Discuțiile despre dinți la oameni sunt cel mai adesea asociate cu carii, bretele și sadici în halate albe, care visează să-și facă mărgele din dinții tăi. Dar să lăsăm glumele deoparte, pentru că fără stomatologi și regulile de igienă stabilite, noi ne-am hrăni doar cu piure de cartofi și supă cu paiul. Iar toate acestea se datorează evoluției, care ne-a dăruit dinți departe de cei mai durabili, care nici măcar nu se regenerează, ceea ce, probabil, îi bucură pe reprezentanții industriei stomatologice. Dacă ne gândim la dinți în rândul reprezentanților din natura sălbatică, imediat ne vin în minte lei măreți, rechini sângeroși și hiene extrem de pozitive. Cu toate acestea, în ciuda puterii și forței maxilarelor lor, dinții lor nu sunt atât de uimitori precum dinții aricilor de mare. Da, acest mănunchi de ace sub apă, pe care, dacă calci, poți să-ți strici o bună parte din vacanță, are niște dinți destul de buni. Potrivit științei, au doar cinci, dar sunt unici în felul lor și pot să se taie singuri. Cum au descoperit oamenii de știință această caracteristică, cum se desfășoară acest proces și cum îi poate ajuta pe oameni? Vom afla despre aceasta din raportul grupului de cercetare. Să începem.
Baza cercetării
În primul rând, merită să ne familiarizăm mai bine cu eroul principal al cercetării — Strongylocentrotus fragilis, pe scurt, ariciul de mare roz. Această specie de arici de mare nu se diferențiază prea mult de ceilalți colegi ai săi, cu excepția formei mai aplatizate pe poli și a culorii glamuroase. Aceștia trăiesc la adâncimi considerabile (între 100 m și 1 km) și cresc până la 10 cm în diametru.
«Scheletul» ariciului de mare, pe care se poate observa simetria cu cinci raze.
Aricii de mare sunt, oricât de brutal ar suna, corecți și incorecți. Primii au o formă de corp aproape perfect rotundă, cu o simetrie de cinci raze bine definită, iar cei din urmă sunt mai asimetrici.
Primul lucru care îți atrage atenția când vezi un arici de mare sunt acele care îi acoperă întregul corp. La diferite specii, acele pot varia de la 2 mm până la 30 cm. Pe lângă ace, pe corp se găsesc sferele (organe de echilibru) și pedicelariile (ramificații asemănătoare cleștilor).
În centru se văd clar cele cinci dinți.
Pentru a reprezenta un arici de mare, trebuie mai întâi să te întorci cu susul în jos, deoarece gura sa se află pe partea inferioară a corpului, iar celelalte orificii sunt pe partea superioară. Gura aricilor de mare este echipată cu un aparat masticator cu un nume științific frumos — „lanterna lui Aristotel” (Aristotel a fost primul care a descris acest organ și l-a comparat, prin forma sa, cu un felinar antic portabil). Acest organ are cinci maxilare, fiecare dintre ele terminându-se cu un dinte ascuțit (lanterna lui Aristotel a ariciului de mare roz este prezentată în imaginea 1C de mai jos).
Există o presupunere că durabilitatea dinților aricilor de mare este asigurată prin ascuțirea lor constantă, care are loc prin distrugerea treptată a plăcilor mineralizate ale dinților pentru a menține ascuțimea suprafeței distale.
Dar cum se desfășoară exact acest proces, care dinți trebuie să fie ascuțiți, iar care nu, și cum este luată această decizie importantă? La aceste întrebări, oamenii de știință au încercat să găsească răspunsuri.
Rezultatele cercetării
Imaginea nr. 1
Înainte de a dezvălui secretele dentare ale aricilor de mare, să examinăm structura dinților lor în general.
În poze 1A—1C este prezentat subiectul cercetării — ariciul de mare roz. Ca și alți arici de mare, reprezentanții acestei specii obțin componentele lor minerale din apa mării. Printre elementele scheletice, dinții sunt puternic mineralizați (în 99%) cu calcit, îmbogățit cu magneziu.
