A conversa sobre dentes nas pessoas é frequentemente associada a cáries, aparelhos ortodônticos e a dentistas em jalecos brancos que sonham em fazer colares com seus dentes. Mas brincadeiras à parte, sem os dentistas e as regras de higiene dental, estaríamos nos alimentando apenas de purê de batata e sopa com canudinho. E tudo isso é culpa da evolução, que nos deu dentes nada duráveis e que não se regeneram, o que provavelmente deixa os profissionais da odontologia bem satisfeitos. Quando se fala em dentes no reino animal, logo lembramos de majestosos leões, vorazes tubarões e hienas extremamente positivas. No entanto, apesar da força de suas mandíbulas, os dentes deles não são tão impressionantes quanto os dos ouriços-do-mar. Sim, esse aglomerado de espinhos embaixo d'água, que ao pisar pode estragar uma boa parte das suas férias, possui dentes bastante impressionantes. Eles são poucos, apenas cinco, mas são únicos à sua maneira e conseguem se afiar sozinhos. Como os cientistas descobriram essa característica, como se dá esse processo e como isso pode ajudar os humanos? Vamos descobrir no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá.
Base da pesquisa
Primeiro de tudo, vale a pena conhecer melhor o protagonista da pesquisa — Strongylocentrotus fragilis, ou o ouriço-do-mar rosa, em palavras simples. Essa espécie de ouriço-do-mar não se destaca muito de seus parentes, exceto pela forma ligeiramente achatada nos polos e pela coloração glamourosa. Eles habitam águas bastante profundas (de 100 m a 1 km) e podem crescer até 10 cm de diâmetro.
O "esqueleto" do ouriço-do-mar, que demonstra a simetria pentarradial.
Os ouriços-do-mar podem ser, por assim dizer, regulares e irregulares. Os primeiros têm uma forma corporal praticamente perfeitamente circular com simetria pentarradial bem definida, enquanto os segundos são mais assimétricos.
A primeira coisa que chama a atenção ao ver um ouriço-do-mar são seus espinhos, que cobrem todo o corpo. Em diferentes espécies, essas espinhas podem variar de 2 mm até 30 cm. Além dos espinhos, o corpo possui esferidios (órgãos de equilíbrio) e pedicelarias (prolongamentos que lembram pinças).
No centro, é possível ver claramente todos os cinco dentes.
Para retratar o ouriço-do-mar, primeiro é preciso ficar de cabeça para baixo, pois a boca dele está localizada na parte inferior do corpo, enquanto os outros orifícios estão na parte superior. A boca dos ouriços-do-mar é equipada com um dispositivo mastigatório com o bonito nome científico de "lanterna de Aristóteles" (foi Aristóteles quem primeiro descreveu esse órgão e o comparou em forma a uma lanterna portátil da Antiguidade). Este órgão possui cinco mandíbulas, cada uma terminando em uma afiada ponta (a lanterna de Aristóteles do ouriço rosa analisado é mostrada na imagem 1C abaixo).
Suspeita-se que a durabilidade dos dentes dos ouriços-do-mar seja assegurada pelo seu constante afiar, que ocorre por meio da destruição gradual das placas mineralizadas do dente para manter a afiação da superfície distal.
Mas como exatamente esse processo ocorre, quais dentes precisam ser afiados e quais não, e como essa importante decisão é tomada? Essas são as perguntas que os cientistas tentaram responder.
Resultados da Pesquisa
Imagem nº 1
Antes de revelarmos os segredos dentais dos ouriços-do-mar, vamos examinar a estrutura de seus dentes como um todo.
Nas imagens 1A—1C é mostrado o protagonista da pesquisa — o ouriço-do-mar rosa. Assim como outros ouriços-do-mar, os representantes desta espécie obtêm seus componentes minerais da água do mar. Entre os elementos esqueléticos, os dentes são altamente mineralizados (em 99%) com calcita enriquecida com magnésio.
Como já discutimos anteriormente, os ouriços usam seus dentes para raspar comida. Mas além disso, eles também utilizam os dentes para cavar tocas onde se escondem de predadores ou das intempéries. Considerando essa aplicação incomum dos dentes, estes devem ser extremamente resistentes e afiados.
Na imagem 1D é mostrada a microtomografia computadorizada de um segmento de um dente inteiro, o que revela que o dente é formado ao longo de uma curva elíptica com uma seção transversal em forma de T.
A seção transversal do dente (1E) mostra que o dente é composto por três áreas estruturais: placas primárias, área mineral e placas secundárias. A área mineral consiste em fibras de pequeno diâmetro, cercadas por uma casca orgânica. As fibras estão embutidas em uma matriz policristalina composta de partículas de calcita rica em magnésio. O diâmetro dessas partículas é de aproximadamente 10-20 nm. Pesquisadores observam que a concentração de magnésio é não uniforme ao longo do dente e aumenta em direção à sua extremidade, proporcionando maior resistência ao desgaste e dureza.
A seção longitudinal (1F) da área mineral do dente mostra a degradação das fibras, bem como a desagregação que ocorre devido à delaminação na interface entre as fibras e a casca orgânica.
