Rozmowy o zębach najczęściej kojarzą się z próchnicą, aparatami ortodontycznymi i sadystami w białych fartuchach, którzy tylko marzą o tym, żeby stworzyć sobie naszyjnik z twoich zębów. Ale żarty na bok, ponieważ bez stomatologów i ustalonych zasad higieny jamy ustnej, jedlibyśmy tylko zmiażdżone ziemniaki i zupę przez słomkę. A wszystko przez ewolucję, która obdarzyła nas zębami dalekimi od trwałości, które dodatkowo nie regenerują się, co zapewne cieszy przedstawicieli branży stomatologicznej. Jeśli jednak mówimy o zębach w królestwie dzikiej przyrody, od razu przychodzą na myśl majestatyczne lwy, krwiożercze rekiny i niezwykle pozytywne hieny. Mimo jednak że ich szczęki są potężne, ich zęby nie są tak wyjątkowe jak zęby jeży morskich. Tak, ten klump kolców pod wodą, na który nadepniesz, psując sobie sporą część wakacji, ma całkiem niezłe ząbki. Jest ich co prawda tylko pięć, ale na swój sposób są unikalne i potrafią samodzielnie się ostrzyć. Jak naukowcy odkryli tę cechę, jak dokładnie przebiega ten proces i jak może to pomóc ludziom? O tym dowiemy się z raportu grupy badawczej. Zaczynajmy.
Podstawa badania
Przede wszystkim warto bliżej poznać głównego bohatera badania – Strongylocentrotus fragilis, po ludzku mówiąc, różowego jeża morskiego. Ten gatunek jeży morskich nie różni się szczególnie od swoich kuzynów, z wyjątkiem bardziej spłaszczonej formy na biegunach i glamorowego ubarwienia. Żyją one dość głęboko (od 100 m do 1 km) i dorastają do 10 cm średnicy.
„Szkielet” jeża morskiego, na którym widoczna jest pięcioosiowa symetria.
Jeże morskie dzielą się, jakby to nie brzmiało brutalnie, na prawidłowe i nieprawidłowe. Te pierwsze mają praktycznie idealnie okrągły kształt ciała z wyraźną pięcioosiową symetrią, podczas gdy te drugie są bardziej asymetryczne.
Pierwsze, co rzuca się w oczy przy widoku jeża morskiego, to jego kolce, pokrywające całe ciało. U różnych gatunków kolce mogą mieć od 2 mm do 30 cm długości. Oprócz kolców na ciele znajdują się sferydia (organy równowagi) i pedicelaria (wyrostki przypominające szczypce).
W centrum wyraźnie widoczne są wszystkie pięć zębów.
Aby przedstawić jeża morskiego, należy najpierw stanąć na głowie, ponieważ otwór gębowy znajduje się na dolnej części ciała, a inne otwory — na górze. U jeży morskich aparat gębowy wyposażony jest w ładnie brzmiącą nazwę naukową „latarnia Arystotelesa” (to właśnie Arystoteles jako pierwszy opisał ten organ i porównał go kształtem do starożytnej latarni przenośnej). Ten organ wyposażony jest w pięć szczęk, z których każda kończy się ostrym zębem (latarnia Arystotelesa badanych różowych jeży przedstawiona jest na zdjęciu 1C poniżej).
Istnieje przypuszczenie, że trwałość zębów jeży morskich zapewnia ich ciągłe ostrzenie, które odbywa się poprzez stopniowe zniszczenie zmineralizowanych blaszek zęba, aby utrzymać ostrość powierzchni dystalnej.
Ale jak dokładnie przebiega ten proces, które zęby należy ostrzyć, a które nie, oraz jak podejmowana jest ta ważna decyzja? Na te pytania naukowcy starali się znaleźć odpowiedzi.
Wyniki badania
Obrazek nr 1
Zanim odkryjemy dentalne sekrety jeży morskich, zbadamy strukturę ich zębów w całości.
Na zdjęciach 1A—1C przedstawiony jest bohater badania — różowy jeż morski. Tak jak inne jeże morskie, przedstawiciele tego gatunku pozyskują swoje składniki mineralne z wody morskiej. Wśród elementów szkieletowych zęby są silnie zmineralizowane (w 99%) kalcytem wzbogaconym magnezem.
Jak już wcześniej wspomnieliśmy, jeże używają swoich zębów do skrobania pokarmu. Oprócz tego zęby służą do wykopania sobie norek, w których ukrywają się przed drapieżnikami lub niepogodą. Biorąc pod uwagę tak niezwykłe zastosowanie zębów, muszą być one niezwykle mocne i ostre.
