Rozmowy o zębach najczęściej kojarzą się z próchnicą, aparatem ortodontycznym i sadystami w białych fartuchach, którzy marzą jedynie o zrobieniu koralików z zębów. Ale żarty na bok, bo bez dentystów i ustalonych zasad higieny jamy ustnej jedlibyśmy tylko ziemniaki i zupę przez słomkę. A wszystko to wina ewolucji, która dała nam daleko od najtrwalszych zębów, które też się nie regenerują, co zapewne niezwykle cieszy przedstawicieli branży stomatologicznej. Jeśli mówimy o zębach przedstawicieli dzikiej przyrody, od razu przychodzą na myśl majestatyczne lwy, krwiożercze rekiny i niezwykle pozytywne hieny. Jednak pomimo mocy i siły ich szczęk, ich zęby nie są tak niesamowite jak zęby jeżowców. Tak, ta bryła igieł pod wodą, która, jeśli nadepniesz, może zrujnować znaczną część wakacji, ma całkiem niezłe zęby. Oczywiście nie ma ich wielu, tylko pięć, ale są wyjątkowi na swój sposób i potrafią się ostrzyć. Jak naukowcy odkryli tę cechę, jak dokładnie zachodzi ten proces i jak może pomóc ludziom? Dowiadujemy się o tym z raportu grupy badawczej. Iść.
Baza badawcza
Przede wszystkim warto poznać głównego bohatera badania – Strongylocentrotus fragilis, czyli po ludzku różowego jeżowca. Ten typ jeżowca nie różni się zbytnio od innych odpowiedników, z wyjątkiem bardziej spłaszczonego kształtu i efektownego koloru. Żyją dość głęboko (od 100 m do 1 km) i dorastają do 10 cm średnicy.
„Szkielet” jeżowca, który wykazuje symetrię pięciu promieni.
Jeżowce, choć może to zabrzmieć ostro, są dobre i złe. Te pierwsze mają niemal idealnie okrągły kształt korpusu z wyraźną pięciopromieniową symetrią, natomiast te drugie są bardziej asymetryczne.
Pierwszą rzeczą, która rzuca się w oczy, gdy widzisz jeżowca, są kolce pokrywające całe jego ciało. U różnych gatunków igły mogą mieć od 2 mm do 30 cm Oprócz igieł na ciele znajdują się spheridia (narządy równowagi) i pedicellaria (wyrostki przypominające kleszcze).
Wszystkie pięć zębów jest wyraźnie widocznych pośrodku.
Aby przedstawić jeżowca, należy najpierw stanąć do góry nogami, ponieważ jego otwór gębowy znajduje się w dolnej części ciała, a pozostałe otwory znajdują się w górnej części. Pysk jeżowców wyposażony jest w aparat do żucia o pięknej naukowej nazwie „latarnia Arystotelesa” (to właśnie Arystoteles jako pierwszy opisał ten narząd i porównał jego kształt do zabytkowej przenośnej latarni). Narząd ten wyposażony jest w pięć szczęk, z których każda kończy się ostrym zębem (arystotelesowska latarnia badanego różowego jeża pokazana jest na obrazku 1C poniżej).
Przyjmuje się, że trwałość zębów jeżowca zapewnia ich ciągłe ostrzenie, które następuje poprzez stopniowe niszczenie zmineralizowanych płytek zęba w celu utrzymania ostrości powierzchni dystalnej.
Ale jak dokładnie przebiega ten proces, które zęby należy naostrzyć, a które nie i w jaki sposób podejmuje się tę ważną decyzję? Naukowcy próbowali znaleźć odpowiedzi na te pytania.
Wyniki badania
Obraz nr 1
Zanim ujawnimy sekrety zębów jeżowców, przyjrzyjmy się całościowo budowie ich zębów.
Na obrazkach 1А-1S pokazano bohatera badania - różowego jeżowca. Podobnie jak inne jeżowce, przedstawiciele tego gatunku pozyskują składniki mineralne z wody morskiej. Spośród elementów szkieletu zęby są silnie zmineralizowane (99%) kalcytem wzbogaconym w magnez.
Jak wspomnieliśmy wcześniej, jeże używają zębów do skrobania pożywienia. Ale poza tym zębami kopią dla siebie dziury, w których chowają się przed drapieżnikami lub złą pogodą. Biorąc pod uwagę to niezwykłe zastosowanie zębów, te ostatnie muszą być niezwykle mocne i ostre.
