Oamenii asociază cel mai adesea conversațiile despre dinți cu carii, aparatul dentar și sadicii în haine albe care visează doar să facă margele din dinții tăi. Dar glume deoparte, pentru că fără medici stomatologi și reguli stabilite de igienă orală, tu și cu mine am mânca doar cartofi zdrobiți și supă prin pai. Și totul este de vină pentru evoluție, care ne-a dat departe de cei mai durabili dinți, care nici nu se regenerează, ceea ce probabil îi face incredibil de fericiți pe reprezentanții industriei dentare. Dacă vorbim despre dinții reprezentanților vieții sălbatice, atunci vin imediat în minte lei maiestuoși, rechini însetați de sânge și hiene extrem de pozitive. Cu toate acestea, în ciuda puterii și forței fălcilor lor, dinții lor nu sunt la fel de uimitoare precum dinții aricilor de mare. Da, acest bulgăre de ace sub apă, care dacă îl calci și îți poți strica o bună parte din vacanță, are niște dinți destul de buni. Desigur, nu sunt mulți dintre ei, doar cinci, dar sunt unici în felul lor și sunt capabili să se ascuți. Cum au descoperit oamenii de știință această caracteristică, cum are loc exact acest proces și cum poate ajuta oamenii? Aflăm despre acest lucru din raportul grupului de cercetare. Merge.
Baza cercetării
În primul rând, merită să cunoaștem personajul principal al studiului - Strongylocentrotus fragilis, sau în termeni umani, un arici de mare roz. Acest tip de arici de mare nu este foarte diferit de celelalte omologii săi, cu excepția unei forme mai aplatizate și a unei culori pline de farmec. Trăiesc destul de adânc (de la 100 m la 1 km) și cresc până la 10 cm în diametru.
„Scheletul” unui arici de mare, care prezintă simetrie cu cinci raze.
Aricii de mare sunt, oricât de dur ar suna, drepti și greșiți. Primele au o formă a corpului aproape perfect rotundă, cu simetrie pronunțată de cinci raze, în timp ce cele din urmă sunt mai asimetrice.
Primul lucru care îți atrage atenția când vezi un arici de mare sunt țepii care îi acoperă întreg corpul. La diferite specii, acele pot fi de la 2 mm la 30 cm Pe lângă ace, corpul are sferidii (organe de echilibru) și pedicelarie (procese care seamănă cu forcepsul).
Toți cei cinci dinți sunt clar vizibili în centru.
Pentru a înfățișa un arici de mare, trebuie mai întâi să stai cu capul în jos, deoarece deschiderea sa gurii este situată în partea inferioară a corpului, dar celelalte deschideri sunt în partea superioară. Gura aricilor de mare este echipată cu un aparat de mestecat cu frumosul nume științific „Lanterna lui Aristotel” (Aristotel a fost primul care a descris acest organ și i-a comparat forma cu un felinar portabil antic). Acest organ este echipat cu cinci fălci, fiecare dintre acestea se termină într-un dinte ascuțit (lanterna aristoteliană a ariciului roz examinat este prezentată în imaginea 1C de mai jos).
Se presupune că durabilitatea dinților de arici de mare este asigurată de ascuțirea lor constantă, care are loc prin distrugerea treptată a plăcilor mineralizate ale dintelui pentru a menține claritatea suprafeței distale.
Dar cum funcționează exact acest proces, ce dinți trebuie ascuțiți și care nu și cum se ia această decizie importantă? Oamenii de știință au încercat să găsească răspunsuri la aceste întrebări.
Rezultatele studiului
Imaginea #1
Înainte de a dezvălui secretele dentare ale aricilor de mare, să ne uităm la structura dinților lor în ansamblu.
In poze 1A-1S este prezentat eroul studiului - un arici de mare roz. Ca și alți arici de mare, reprezentanții acestei specii își obțin componentele minerale din apa de mare. Dintre elementele scheletice, dinții sunt foarte mineralizați (99%) cu calcit îmbogățit în magneziu.