Na obrazku 1D przedstawiona jest mikrokomputerowa tomografia segmentu całego zęba, co ujawnia, że ząb jest uformowany wzdłuż eliptycznej krzywej z poprzecznym przekrojem w kształcie T.
Poprzeczny przekrój zęba (1E) pokazuje, że ząb składa się z trzech obszarów strukturalnych: pierwotnych płyt, obszaru kamiennego i wtórnych płyt. Obszar kamienny składa się z włókien o małej średnicy, otoczonych organiczną powłoką. Włókna są umieszczone w matrycy polikrystalicznej, składającej się z cząstek kalcytu bogatego w magnes. Średnica tych cząstek wynosi około 10-20 nm. Badacze wskazują, że stężenie magnezu jest niejednorodne w całym zębie i zwiększa się bliżej jego końca, co zapewnia jego zwiększoną odporność na zużycie i twardość.
Przekrój podłużny (1F) obszaru kamiennego zęba pokazuje zniszczenie włókien oraz odrywanie, które zachodzi na granicy włókien i organicznej powłoki.
Pierwotne płyty zazwyczaj składają się z monokryształów kalcytu i usytuowane są na wypukłej powierzchni zęba, podczas gdy wtórne płyty wypełniają wklęsłą powierzchnię.
Na zdjęciu 1G można zobaczyć masyw zakrzywionych pierwotnych płyt, leżących równolegle do siebie. Obraz również pokazuje włókna i matrycę polikrystaliczną, wypełniającą przestrzeń między płytami. Grzebień (1H) tworzy podstawę poprzecznego T-przekroju i zwiększa sztywność zęba przy zginaniu.
Skoro znamy strukturę zęba różowego jeża morskiego, teraz musimy ustalić właściwości mechaniczne jego składników. W tym celu przeprowadzono testy na ściskanie przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego oraz metody nanoindentacji*. W próbach nanomechanicznych uczestniczyły próbki, cięte wzdłuż podłużnych i poprzecznych orientacji zęba.
Nanoindentacja* — badanie materiału metodą wciskania specjalnego narzędzia — indensora — w powierzchnię próbki.
Analiza danych wykazała, że średni moduł Younga (E) i twardość (H) na końcu zęba w kierunkach podłużnym i poprzecznym wynoszą: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (podłużny) oraz ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (poprzeczny).
Moduł Younga* — wielkość fizyczna, opisująca zdolność materiału do opierania się rozciąganiu i ściskaniu.
Twardość* — właściwość materiału opierająca się wnikaniu twardszego ciała (indensora).
Oprócz tego w kierunku podłużnym wykonano zagłębienia z cyklicznym obciążeniem dodatnim, aby stworzyć model uszkodzenia lepkoplastycznego dla obszaru kamiennego. Na 2A przedstawiono krzywą obciążenia-przemieszczenia.
Obraz Nr 2
Moduł dla każdego cyklu został obliczony na podstawie metody Olivera-Farrara z wykorzystaniem danych rozładowania. Cykle wciskania pokazały monotonnym zmniejszenie modułu wraz ze wzrostem głębokości wciskania (2B). Takie pogorszenie sztywności tłumaczone jest akumulacją uszkodzeń (2C) w rezultacie nieodwracalnej deformacji. Należy zauważyć, że rozwój trzeciego zdarza się wokół włókien, a nie przez nie.
Właściwości mechaniczne składników zębów również zostały ocenione przy pomocy eksperymentów quasi-statycznego ściskania mikrosłupków. Do produkcji słupków mikrometrowej wielkości użyto strefy jonowej. Aby ocenić wytrzymałość połączenia między pierwotnymi płytkami na wypukłej stronie zęba, wytworzono mikrosłupki o nachyloną orientację względem normalnego interfejsu między płytkami (2D). Na zdjęciu 2E przedstawiono mikrosłupki z nachyloną interfejsem. A na wykresie 2F przedstawiono wyniki pomiaru naprężenia ścinającego.
Naukowcy zauważają ciekawy fakt — zmierzony moduł sprężystości jest prawie dwukrotnie mniejszy niż w testach na wciskanie. Takie rozbieżności między testami na wciskanie a ściskanie są również zauważane w przypadku szkliwa zębowego. Na dzień dzisiejszy istnieje kilka teorii wyjaśniających tę niezgodność (od wpływu środowiska podczas testów do zanieczyszczenia próbek), jednak wciąż nie ma jasnej odpowiedzi na pytanie, dlaczego rozbieżność występuje.