As placas primárias geralmente são compostas de monocrístais de calcita e estão localizadas na superfície convexa do dente, enquanto as placas secundárias preenchem a superfície côncava.
Na imagem 1G pode-se observar um conjunto de placas primárias curvas, dispostas paralelamente umas às outras. A imagem também mostra as fibras e a matriz policristalina ocupando o espaço entre as placas. O quilha (1H) forma a base da seção transversal em T e aumenta a rigidez do dente ao longo da flexão.
Agora que sabemos qual a estrutura do dente do ouriço-do-mar rosa, precisamos descobrir as propriedades mecânicas de seus componentes. Para isso, foram realizados testes de compressão usando microscopia eletrônica de varredura e o método nanoindentação*. Nos testes nano-mecânicos, foram utilizados amostras cortadas ao longo das orientações longitudinal e transversal do dente.
Nanoindentação* — é a verificação do material por meio da inserção na superfície da amostra de uma ferramenta especial — indenter.
A análise dos dados mostrou que o módulo de Young médio (E) e a dureza (H) na ponta do dente nas direções longitudinal e transversal são: EL = 77,3 ± 4,8 GPa, HL = 4,3 ± 0,5 GPa (longitudinal) e ET = 70,2 ± 7,2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (transversal).
Módulo de Young* — é uma grandeza física que descreve a capacidade do material de resistir a tração e compressão.
Dureza* — é a propriedade do material de resistir à penetração de um corpo mais duro (indenter).
Além disso, foram realizados aprofundamentos na direção longitudinal com carga adicional cíclica para criar um modelo de dano visco-plástico para a área de pedra. Na 2A é mostrada a curva de carga-deslocamento.
Imagem nº 2
O módulo para cada ciclo foi calculado com base no método de Oliver-Pharr usando dados de descarregamento. Os ciclos de compressão mostraram uma diminuição monótona do módulo com o aumento da profundidade de compressão (2B). Este agravamento da rigidez é explicado pelo acúmulo de danos (2C) resultantes de deformação irreversível. É notável que o desenvolvimento do terceiro ocorre em torno das fibras, e não através delas.
As propriedades mecânicas dos componentes dos dentes também foram avaliadas por meio de testes de compressão quasi-estática de micro-colunas. Para a fabricação das colunas de tamanho micrométrico, foi utilizado um feixe de íons focalizado. Para avaliar a resistência da interface entre as placas primárias na face convexa do dente, foram fabricadas micro-colunas com orientação inclinada em relação à interface normal entre as placas (2D). Na imagem 2E é mostrada uma micro-coluna com a interface inclinada. E no gráfico 2F são mostrados os resultados da medição da tensão de cisalhamento.
Os cientistas observam um fato curioso — o módulo de elasticidade medido é quase duas vezes menor do que em testes de compressão. Essa discrepância entre os testes de compressão e de penetrabilidade também é observada para o esmalte dental. Atualmente, existem várias teorias que explicam essa discrepância (desde a influência do ambiente durante os testes até a contaminação das amostras), mas ainda não há uma resposta clara sobre o porquê dessa discrepância existir.
A próxima etapa da pesquisa sobre os dentes de ouriço-do-mar foram os testes de desgaste, realizados com um microscópio eletrônico de varredura. O dente foi colado a um suporte especial e pressionado contra um substrato de diamante ultrananocristalino (3A).
Imagem nº 3
Os cientistas observam que sua variante do teste de desgaste é oposta àquelas que geralmente são realizadas, quando a ponta de diamante é empurrada contra o substrato do material testado. As mudanças na metodologia do teste de desgaste permitem estudar melhor as propriedades das microestruturas e componentes do dente.
Como podemos ver nas imagens, ao atingir uma carga crítica, começam a se formar lascas. Vale considerar que a força de 'mordida' do ouriço do mar do farol de Aristóteles varia de 1 a 50 newtons, dependendo da espécie. No teste, foi aplicada uma força de centenas de micronewtons a 1 newton, ou seja, de 1 a 5 newtons para todo o farol de Aristóteles (já que existem cinco dentes).
Na imagem 3В(i) partículas pequenas são visíveis (seta vermelha), formadas devido ao desgaste da área da pedra. À medida que a área da pedra se desgasta e se comprime, fissuras nas interfaces entre as placas podem surgir e se espalhar devido à carga de compressão-deslocamento e ao acúmulo de tensões na área das placas de calcita. As imagens 3В(ii) e 3В(iii) mostram os lugares onde fragmentos se soltaram.
Para comparação, foram realizados dois tipos de experimentos de desgaste: com carga constante correspondente ao início da fluência (WCL) e com carga constante correspondente ao limite de fluência (WCS). Como resultado, foram obtidas duas variantes de desgaste do dente.
Vídeos dos testes de desgaste:
Etapa I
Etapa II
Etapa III
Etapa IV
No caso da carga constante no teste WCL, foi observada a compressão da área, mas não foram notadas lascas ou outros danos nas placas (4A). Já no teste WCS, quando o esforço normal foi aumentado para manter a tensão de contato nominal constante, foram observadas lascas e desprendimento das placas (4B).