Așa cum am discutat anterior, aricii își folosesc dinții pentru a zgâria hrană. Dar, în plus, ei folosesc dinții pentru a sapa vizuini în care se ascund de prădători sau de intemperii. Având în vedere această utilizare neobișnuită a dinților, aceștia trebuie să fie extrem de rezistenți și ascuțiți.
În imaginea 1D este prezentată tomografia computerizată a unui segment întreg de dinte, ceea ce arată că dintele este format pe o curbă eliptică cu o secțiune transversală în formă de T.
Secțiunea transversală a dinții (1E) arată că dintele este format din trei zone structurale: plăci primare, zona de piatră și plăci secundare. Zona de piatră este compusă din fibre de diametru mic, înconjurate de un înveliș organic. Fibrele sunt închise într-o matrice polichristalină, formată din particule de calcit bogat în magneziu. Diametrul acestor particule este de aproximativ 10-20 nm. Cercetătorii observă că concentrația de magneziu este inegal distribuită în întreaga structură a dintelui și crește spre vârful său, ceea ce asigură o rezistență și duritate crescută la uzură.
Secțiunea longitudinală (1F) a zonei de piatră a dintelui arată distrugerea fibrelor, precum și desprinderea care are loc din cauza delaminării la limita dintre fibre și învelișul organic.
Plăcile primare sunt de obicei formate din monocrystal din calcit și sunt așezate pe suprafața convexă a dintelui, în timp ce plăcile secundare umplu suprafața concavă.
În imagine 1G se poate vedea un masiv de plăci primare curbate, care sunt paralele între ele. Imaginea arată de asemenea fibrele și matricea polichristalină care umple spațiul dintre plăci. Muchia (1H) formează baza secțiunii transversale în T și crește rigiditatea dintelui la îndoire.
Deoarece știm ce structură are dintele echinodermului roz, trebuie să stabilim acum proprietățile mecanice ale componentelor sale. Pentru aceasta, au fost efectuate teste de compresiune folosind un microscop electronic cu scanare și metoda nanoindentării*. În testele nanomecanice au fost implicate eșantioane tăiate pe orientările longitudinală și transversală ale dintelui.
Nanoindentarea* — verificarea materialului prin metoda de împingere în suprafața eșantionului cu un instrument special — indentor.
Analiza datelor a arătat că modul mediu Young (E) și duritatea (H) la vârful dintelui în direcțiile longitudinală și transversală sunt: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (longitudinal) și ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3.8 ± 0.6 GPa (transversal).
Modulul lui Young* — o mărime fizică care descrie capacitatea materialului de a rezista la întindere și compresiune.
Duritatea* — proprietatea materialului de a rezista pătrunderii unui corp mai dur (indentor).
În plus, au fost realizate adânciri în direcția longitudinală cu o încărcătură suplimentară ciclică, pentru a crea un model de deteriorare vâscoelastică pentru zona de piatră. La 2A este reprezentată curba forță-deplasare.
Imaginea nr. 2
Modulul pentru fiecare ciclu a fost calculat pe baza metodei Oliver-Farr folosind datele de descărcare. Ciclicele de împingere au arătat o reducere monotonă a modulului odată cu creșterea adâncimii de împingere (2B). O astfel de degradare a rigidității este explicată prin acumularea daunelor (2C) ca urmare a deformației ireversibile. Este remarcabil că dezvoltarea se produce în jurul fibrelor, nu prin ele.
Proprietățile mecanice ale componentelor dinților au fost de asemenea evaluate prin experimente de compresie cuantică a microstâlpilor. Pentru fabricarea stâlpilor cu dimensiuni de micrometri, s-a utilizat un fascicul de ioni concentrat. Pentru a evalua rezistența conexiunii între plăcile primare de pe partea convexă a dinților, au fost fabricate microstâlpi cu o orientare înclinată față de interfața normală dintre plăci (2D). În imaginea 2E este prezentat un microstâlp cu interfață înclinată. Iar pe graficul 2F sunt prezentate rezultatele măsurării tensiunii de forfecare.
Cercetătorii subliniază un fapt curios – modulul de elasticitate măsurat este aproape de două ori mai mic decât în teste de împingere. Această discrepanță între teste de împingere și compresie este de asemenea observată și pentru smalțul dentar. În prezent, există mai multe teorii care explică această discrepanță (de la influența mediului în timpul testelor, până la contaminarea probelor), totuși, nu există încă un răspuns clar la întrebarea de ce există această discrepanță.