După cum am discutat mai devreme, aricii își folosesc dinții pentru a răzui mâncarea. Dar, pe lângă asta, își folosesc dinții pentru a-și săpa gropi, în care se ascund de prădători sau vreme rea. Având în vedere această utilizare neobișnuită pentru dinți, aceștia din urmă trebuie să fie extrem de puternici și ascuțiți.
Pe imagine 1D Este prezentată tomografia microcomputerizată a unui segment dintr-un dinte întreg, care arată că dintele este format de-a lungul unei curbe eliptice cu o secțiune transversală în formă de T.
Secțiunea transversală a dintelui (1E) arată că un dinte este compus din trei regiuni structurale: laminele primare, regiunea calculului și laminele secundare. Regiunea de piatră este formată din fibre cu diametru mic, înconjurate de o înveliș organic. Fibrele sunt înglobate într-o matrice policristalină constând din particule de calcit bogate în magneziu. Diametrul acestor particule este de aproximativ 10-20 nm. Cercetătorii observă că concentrația de magneziu nu este uniformă pe întregul dinte și crește spre final, ceea ce îi conferă rezistență sporită la uzură și duritate.
Sectiune longitudinala (1F) zona de piatră a dintelui prezintă distrugerea fibrelor, precum și avulsia, care apare din cauza delaminării la interfața fibrelor și a membranei organice.
Plăcile primare sunt de obicei compuse din monocristale de calcit și sunt situate pe suprafața convexă a dintelui, în timp ce plăcile secundare umplu suprafața concavă.
În imagine 1G o serie de plăci primare curbate pot fi văzute paralele între ele. Imaginea arată, de asemenea, fibrele și matricea policristalină care umple spațiul dintre plăci. Kiel (1H) formează baza secțiunii în T și crește rigiditatea la încovoiere a dintelui.
Acum că cunoaștem structura unui dinte roz de arici de mare, trebuie să ne dăm seama de proprietățile mecanice ale componentelor sale. În acest scop, s-au efectuat teste de compresie folosind un microscop electronic cu scanare și nanoindentare*. Testele nanomecanice au implicat mostre tăiate de-a lungul orientărilor longitudinale și transversale ale dintelui.
Nanoindentare* — testarea materialului prin apăsarea unei unealte speciale — un indentor — pe suprafața probei.
Analiza datelor a arătat că modulul Young (E) și duritatea (H) medii la vârful dintelui în direcțiile longitudinale și transversale 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 (transvers).
modulul de Young* - o mărime fizică care descrie capacitatea unui material de a rezista la tensiune și compresie.
Duritate* - proprietatea unui material de a rezista la patrunderea unui corp mai dur (indentor).
În plus, s-au făcut indentări cu încărcare suplimentară ciclică pe direcția longitudinală pentru a crea un model de deteriorare visco-plastic pentru zona de piatră. Pe 2A este prezentată curba sarcină-deplasare.
Imaginea #2
Modulul pentru fiecare ciclu a fost calculat pe baza metodei Oliver-Pharr folosind datele de descărcare. Ciclurile de indentare au arătat o scădere monotonă a modulului odată cu creșterea adâncimii de indentare (2V). Această deteriorare a rigidității se explică prin acumularea de deteriorare (2C) ca urmare a unei deformări ireversibile. Este de remarcat faptul că dezvoltarea celui de-al treilea are loc în jurul fibrelor și nu prin intermediul acestora.
Proprietățile mecanice ale constituenților dinților au fost, de asemenea, evaluate folosind experimente de compresie cvasi-statică cu micropilon. Un fascicul de ioni focalizat a fost folosit pentru a produce stâlpi de dimensiuni micrometrice. Pentru a evalua forța de legătură între plăcile primare de pe partea convexă a dintelui, au fost fabricați micropiloni cu o orientare oblică față de interfața normală dintre plăci (2D). În imaginea 2E este prezentat un micropilon cu o interfață înclinată. Și pe grafic 2F sunt prezentate rezultatele măsurătorilor tensiunii de forfecare.
Oamenii de știință notează un fapt interesant - modulul elastic măsurat este aproape jumătate din cel al testelor de indentare. Această discrepanță între testele de indentare și compresie a fost observată și pentru smalțul dinților. În prezent, există mai multe teorii care explică această discrepanță (de la influențele mediului în timpul testelor până la contaminarea probei), dar încă nu există un răspuns clar la întrebarea de ce apare discrepanța.