Następnym etapem badania zębów jeża morskiego były testy na zużycie, przeprowadzane za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego. Ząb został przyklejony do specjalnego uchwytu i przyciśnięty do podłoża z ultrananokryształowego diamentu (3A).
Obraz nr 3
Naukowcy zauważają, że ich wariant testu na zużycie jest przeciwny tym, które zwykle są przeprowadzane, gdy końcówka z diamentu jest wciskana w podłoże z badanym materiałem. Zmiany w metodologii przeprowadzenia testu na zużycie pozwalają lepiej zbadać właściwości mikrostrukturalne i składników zęba.
Jak możemy zobaczyć na zdjęciach, przy osiąganiu krytycznego obciążenia zaczynają powstawać odłamania. Należy uwzględnić, że siła "kąsania" latarni Arystotelesa u jeżowców różni się w zależności od gatunku, wynosząc od 1 do 50 niutonów. W teście zastosowano siłę od setek mikroniutonów do 1 niutona, tzn. od 1 do 5 niutonów dla całej latarni Arystotelesa (ponieważ zębów jest pięć).
Na zdjęciu 3B(i) widoczne są małe cząsteczki (czerwona strzałka), powstałe w wyniku zużycia obszaru kamienia. Ponieważ obszar kamienia ulega zużyciu i kompresji, pęknięcia na interfejsach między płytami mogą powstawać i rozprzestrzeniać się w wyniku obciążenia ściskającego-przesuwającego oraz nagromadzenia naprężeń w obszarze płyt kalcytu. Zdjęcia 3B(ii) i 3B(iii) pokazują miejsca, w których fragmenty odłamały się.
Dla porównania przeprowadzono dwa rodzaje eksperymentów dotyczących zużycia: z stałym obciążeniem odpowiadającym początkom plastyczności (WCL) oraz z stałym obciążeniem odpowiadającym granicy plastyczności (WCS). W wyniku uzyskano dwa warianty zużycia zęba.
Wideo z testów na zużycie:
Etap I
Etap II
Etap III
Etap IV
W przypadku stałego obciążenia w teście WCL zaobserwowano kompresję obszaru, jednak nie zauważono odprysków ani innych uszkodzeń płyt (4A). Natomiast w teście WCS, kiedy normalna siła została zwiększona, aby utrzymać nominalne napięcie kontaktowe na stałym poziomie, zaobserwowano odpryski i wypadanie płyt (4W).
Obrazek nr 4
Te obserwacje potwierdzają wykres (4C) pomiarów powierzchni kompresji i objętości odłamanych płyt w zależności od długości przesuwania (próbki na diamencie podczas testu).
Ten wykres pokazuje również, że w przypadku WCL odpryski nie powstają nawet jeżeli odległość przesuwania jest większa niż w przypadku WCS. Badanie skompresowanych i odłamanych płyt na 4W pozwala lepiej zrozumieć mechanizm samoostrzenia się zębów jeżowca.
Powierzchnia skompresowanego obszaru kamienia zwiększa się, gdy płyta odłamuje się, co prowadzi do usunięcia części skompresowanego obszaru [4B (iii-v)]. Mikroskalowe cechy, takie jak połączenie między kamieniem a płytami, ułatwiają ten proces. Mikroskopia wykazała, że włókna w obszarze kamiennym wygięły się i przenikają przez warstwy płyt w wypukłej części zęba.
Na wykresie 4C widać skok objętości składowej powierzchni, gdy nowa płyta odłącza się od zęba. Ciekawe, że w tym samym momencie następuje znaczne zmniejszenie szerokości spłaszczonej powierzchni (4D), co świadczy o procesie samoostrzenia.
Mówiąc prościej, dane eksperymenty pokazały, że podczas utrzymywania stałego normalnego (nie krytycznego) obciążenia podczas testów na zużycie dochodzi do tęperacji końcówki, podczas gdy ząb pozostaje ostry. Okazuje się, że zęby jeży są ostrzone podczas używania, jeśli obciążenie nie przekracza krytycznego, w przeciwnym razie mogą powstać uszkodzenia (wyszczerbienia), a nie ostrzenie.
Obraz nr 5
Aby zrozumieć rolę mikrostruktur zęba, ich właściwości i ich wkład w mechanizm samoostrzenia, przeprowadzono nieliniową analizę procesu zużycia metodą elementów skończonych (5A). W tym celu wykorzystano zdjęcia przekroju podłużnego końcówki zęba, które posłużyły jako podstawę dwuwymiarowego modelu składającego się z kamienia, płyt, kile i interfejsów między płytami a kamieniem.