Na obrazie 1D pokazano tomografię mikrokomputerową odcinka całego zęba, która pokazuje, że ząb uformowany jest po krzywiźnie eliptycznej o przekroju w kształcie litery T.
Przekrój zęba (1E) pokazuje, że ząb składa się z trzech obszarów strukturalnych: blaszki pierwotnej, obszaru kamienia nazębnego i blaszki wtórnej. Obszar kamienny składa się z włókien o małej średnicy otoczonych organiczną powłoką. Włókna są osadzone w polikrystalicznej matrycy składającej się z cząstek kalcytu bogatych w magnez. Średnica tych cząstek wynosi około 10-20 nm. Naukowcy zauważają, że stężenie magnezu nie jest równomierne w całym zębie i wzrasta w kierunku jego końca, co zapewnia jego zwiększoną odporność na zużycie i twardość.
Przekrój podłużny (1F) obszar kamienia zęba wykazuje zniszczenie włókien, a także oderwanie, które następuje w wyniku rozwarstwienia na styku włókien i powłoki organicznej.
Płytki pierwotne składają się zwykle z monokryształów kalcytu i znajdują się na wypukłej powierzchni zęba, natomiast płytki wtórne wypełniają powierzchnię wklęsłą.
Na zdjęciu 1G widać szereg zakrzywionych płytek głównych leżących równolegle do siebie. Na zdjęciu widać także włókna i matrycę polikrystaliczną wypełniającą przestrzeń pomiędzy płytami. Kilonia (1H) tworzy podstawę przekroju T i zwiększa sztywność zginania zęba.
Teraz, gdy znamy budowę zęba różowego jeżowca, musimy teraz poznać właściwości mechaniczne jego składników. W tym celu przeprowadzono badania ściskania przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego oraz nanowcięcie*. Testy nanomechaniczne obejmowały próbki wycięte wzdłuż wzdłużnej i poprzecznej orientacji zęba.
Nanoindentacja* — badanie materiału poprzez wciśnięcie specjalnego narzędzia – wgłębnika – w powierzchnię próbki.
Analiza danych wykazała, że średni moduł Younga (E) i twardość (H) na wierzchołku zęba w kierunku wzdłużnym i poprzecznym wynoszą: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (wzdłużny) oraz ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (poprzecznie).
Moduł Younga* - wielkość fizyczna opisująca zdolność materiału do wytrzymywania rozciągania i ściskania.
Twardość* - właściwość materiału polegająca na przeciwstawianiu się penetracji twardszego ciała (wgłębnika).
Dodatkowo wykonano wgłębienia z cyklicznym dodatkowym obciążeniem w kierunku wzdłużnym, aby stworzyć wiskoplastyczny model uszkodzeń obszaru kamienia. NA 2А pokazana jest krzywa obciążenia i przemieszczenia.
Obraz nr 2
Moduł dla każdego cyklu obliczono w oparciu o metodę Olivera-Pharra z wykorzystaniem danych dotyczących rozładunku. Cykle wcięcia wykazały monotoniczny spadek modułu wraz ze wzrostem głębokości wcięcia (2V). To pogorszenie sztywności tłumaczy się kumulacją uszkodzeń (2C) w wyniku nieodwracalnego odkształcenia. Warto zauważyć, że rozwój trzeciego następuje wokół włókien, a nie przez nie.
Właściwości mechaniczne składników zęba oceniano także za pomocą badań quasi-statycznej kompresji mikropilarów. Do wytworzenia filarów o wielkości mikrometrów wykorzystano skupioną wiązkę jonów. Aby ocenić siłę wiązania pomiędzy płytkami pierwotnymi po wypukłej stronie zęba, wytworzono mikropilary z ukośną orientacją w stosunku do normalnej powierzchni styku płytek (2D). Na obrazie 2E pokazano mikrofilar z nachylonym interfejsem. I na wykresie 2F przedstawiono wyniki pomiarów naprężeń ścinających.
Naukowcy zauważają ciekawy fakt - zmierzony moduł sprężystości jest prawie o połowę mniejszy niż w testach wcięcia. Tę rozbieżność pomiędzy testami wciskania i ściskania zaobserwowano także w przypadku szkliwa zębów. Obecnie istnieje kilka teorii wyjaśniających tę rozbieżność (od wpływów środowiska podczas badań po zanieczyszczenie próbki), jednak nadal nie ma jasnej odpowiedzi na pytanie, dlaczego ta rozbieżność występuje.