Următorul pas în studiul dinților arici de mare au fost testele de uzură efectuate cu ajutorul unui microscop electronic cu scanare. Dintele a fost lipit de un suport special și presat pe un substrat de diamant ultrananocristalin (3A).
Imaginea #3
Oamenii de știință notează că versiunea lor a testului de uzură este opusă a ceea ce se face de obicei, în care un vârf de diamant este presat pe un substrat al materialului testat. Schimbările în tehnicile de testare a uzurii permit o mai bună înțelegere a proprietăților microstructurilor și componentelor dintelui.
După cum putem vedea în imagini, când este atinsă sarcina critică, încep să se formeze așchii. Merită luat în considerare faptul că forța „mușcăturii” felinarului lui Aristotel la aricii de mare variază în funcție de specie de la 1 la 50 de newtoni. În test, a fost folosită o forță de la sute de micronewtoni la 1 newton, adică. de la 1 la 5 newtoni pentru întregul felinar aristotelic (din moment ce sunt cinci dinți).
În imagine 3B(i) particule fine vizibile (săgeată roșie) formate ca urmare a uzurii pe zona de piatră. Pe măsură ce zona de piatră se uzează și se contractă, fisurile la interfețele dintre plăci se pot dezvolta și propaga datorită încărcării prin compresie-forfecare și acumulării de tensiuni în zona plăcii de calcit. Poze 3B(ii) и 3B(iii) arată locurile unde fragmentele s-au desprins.
Pentru comparație, s-au efectuat două tipuri de experimente de uzură: cu o sarcină constantă corespunzătoare începutului de curgere (WCL) și cu o sarcină constantă corespunzătoare efortului de curgere (WCS). Ca urmare, s-au obținut două tipuri de uzură a dinților.
Video test de uzură:
Etapa I
Etapa II
Etapa III
Etapa IV
Sub sarcină constantă, s-a observat comprimarea zonei în testul WCL, dar nu s-au observat ciobiri sau alte deteriorări ale plăcilor (4A). Dar în testul WCS, când forța normală a fost crescută pentru a menține constantă tensiunea nominală de contact, s-au observat ciobiri și pierderi de plăci (4V).
Imaginea #4
Aceste observații sunt confirmate de graficul (4S) măsurători ale ariei de compresie și ale volumului plăcilor ciobite în funcție de lungimea de alunecare (a probei pe diamant în timpul testului).
Acest grafic mai arată că în cazul WCL, jetoanele nu se formează chiar dacă distanța de alunecare este mai mare decât în cazul WCS. Verificarea plăcilor comprimate și ciobite pt 4V ne permite să înțelegem mai bine mecanismul de autoascuțire al dinților de arici de mare.
Suprafața zonei comprimate a pietrei crește pe măsură ce placa se rupe, eliminând o parte 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 calcul s-au curbat și au pătruns prin straturile de plăci din partea convexă a dintelui.
Pe diagramă 4S un salt de volum al zonei ciobite este vizibil atunci când noua placă este desprinsă de dinte. Este curios că în același moment are loc o scădere bruscă a lățimii regiunii aplatizate (4D), ceea ce indică un proces de auto-ascutire.
Mai simplu spus, aceste experimente au arătat că atunci când o sarcină normală constantă (nu critică) este menținută în timpul testelor de uzură, vârful devine tocit, în timp ce dintele rămâne ascuțit. Se dovedește că dinții aricilor sunt ascuțiți în timpul utilizării, dacă sarcina nu depășește critică, în caz contrar pot apărea daune (așchii) mai degrabă decât ascuțirea.
Imaginea #5
Pentru a înțelege rolul microstructurilor dentare, proprietățile lor și contribuția lor la mecanismul de auto-ascuțire, a fost efectuată o analiză neliniară cu elemente finite a procesului de uzură (5A). Pentru a face acest lucru, au fost folosite fotografii ale unei secțiuni longitudinale a vârfului dintelui, care au servit drept bază pentru un model bidimensional format din piatră, plăci, chilă și interfețe între plăci și piatră.
