (99%) med kalsitt anriket på magnesium.
Som vi diskuterte tidligere, bruker pinnsvin tennene til å skrape mat. Men i tillegg til dette bruker de tennene til å grave hull for seg selv, der de gjemmer seg for rovdyr eller dårlig vær. Gitt denne uvanlige bruken av tenner, må sistnevnte være ekstremt sterk og skarp.
På bildet 1D Det vises mikrocomputertomografi av et segment av en hel tann, som viser at tannen er dannet langs en elliptisk kurve med et T-formet tverrsnitt.
Tverrsnitt av tannen (1E) viser at en tann er sammensatt av tre strukturelle regioner: de primære laminae, calculus-regionen og de sekundære laminae. Steinregionen består av fibre med liten diameter omgitt av et organisk skall. Fibrene er innebygd i en polykrystallinsk matrise bestående av magnesiumrike kalsittpartikler. Diameteren til disse partiklene er ca. 10-20 nm. Forskerne bemerker at konsentrasjonen av magnesium ikke er jevn gjennom hele tannen og øker mot slutten, noe som gir økt slitestyrke og hardhet.
Lengdesnitt (1F) steinområdet på tannen viser ødeleggelsen av fibrene, så vel som avulsjon, som oppstår på grunn av delaminering ved grensesnittet mellom fibrene og det organiske skallet.
Primære plater er vanligvis sammensatt av enkeltkrystaller av kalsitt og er plassert på den konvekse overflaten av tannen, mens sekundære plater fyller den konkave overflaten.
I bildet 1G en rekke buede primærplater kan sees liggende parallelt med hverandre. Bildet viser også fibrene og den polykrystallinske matrisen som fyller rommet mellom platene. Kiel (1H) danner bunnen av tverrsnittet T-snitt og øker bøyningsstivheten til tannen.
Nå som vi kjenner strukturen til en rosa kråkebolletann, må vi nå finne ut de mekaniske egenskapene til komponentene. For dette formål ble kompresjonstester utført ved bruk av et skanningselektronmikroskop og nanoinnrykk*. Nanomekaniske tester involverte prøver kuttet langs tannens lengde- og tverrretninger.
Nanoinnrykk* – testing av materialet ved å trykke et spesialverktøy – en innrykk – inn i overflaten av prøven.
Dataanalyse viste at gjennomsnittlig Youngs modul (E) og hardhet (H) ved tannspissen i lengde- og tverretningen er: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (langsgående) og ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (tvers).
Youngs modul* - en fysisk størrelse som beskriver et materiales evne til å motstå spenning og kompresjon.
Hardhet* - egenskapen til et materiale til å motstå penetrering av en hardere kropp (innrykk).
I tillegg ble det laget fordypninger med syklisk tilleggsbelastning i lengderetningen for å lage en viskoplastisk skademodell for steinområdet. På 2А last-forskyvningskurven vises.
Bilde #2
Modulen for hver syklus ble beregnet basert på Oliver-Pharr-metoden ved bruk av lossedata. Innrykkssyklusene viste en monoton reduksjon i modul med økende innrykkdybde (2V). Denne forverringen i stivhet forklares av akkumulering av skade (2C) som et resultat av irreversibel deformasjon. Det er bemerkelsesverdig at utviklingen av den tredje skjer rundt fibrene, og ikke gjennom dem.
De mekaniske egenskapene til tannbestanddeler ble også vurdert ved bruk av kvasistatiske mikrosøylekompresjonseksperimenter. En fokusert ionestråle ble brukt til å produsere mikrometerstore søyler. For å evaluere bindingsstyrken mellom primærplatene på den konvekse siden av tannen, ble mikrosøyler laget med en skrå orientering i forhold til den normale grenseflaten mellom platene (2D). I bildet 2E en mikrosøyle med et skrånende grensesnitt er vist. Og på grafen 2F resultatene av skjærspenningsmålinger vises.