Kolejnym krokiem w badaniach zębów jeżowca były badania zużycia przeprowadzone przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego. Ząb przyklejono do specjalnego uchwytu i dociśnięto do podłoża z ultrananokrystalicznego diamentu (3А).
Obraz nr 3
Naukowcy zauważają, że ich wersja testu zużycia jest przeciwieństwem tego, co zwykle się robi, gdy diamentowa końcówka jest wciskana w podłoże z badanego materiału. Zmiany w technikach badania zużycia pozwalają na lepsze zrozumienie właściwości mikrostruktur i składników zęba.
Jak widać na zdjęciach, po osiągnięciu obciążenia krytycznego zaczynają tworzyć się wióry. Warto wziąć pod uwagę, że siła „ukąszenia” latarni Arystotelesa u jeżowców waha się w zależności od gatunku od 1 do 50 niutonów. W badaniu wykorzystano siłę od setek mikroniutonów do 1 niutona, tj. od 1 do 5 niutonów na całą latarnię arystotelesowską (ponieważ jest pięć zębów).
Na zdjęciu 3B(i) widoczne drobne cząstki (czerwona strzałka) powstałe w wyniku zużycia powierzchni kamienia. W miarę zużywania się i kurczenia obszaru kamienia, pęknięcia na styku płyt mogą się rozwijać i rozprzestrzeniać w wyniku obciążenia ściskającego i ścinającego oraz akumulacji naprężeń w obszarze płyty kalcytowej. Kino 3B(ii) и 3B(iii) pokaż miejsca, w których odłamały się fragmenty.
Dla porównania przeprowadzono dwa rodzaje doświadczeń zużycia: przy stałym obciążeniu odpowiadającym progowi plastyczności (WCL) oraz przy stałym obciążeniu odpowiadającym granicy plastyczności (WCS). W rezultacie uzyskano dwa rodzaje zużycia zębów.
Noś film testowy:
Etap I
II etap
Etap III
Etap IV
Pod stałym obciążeniem w teście WCL zaobserwowano ściskanie obszaru, ale nie zaobserwowano żadnych odprysków ani innych uszkodzeń płytek (4A). Jednak w teście WCS, gdy zwiększono siłę normalną, aby utrzymać stałe nominalne naprężenie stykowe, zaobserwowano odpryski i utratę płytek (4V).
Obraz nr 4
Obserwacje te potwierdza wykres (4S) pomiary powierzchni ściskania i objętości odłupanych płytek w zależności od długości poślizgu (próbki na diamencie podczas badania).
Wykres ten pokazuje również, że w przypadku WCL wióry nie tworzą się nawet jeśli droga poślizgu jest większa niż w przypadku WCS. Kontrola sprasowanych i wyszczerbionych płyt pod kątem 4V pozwala nam lepiej zrozumieć mechanizm samoostrzenia się zębów jeżowca.
Powierzchnia ściśniętego obszaru kamienia zwiększa się w miarę odrywania się płytki, usuwając część ściśniętego obszaru [4B (iii-v)]. Cechy mikrostrukturalne, takie jak połączenie kamienia z płytami, ułatwiają ten proces. Mikroskopia wykazała, że włókna w obszarze kamienia nazębnego zakrzywiały się i przenikały przez warstwy płytek w wypukłej części zęba.
Na wykresie 4S po odłączeniu nowej płytki od zęba widoczny jest skok objętości ukruszonego obszaru. Ciekawe, że w tym samym momencie następuje gwałtowny spadek szerokości spłaszczonego obszaru (4D), co wskazuje na proces samoostrzenia.
Mówiąc najprościej, eksperymenty te wykazały, że gdy podczas testów zużycia utrzymuje się stałe, normalne (nie krytyczne) obciążenie, końcówka staje się tępa, podczas gdy ząb pozostaje ostry. Okazuje się, że zęby jeża ostrzą się w trakcie użytkowania, jeśli obciążenie nie przekracza krytycznego, w przeciwnym razie zamiast zaostrzenia może dojść do uszkodzenia (odprysków).
Obraz nr 5
Aby zrozumieć rolę mikrostruktur zębów, ich właściwości i udział w mechanizmie samoostrzenia, przeprowadzono nieliniową analizę metodą elementów skończonych procesu zużycia (5А). W tym celu wykorzystano zdjęcia przekroju podłużnego wierzchołka zęba, które posłużyły jako podstawa do dwuwymiarowego modelu składającego się z kamienia, płytek, stępki oraz powierzchni styku płytek z kamieniem.