Următorul pas al cercetării dinților de arici de mare a fost testele de uzură, efectuate cu ajutorul unui microscop electronic de scanare. Dintele a fost lipit de un suport special și apăsat pe un substrat din diamant ultrananocristalin (3А).
Imaginea nr. 3
Cercetătorii observă că varianta lor de testare a uzurii este opusă celor care se efectuează de obicei, când vârful de diamant este împins în substratul materialului studiat. Modificările în metoda de testare a uzurii permit o studiere mai bună a proprietăților microstructurilor și componentelor dintelui.
Așa cum putem observa în imagini, în condiții critice de încărcare apar ciobituri. Este important de menționat că forța „mușcăturii” ariciului de mare variază între 1 și 50 de newtoni, în funcție de specie. La test, însă, s-a aplicat o forță de la sute de micronewtoni până la 1 newton, adică de la 1 la 5 newtoni pentru întreaga structură a ariciului de mare (deoarece are cinci dinți).
În imagine 3B(i) sunt vizibile particule mici (săgeata roșie), formate ca urmare a uzurii zonei de piatră. Pe măsură ce zona de piatră se uzează și se comprima, crăpăturile de la interfețele dintre plăci pot apărea și se pot extinde din cauza încărcărilor de comprimare și al tăierii, precum și a acumulării de tensiuni în zona plăcilor de calcit. Imaginile 3B(ii) și 3B(iii) arată locurile unde cioburile s-au desprins.
Pentru comparație, s-au efectuat două tipuri de experimente de uzură: cu o sarcină constantă, corespunzătoare începutului curgerii (WCL), și cu o sarcină constantă, corespunzătoare limitei de curgere (WCS). Ca rezultat, au fost obținute două variante de uzură a dinților.
Videoclipuri ale testelor de uzură:
Etapa I
Etapa II
Etapa III
Etapa IV
În cazul sarcinii constante, în testul WCL s-a observat comprimarea zonei, dar nu s-au remarcat ciobituri sau alte daune ale plăcilor (4A). Însă în testul WCS, când forța normală a fost crescută pentru a menține tensiunea de contact nominal constantă, s-au observat ciobituri și desprinderea plăcilor (4B).
Imaginea nr. 4
Aceste observații sunt confirmate de graficul (4C) măsurărilor suprafeței de comprimare și volumului plăcilor ciobite în funcție de lungimea de alunecare (exemplarul de diamant în timpul testului).
Acest grafic arată de asemenea că în cazul WCL ciobiturile nu apar chiar dacă distanța de alunecare este mai mare decât în cazul WCS. Examinarea plăcilor comprimante și ciobite de la 4B permite o mai bună înțelegere a mecanismului de autoascuțire a dinților ariciului de mare.
Suprafața zonei de piatră comprimată crește, pe măsură ce placa se desprinde, ceea ce conduce la îndepărtarea unei părți a zonei comprimate [4B (iii-v)]. Caracteristicile microstructurale, cum ar fi legătura dintre piatră și plăci, facilitează acest proces. Microscopia a arătat că fibrele din zona de piatră se curbează și pătrund prin straturile plăcilor în partea convexă a dinților.
În graficul 4C se observă o creștere a volumului zonei ciobite atunci când noua placă se desprinde de dinte. Este interesant că, în acest moment, are loc o reducere bruscă a lățimii zonei aplatizate (4D), ceea ce indică un proces de autoascuțire.
Pe scurt, aceste experimente au arătat că, în timpul menținerii unei încărcături constante normale (non-critice) în timpul testelor de uzură, vârful se tocește, în timp ce dintele rămâne ascuțit. Deci, dinții ariciului se ascute în timpul utilizării, dacă încărcătura nu depășește limita critică; altfel, pot apărea daune (ciobiri) în loc de ascuțire.
Imaginea Nr. 5
Pentru a înțelege rolul microstructurilor dintelui, proprietățile acestora și contribuția lor la mecanismul de autoascuțire, a fost efectuată o analiză neliniară a procesului de uzură prin metoda elementelor finite (5A). În acest scop, au fost utilizate imagini ale secțiunii longitudinale a vârfului dintelui, care au servit ca bază pentru un model bidimensional compus din piatră, plăci, prora și interfețele dintre plăci și piatră.