Forskere noterer seg et interessant faktum - den målte elastisitetsmodulen er nesten halvparten av innrykkstester. Denne avviket mellom innrykk og kompresjonstester har også blitt registrert for tannemaljen. For øyeblikket er det flere teorier for å forklare dette avviket (fra miljøpåvirkninger under tester til prøveforurensning), men det er fortsatt ikke noe klart svar på spørsmålet om hvorfor avviket oppstår.
Neste trinn i studiet av kråkebolletenner var slitasjetester utført ved hjelp av et skanningselektronmikroskop. Tannen ble limt til en spesiell holder og presset mot et ultrananokrystallinsk diamantsubstrat (3А).
Bilde #3
Forskerne bemerker at deres versjon av slitetesten er det motsatte av det som vanligvis gjøres, der en diamantspiss presses inn i et underlag av materialet som testes. Endringer i slitasjetestingsteknikker gir en bedre forståelse av egenskapene til mikrostrukturene og komponentene i tannen.
Som vi kan se på bildene, begynner det å danne seg flis når den kritiske belastningen er nådd. Det er verdt å tenke på at kraften til "bitt" av Aristoteles lykt hos kråkeboller varierer avhengig av arten fra 1 til 50 newton. I testen ble det brukt en kraft fra hundrevis av mikronewton til 1 newton, dvs. fra 1 til 5 newton for hele den aristoteliske lykten (siden det er fem tenner).
I bildet 3B(i) synlige fine partikler (rød pil) dannet som følge av slitasje på steinområdet. Ettersom steinområdet slites og trekker seg sammen, kan sprekker i grenseflatene mellom platene utvikles og forplante seg på grunn av trykk-skjærbelastning og spenningsakkumulering i kalsittplateområdet. Bilder 3B(ii) и 3B(iii) vise steder hvor fragmenter brøt av.
Til sammenligning ble det utført to typer slitasjeforsøk: med konstant belastning tilsvarende flytestart (WCL) og med konstant belastning tilsvarende flytespenning (WCS). Som et resultat ble det oppnådd to typer tannslitasje.
Slitasjetestvideo:
Trinn I
Trinn II
Trinn III
Trinn IV
Under konstant belastning ble det observert kompresjon av området i WCL-testen, men det ble ikke observert flisdannelse eller annen skade på platene (4A). Men i WCS-testen, når normalkraften ble økt for å opprettholde den nominelle kontaktspenningen konstant, ble det observert flisdannelse og tap av plater (4V).
Bilde #4
Disse observasjonene bekreftes av grafen (4S) målinger av kompresjonsarealet og volumet av flisete plater avhengig av glidelengden (av prøven på diamanten under testen).
Denne grafen viser også at ved WCL dannes det ikke sjetonger selv om glideavstanden er større enn ved WCS. Inspeksjon av sammenpressede og flisete plater for 4V lar oss bedre forstå den selvslipende mekanismen til kråkebolletenner.
Arealet av det komprimerte området av steinen øker når platen brytes bort, og fjerner en del av det komprimerte området [4B (iii-v)]. Mikrostrukturelle egenskaper som bindingen mellom stein og plater letter denne prosessen. Mikroskopi viste at fibrene i tannsteinsområdet buet og penetrerte gjennom platelagene i den konvekse delen av tannen.
På diagrammet 4S et hopp i volum av det flisete området er synlig når den nye platen løsnes fra tannen. Det er merkelig at det i samme øyeblikk er en kraftig reduksjon i bredden på den flate regionen (4D), som indikerer en selvslipende prosess.
Enkelt sagt viste disse eksperimentene at når en konstant normal (ikke kritisk) belastning opprettholdes under slitasjetester, blir tuppen matt mens tannen forblir skarp. Det viser seg at pinnsvinenes tenner slipes under bruk, dersom belastningen ikke overstiger kritisk, ellers kan det oppstå skader (flis) fremfor skjerping.
Bilde #5
For å forstå rollen til tannmikrostrukturer, deres egenskaper og deres bidrag til den selvslipende mekanismen, ble det utført en ikke-lineær endelig elementanalyse av sliteprosessen (5А). For å gjøre dette ble det brukt fotografier av et lengdesnitt av tanntuppen, som fungerte som grunnlag for en todimensjonal modell bestående av stein, plater, kjøl og grensesnitt mellom plater og stein.