Imagem nº 4
Essas observações são confirmadas pelo gráfico (4C) de medições da área de compressão e do volume das placas lascadas em função do comprimento de deslizamento (amostra de diamante durante o teste).
Esse gráfico também mostra que, no caso de WCL, não se formam lascas mesmo que a distância de deslizamento seja maior do que no caso de WCS. A observação das placas comprimidas e lascadas em 4B permite entender melhor o mecanismo de autoafiamento dos dentes do ouriço do mar.
A área da região comprimida da pedra aumenta, à medida que a placa se lasca, o que leva à remoção de parte da área comprimida [4B (iii-v)]. Características microestruturais, como a ligação entre a pedra e as placas, facilitam esse processo. A microscopia revelou que as fibras na área da pedra se curvam e penetram nas camadas das placas na parte convexa do dente.
No gráfico 4C Observa-se um aumento no volume da área lascada quando uma nova lâmina se desprende do dente. Curiosamente, nesse mesmo momento, há uma redução brusca na largura da área comprimida (4D), o que indica um processo de autoafiamento.
Em termos simples, esses experimentos mostraram que, durante a manutenção de uma carga normal constante (não crítica) durante os testes de desgaste, ocorre o desgaste da ponta, enquanto o dente permanece afiado. Assim, os dentes do ouriço se afiam enquanto são usados, desde que a carga não ultrapasse o limite crítico; caso contrário, podem ocorrer danos (lasca) em vez de afiação.
Imagem №5
Para entender o papel das microestruturas do dente, suas propriedades e sua contribuição para o mecanismo de autoafiamento, foi realizada uma análise não linear do processo de desgaste usando o método de elementos finitos (5A). Para isso, foram utilizadas imagens da seção longitudinal da ponta do dente, que serviram como base para um modelo bidimensional composto de rocha, lâminas, quilha e interfaces entre as lâminas e a rocha.
As imagens 5B–5H são gráficos de contorno do critério de von Mises (critério de plasticidade) na borda da área da rocha e da lâmina. Quando o dente é comprimido, a rocha sofre grandes deformações viscoplásticas, acumula danos e se comprime (‘achatada’) (5B e 5C). A compressão adicional causa uma faixa de deslizamento na rocha, onde a maior parte da deformação plástica e dos danos se acumulam, destacando parte da rocha e levando ao seu contato direto com a base (5D). Essa fragmentação da rocha neste modelo corresponde às observações experimentais (fragmentos lascados em 3B(i)). A compressão também leva ao descolamento entre as lâminas, uma vez que os elementos da interface são submetidos a carga mista, resultando em descoesão (desprendimento). À medida que a área de contato aumenta, as tensões de contato aumentam, causando a nucleação e a propagação de uma fissura na interface (5B—5E). A perda de aderência entre as lâminas intensifica a flexão, onde a lâmina externa se desliga.
O arranhamento agrava os danos na interface, levando à remoção da lâmina quando as lâminas(s) são submetidas à fratura (onde as fissuras se desviam da interface e penetram na lâmina, 5G). À medida que o processo avança, fragmentos da placa se soltam da ponta do dente (5H).
Curiosamente, a modelagem prevê muito precisamente o lascamento tanto na área das pedras quanto na área das placas, algo que já foi notado pelos cientistas durante observações (3B e 5I).
Para um conhecimento mais detalhado sobre as nuances da pesquisa, recomendo dar uma olhada em e para ele.
Epílogo
Este trabalho confirmou mais uma vez que a evolução não foi muito favorável aos dentes humanos. Falando sério, em sua pesquisa, os cientistas conseguiram examinar e explicar detalhadamente o mecanismo de autoafiamento dos dentes dos ouriços do mar, que se baseia numa estrutura dentária incomum e em uma carga adequada sobre eles. As placas que cobrem os dentes do ouriço se descolam sob uma carga específica, o que permite que o dente permaneça afiado. Mas isso não significa que os ouriços do mar podem triturar pedras, pois ao atingir índices críticos de carga, fissuras e lascas se formam nos dentes. Assim, o princípio de 'força é igual a inteligência' não traria benefício algum.
Pode-se pensar que estudar os dentes dos habitantes das profundezas do mar não traz nenhum benefício para os humanos, exceto para satisfazer a insaciável curiosidade humana. No entanto, o conhecimento adquirido durante esta pesquisa pode servir de base para a criação de novos tipos de materiais que terão propriedades semelhantes aos dentes dos ouriços — resistência ao desgaste, autoafiamento ao nível do material sem ajuda externa e durabilidade.
De qualquer forma, a natureza esconde muitos segredos que ainda precisamos desvendar. Serão eles úteis? Talvez sim, talvez não. Mas às vezes, mesmo nas pesquisas mais complicadas, o que importa não é o destino, mas a própria jornada.
Off-topic de sexta-feira:
As florestas submarinas de algas gigantes servem como um local de encontro para os ouriços do mar e outros habitantes incomuns dos oceanos. (BBC Earth, narração de David Attenborough).
Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham um excelente fim de semana, pessoal! 🙂
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Fonte: habr.com