Obrazy 5B–5H — to konturowe wykresy kryterium Misesa (kryterium plastyczności) na krawędzi obszaru kamienia i płyty. Gdy ząb jest ściskany, kamień poddawany jest dużym deformacjom lepkoplastycznym, nagromadza uszkodzenia i ulega ściskaniu ("spłaszczaniu") (5B i 5C). Dalsze ściskanie powoduje pasmo przesunięcia w kamieniu, gdzie nagromadza się większość deformacji plastycznych i uszkodzeń, odrywając część kamienia, co prowadzi do jego bezpośredniego kontaktu z podłożem (5D). Taka fragmentacja kamienia w tym modelu odpowiada obserwacjom eksperymentalnym (wyszczerbione fragmenty na 3B(i)). Ściskanie prowadzi również do rozwarstwienia między płytami, ponieważ elementy interfejsu są poddawane mieszanym obciążeniom, co prowadzi do dekohezji (odspojenia). W miarę zwiększania się obszaru kontaktu, napięcia kontaktowe rosną, co powoduje powstawanie i rozprzestrzenianie się pęknięcia na interfejsie (5B—5E). Utrata przyczepności między płytami potęguje zginanie, przy którym zewnętrzna płyta odłącza się.
Drapanie pogarsza uszkodzenie interfejsu, co prowadzi do usunięcia płyty, gdy płyty są poddawane rozdzieleniu (tam, gdzie pęknięcia odbiegają od interfejsu i penetrują w płytę. 5G). W miarę trwania procesu, fragmenty płyty odłączają się od końcówki zęba (5H).
Interesujące, że modelowanie bardzo dokładnie przewiduje łuszczenie zarówno w obszarze kamienia, jak i w obszarze płyt, co zostało już zauważone przez naukowców podczas obserwacji (3B i 5I).
Aby dokładniej zapoznać się z niuansami badania, polecam zajrzeć do i do niego.
Epilog
Ta praca ponownie potwierdziła, że ewolucja nie była zbyt łaskawa dla zębów człowieka. Mówiąc poważnie, w swoim badaniu naukowcy zdołali szczegółowo zbadać i wyjaśnić mechanizm samoudarzenia zębów jeżowców, który opiera się na niezwykłej strukturze zęba i odpowiednim obciążeniu. Płyty pokrywające ząb jeża odrywają się przy określonym obciążeniu, co pozwala utrzymać ząb ostry. Ale to nie oznacza, że jeżowce mogą łamać kamienie, ponieważ przy osiągnięciu krytycznych wartości obciążenia na zębach powstają pęknięcia i odpryski. Zatem zasada
Można pomyśleć, że badanie zębów mieszkańców głębin morskich nie przynosi żadnych korzyści dla człowieka, poza zaspokojeniem nieugaszonej ludzkiej ciekawości. Jednak wiedza uzyskana w trakcie tych badań może posłużyć jako podstawa do stworzenia nowych rodzajów materiałów, które będą miały właściwości podobne do zębów jeży — odporność na zużycie, samoodtwarzanie na poziomie materiału bez pomocy zewnętrznej oraz trwałość.
Nie ma wątpliwości, że natura kryje wiele sekretów, które jeszcze musimy odkryć. Czy będą one użyteczne? Może tak, a może i nie. Czasami jednak w najbardziej złożonych badaniach ważny jest nie cel podróży, ale sama podróż.
Piątkowy offtop:
Podwodne lasy gigantycznych alg są miejscem zbiorowiska jeżowców oraz innych niezwykłych mieszkańców oceanów. (BBC Earth, głos z offu — David Attenborough).
Dziękuję za uwagę, bądźcie ciekawi i życzę wszystkim udanego weekendu, chłopaki! 🙂
Dziękujemy, że z nami jesteś. Czy podobają Ci się nasze artykuły? Chcesz widzieć więcej interesujących materiałów? Wspieraj nas składając zamówienie lub polecając znajomym, 30% zniżki dla użytkowników Habr na unikalny odpowiednik serwerów entry-level, który został stworzony przez nas dla Ciebie: (dostępne opcje z RAID1 i RAID10, do 24 rdzeni i do 40GB DDR4).
Dell R730xd dwa razy tańszy? Tylko u nas w Holandii! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 dolarów! Czytaj o tym
Źródło: habr.com