Изображения 5B-5H er konturplott av von Mises-kriteriet (plastisitetskriteriet) i kanten av stein- og plateregionen. Når en tann komprimeres, gjennomgår steinen store viskoplastiske deformasjoner, akkumulerer skader og trekker seg sammen ("flater ut") (5B и 5C). Ytterligere kompresjon forårsaker et skjærbånd i steinen, hvor mye av den plastiske deformasjonen og skaden samler seg, river av en del av steinen og bringer den i direkte kontakt med underlaget (5D). Slik steinfragmentering i denne modellen tilsvarer eksperimentelle observasjoner (knuste fragmenter på 3B(i)). Kompresjon forårsaker også delaminering mellom platene ettersom grensesnittelementene utsettes for blandede belastninger, noe som resulterer i dekohesjon (delaminering). Når kontaktområdet øker, øker kontaktspenningene, noe som forårsaker sprekkinitiering og forplantning ved grensesnittet (5B-5E). Tap av vedheft mellom platene øker bøyningen som gjør at den ytre platen løsner.
Riping forverrer grensesnittskader, noe som fører til waferfjerning når wafer(e) gjennomgår spaltning (der sprekker avviker fra grensesnittet og trenger inn i waferen, 5G). Ettersom prosessen fortsetter, løsner fragmenter av platen fra tuppen av tannen (5H).
Interessant nok forutsier modelleringen veldig nøyaktig flising i både stein- og plateområdene, noe forskerne allerede har lagt merke til under observasjoner (3B и 5I).
For en mer detaljert forståelse av nyansene i studien anbefaler jeg å ta en titt på и til ham.
Epilog
Dette arbeidet bekreftet nok en gang at evolusjonen ikke var særlig gunstig for menneskelige tenner. Seriøst, i sin studie var forskere i stand til å undersøke i detalj og forklare den selvslipende mekanismen til kråkebolletenner, som er basert på den uvanlige strukturen til tannen og den riktige belastningen på den. Platene som dekker pinnsvintannen løsner under en viss belastning, noe som bidrar til å holde tannen skarp. Men dette betyr ikke at kråkeboller kan knuse stein, for når kritiske belastningsindikatorer nås, dannes det sprekker og flis på tennene. Det viser seg at prinsippet "du har styrke, du trenger ikke intelligens" absolutt ikke ville gi noen fordel.
Man kan tro at det å studere tennene til innbyggerne i dyphavet ikke gir noen fordel for mennesker, bortsett fra å tilfredsstille umettelig menneskelig nysgjerrighet. Kunnskapen oppnådd fra denne forskningen kan imidlertid tjene som grunnlag for å lage nye typer materialer som vil ha egenskaper som ligner på pinnsvintenner - slitestyrke, selvsliping på materialnivå uten ekstern hjelp og holdbarhet.
Uansett, naturen skjuler mange hemmeligheter som vi ennå ikke har avslørt. Vil de være nyttige? Kanskje ja, kanskje ikke. Men noen ganger, selv i de mest komplekse utforskningene, er det viktige ikke målet, men selve reisen.
Fredag off-top:
Undervanns gigantiske tareskoger fungerer som et samlingssted for kråkeboller og andre uvanlige havdyr. (BBC Earth, voice-over av David Attenborough).
Takk for at du leser, vær nysgjerrig og ha en flott helg folkens! 🙂
Takk for at du bor hos oss. Liker du artiklene våre? Vil du se mer interessant innhold? Støtt oss ved å legge inn en bestilling eller anbefale til venner, 30 % rabatt for Habr-brukere på en unik analog av inngangsnivåservere, som ble oppfunnet av oss for deg: (tilgjengelig med RAID1 og RAID10, opptil 24 kjerner og opptil 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 ganger billigere? Bare her i Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Lese om
Kilde: www.habr.com