Imaginile 5B–5H sunt grafice contur ale criteriului von Mises (criteriul plasticității) la marginea zonei pietrei și plăcii. Când dintele este comprimat, piatra suferă deformări vâscoelastice mari, acumulează daune și se comprimă („se aplatizează”) (5B și 5C). Compresia ulterioară provoacă o bandă de alunecare în piatră, unde se acumulează cea mai mare parte a deformării plastice și a daunei, desprinzând o parte din piatră, ceea ce duce la contactul direct cu substratul (5D). Această fragmentare a pietrei în acest model corespunde observațiilor experimentale (fragmente ciobite la 3B(i)). Compresia duce, de asemenea, la delaminarea între plăci, deoarece elementele interfeței sunt supuse unei sarcini mixte, ceea ce duce la decoziune (dezaliniere). Pe măsură ce zona de contact crește, tensiunile de contact cresc, provocând apariția și propagarea unei fisuri la interfață (5B—5E). Pierderea aderenței între plăci agravează îndoirea, moment în care placa exterioară se desprinde.
Scrapirea agravează daunele interfeței, ceea ce duce la îndepărtarea plăcii atunci când plăcile sunt supuse fisurării (acolo unde fisurile se abate de la interfață și pătrund în placă, 5G). Pe măsură ce procesul avansează, fragmentele plăcii se desprind de vârful dinților (5H).
Este curios că simularea prezice foarte precis ciobirea atât în zona rocilor, cât și în zona plăcilor, lucru deja observat de către oameni de știință în timpul observațiilor (3B și 5I).
Pentru o mai bună înțelegere a nuanțelor cercetării, vă recomand să consultați și la acesta.
Epilog
Această lucrare confirmă încă o dată că evoluția nu a fost prea favorabilă dinților umani. Serios vorbind, în cadrul cercetării, oamenii de știință au reușit să analizeze în detaliu și să explice mecanismul autoințelării dinților ariciului de mare, bazat pe o structură neobișnuită a dintelui și pe o sarcină corectă aplicată acestuia. Plăcile care acoperă dintele ariciului se desprind sub o anumită sarcină, ceea ce permite menținerea vârfului ascuțit. Dar asta nu înseamnă că aricii de mare pot zdrobi roci, căci atingerea unor valori critice ale sarcinii pe dinți duce la apariția crăpăturilor și ciobiturilor. Așadar, principiul „forța există, mintea nu contează” cu siguranță nu ar aduce niciun beneficiu.
S-ar putea crede că studiul dinților locuitorilor adâncurilor marine nu aduce niciun beneficiu omului, în afară de satisfacerea neostoitei curiozități umane. Cu toate acestea, cunoștințele obținute în cadrul acestei cercetări pot constitui baza pentru crearea unor noi tipuri de materiale, care vor avea proprietăți asemănătoare cu cele ale dinților aricilor — rezistență la uzură, autoințelare la nivelul materialului fără ajutor extern și durabilitate.
Oricum ar fi, natura ascunde multe secrete pe care încă avem de descoperit. Vor fi ele utile? Poate că da, poate că nu. Dar uneori, chiar în cele mai complexe cercetări, este important nu atât punctul de sosire, cât călătoria însăși.
Off-topic de vineri:
Pădurile subacvatice de alge gigantice servesc ca loc de adunare pentru aricii de mare și alți locuitori neobișnuiți ai oceanului. (BBC Earth, voce din off — David Attenborough).
Mulțumesc pentru atenție, rămâneți curioși și să aveți un weekend minunat, băieți! 🙂
Vă mulțumim că rămâneți cu noi. Vă plac articolele noastre? Doriți să vedeți mai multe materiale interesante? Susțineți-ne făcând o comandă sau recomandându-ne prietenilor. 30% reducere pentru utilizatorii Habr pentru un server entry-level unic, creat special pentru tine: (sunt disponibile opțiuni cu RAID1 și RAID10, până la 24 nuclee și până la 40GB DDR4).
Dell R730xd la jumătate de preț? Numai la noi în Olanda! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — de la 99 $! Citiți despre
Sursa: habr.com