Изображения 5B-5H sunt diagrame de contur ale criteriului von Mises (criteriul plasticității) la marginea regiunii de piatră și plăci. Când un dinte este comprimat, piatra suferă deformări viscoplastice mari, acumulează daune și se contractă („aplatizează”) (5B и 5C). Comprimarea ulterioară provoacă o bandă de forfecare în piatră, unde se acumulează o mare parte din deformarea plastică și daunele, rupând o parte din piatră, punând-o în contact direct cu substratul (5D). O astfel de fragmentare a pietrei în acest model corespunde observațiilor experimentale (fragmente rupte pe 3B(i)). De asemenea, compresia provoacă delaminare între plăci, deoarece elementele de interfață sunt supuse unor sarcini mixte, rezultând decoeziune (delaminare). Pe măsură ce aria de contact crește, tensiunile de contact cresc, provocând inițierea fisurilor și propagarea la interfață (5B-5E). Pierderea aderenței între plăci crește îndoirea care face ca placa exterioară să se desprindă.
Zgârierea exacerbează deteriorarea interfeței, ducând la îndepărtarea plăcilor atunci când placheta (plachinele) suferă clivaj (unde fisurile se abat de la interfață și pătrund în plachetă, 5G). Pe măsură ce procesul continuă, fragmentele plăcii se desprind de la vârful dintelui (5H).
Interesant este că modelarea prezice foarte precis ciobirea atât în zonele de piatră, cât și în zonele plăcilor, pe care oamenii de știință le-au observat deja în timpul observațiilor (3B и 5I).
Pentru o cunoaștere mai detaliată a nuanțelor studiului, vă recomand să vă uitați la и către el.
Epilog
Această lucrare a confirmat încă o dată că evoluția nu a fost foarte favorabilă dinților umani. Serios, în studiul lor, oamenii de știință au putut să examineze în detaliu și să explice mecanismul de auto-ascuțire al dinților arici de mare, care se bazează pe structura neobișnuită a dintelui și pe sarcina corectă a acestuia. Plăcile care acoperă dintele de arici se desprind sub o anumită sarcină, ceea ce ajută la menținerea dinților ascuțiți. Dar asta nu înseamnă că aricii de mare pot zdrobi pietrele, deoarece atunci când sunt atinși indicatorii critici de încărcare, se formează fisuri și așchii pe dinți. Se pare că principiul „ai putere, nu ai nevoie de inteligență” cu siguranță nu ar aduce niciun beneficiu.
S-ar putea crede că studierea dinților locuitorilor din adâncul mării nu aduce niciun beneficiu oamenilor, cu excepția satisfacerii curiozității umane nesățioase. Cu toate acestea, cunoștințele dobândite în urma acestei cercetări pot servi drept bază pentru crearea de noi tipuri de materiale care vor avea proprietăți similare cu dinții de arici - rezistență la uzură, auto-ascuțire la nivel de material fără asistență externă și durabilitate.
Oricum ar fi, natura ascunde multe secrete pe care încă nu le descoperim. Vor fi de folos? Poate că da, poate că nu. Dar uneori, chiar și în cele mai complexe cercetări, uneori nu destinația este importantă, ci călătoria în sine.
Vineri off-top:
Pădurile de alge gigantice subacvatice servesc drept loc de adunare pentru arici de mare și alte creaturi oceanice neobișnuite. (BBC Earth, voce off de David Attenborough).
Mulțumesc pentru citit, rămâneți curioși și să aveți un weekend minunat băieți! 🙂
Vă mulțumim că ați rămas cu noi. Vă plac articolele noastre? Vrei să vezi mai mult conținut interesant? Susține-ne plasând o comandă sau recomandând prietenilor, Reducere de 30% pentru utilizatorii Habr la un analog unic de servere entry-level, care a fost inventat de noi pentru tine: (disponibil cu RAID1 și RAID10, până la 24 de nuclee și până la 40 GB DDR4).
Dell R730xd de 2 ori mai ieftin? Numai aici in Olanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - de la 99 USD! Citește despre
Sursa: www.habr.com