Изображения 5B-5H są wykresami konturowymi kryterium von Misesa (kryterium plastyczności) na krawędzi obszaru kamienia i płyty. Podczas ściskania zęba kamień ulega dużym odkształceniom wiskoplastycznym, kumuluje uszkodzenia i kurczy się („spłaszcza”) (5B и 5C). Dalsze ściskanie powoduje powstanie w kamieniu pasma ścinania, w którym gromadzi się większość odkształceń plastycznych i uszkodzeń, odrywając część kamienia i doprowadzając go do bezpośredniego kontaktu z podłożem (5D). Taka fragmentacja kamienia w tym modelu odpowiada obserwacjom eksperymentalnym (fragmenty połamane na 3B(i)). Ściskanie powoduje również rozwarstwienie pomiędzy płytami, ponieważ elementy styku poddawane są mieszanym obciążeniom, co powoduje dekohezję (rozwarstwianie). Wraz ze wzrostem powierzchni styku zwiększają się naprężenia kontaktowe, powodując inicjację i propagację pęknięć na styku (5B-5E). Utrata przyczepności pomiędzy płytami zwiększa zginanie, które powoduje odłączenie się płytki zewnętrznej.
Zadrapania pogłębiają uszkodzenia powierzchni stykowej, prowadząc do usunięcia płytki, gdy płytka(i) ulegają rozszczepieniu (gdzie pęknięcia odchodzą od powierzchni styku i wnikają w płytkę, 5G). W miarę trwania procesu fragmenty płytki oddzielają się od wierzchołka zęba (5H).
Co ciekawe, modelowanie bardzo dokładnie przewiduje odpryski zarówno w obszarze kamienia, jak i płyty, co naukowcy zauważyli już podczas obserwacji (3B и 5I).
Aby uzyskać bardziej szczegółową znajomość niuansów badania, polecam przyjrzeć się и do niego.
Epilog
Praca ta po raz kolejny potwierdziła, że ewolucja nie była zbyt korzystna dla ludzkich zębów. A tak na serio, w swoich badaniach naukowcom udało się szczegółowo zbadać i wyjaśnić mechanizm samoostrzenia zębów jeżowca, który opiera się na niezwykłej budowie zęba i prawidłowym jego obciążeniu. Płytki pokrywające ząb jeża odklejają się pod pewnym obciążeniem, co pomaga zachować ostrość zęba. Ale to nie znaczy, że jeżowce mogą kruszyć kamienie, ponieważ po osiągnięciu krytycznych wskaźników obciążenia na zębach tworzą się pęknięcia i wióry. Okazuje się, że zasada „masz siłę, nie potrzebujesz inteligencji” z pewnością nie przyniesie żadnego pożytku.
Można by pomyśleć, że badanie zębów mieszkańców głębin morskich nie przynosi człowiekowi żadnej korzyści poza zaspokojeniem nienasyconej ludzkiej ciekawości. Wiedza zdobyta w wyniku tych badań może jednak posłużyć jako podstawa do stworzenia nowych typów materiałów, które będą miały właściwości podobne do zębów jeża – odporność na zużycie, samoostrzenie na poziomie materiału bez pomocy zewnętrznej oraz trwałość.
Tak czy inaczej, natura skrywa wiele tajemnic, których jeszcze nie odkryliśmy. Czy będą przydatne? Być może tak, być może nie. Ale czasami, nawet w najbardziej skomplikowanych badaniach, czasami nie jest ważny cel, ale sama podróż.
Piątek poza szczytem:
Podwodne gigantyczne lasy wodorostów służą jako miejsce spotkań jeżowców i innych niezwykłych stworzeń oceanicznych. (BBC Earth, głos Davida Attenborough).
Dziękuję za przeczytanie, bądźcie ciekawi i miłego weekendu, chłopaki! 🙂
Dziękujemy za pobyt z nami. Podobają Ci się nasze artykuły? Chcesz zobaczyć więcej ciekawych treści? Wesprzyj nas składając zamówienie lub polecając znajomym, 30% zniżki dla użytkowników Habr na unikalny odpowiednik serwerów klasy podstawowej, który został przez nas wymyślony dla Ciebie: (dostępne z RAID1 i RAID10, do 24 rdzeni i do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 razy tańszy? Tylko tutaj w Holandii! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB — od 99 USD! Czytać o
Źródło: www.habr.com