Ľudia si najčastejšie spájajú rozhovory o zuboch s kazmi, strojčekmi a sadistami v bielych plášťoch, ktorí len snívajú o tom, že z vašich zubov budú vyrábať korálky. Ale žarty bokom, pretože bez zubárov a zavedených pravidiel ústnej hygieny by sme vy a ja jedli iba drvené zemiaky a polievku cez slamku. A za všetko môže evolúcia, ktorá nám dala ďaleko od najodolnejších zubov, ktoré sa navyše neregenerujú, čo asi robí predstaviteľov zubného priemyslu neskutočnú radosť. Ak hovoríme o zuboch predstaviteľov voľne žijúcich živočíchov, okamžite prídu na myseľ majestátne levy, krvilačné žraloky a mimoriadne pozitívne hyeny. Napriek sile a sile ich čeľustí však ich zuby nie sú také úžasné ako zuby morských ježkov. Áno, táto hruda ihličia pod vodou, na ktorú keď stúpite, môže pokaziť poriadnu časť dovolenky, má celkom dobré zuby. Samozrejme, nie je ich veľa, iba päť, no sú svojim spôsobom jedinečné a vedia sa vybrúsiť. Ako vedci objavili túto vlastnosť, ako presne k tomuto procesu dochádza a ako môže pomôcť ľuďom? Dozvedáme sa o tom zo správy výskumnej skupiny. Choď.
Výskumný základ
V prvom rade stojí za to spoznať hlavnú postavu štúdie - Strongylocentrotus fragilis, alebo ľudsky povedané ružového morského ježka. Tento typ morského ježka sa veľmi nelíši od svojich ostatných náprotivkov, s výnimkou viac splošteného tvaru a očarujúcej farby. Žijú pomerne hlboko (od 100 m do 1 km) a dorastajú do priemeru 10 cm.
„Kostra“ morského ježka, ktorá vykazuje päťlúčovú symetriu.
Morské ježovky sú, akokoľvek drsne to znie, správne a nesprávne. Prvé z nich majú takmer dokonale okrúhly tvar tela s výraznou päťlúčovou symetriou, zatiaľ čo druhé sú viac asymetrické.
Prvá vec, ktorá vás upúta, keď uvidíte morského ježka, sú jeho ostne, ktoré pokrývajú celé jeho telo. V rôznych druhoch môžu byť ihly od 2 mm do 30 cm Okrem ihiel má telo sférídie (rovnovážne orgány) a pedicellaria (procesy, ktoré sa podobajú kliešťom).
Všetkých päť zubov je jasne viditeľných v strede.
Ak chcete zobraziť morského ježka, musíte sa najprv postaviť hore nohami, pretože jeho ústny otvor sa nachádza v spodnej časti tela, ale ostatné otvory sú v hornej časti. Ústa morských ježkov sú vybavené žuvacím prístrojom s krásnym vedeckým názvom „Aristotelova lampa“ (bol to Aristoteles, kto prvý opísal tento orgán a prirovnal jeho tvar k starožitnej prenosnej lampe). Tento orgán je vybavený piatimi čeľusťami, z ktorých každá končí ostrým zubom (aristotelovská lampa skúmaného ružového ježka je znázornená na obrázku 1C nižšie).
Existuje predpoklad, že trvanlivosť zubov ježovky je zabezpečená ich neustálym ostrením, ku ktorému dochádza postupnou deštrukciou mineralizovaných platničiek zuba, aby sa zachovala ostrosť distálnej plochy.
Ale ako presne tento proces prebieha, ktoré zuby treba brúsiť a ktoré nie a ako sa robí toto dôležité rozhodnutie? Vedci sa pokúsili nájsť odpovede na tieto otázky.
Výsledky štúdie
Obrázok č. 1
Skôr než odhalíme zubné tajomstvá ježoviek, pozrime sa na štruktúru ich zubov ako celok.
Na obrázkoch 1А-1S je zobrazený hrdina štúdie - ružový morský ježko. Rovnako ako ostatné ježovky, aj zástupcovia tohto druhu získavajú minerálne zložky z morskej vody. Spomedzi prvkov kostry sú zuby vysoko mineralizované (99 %) kalcitom obohateným o horčík.
Ako sme už diskutovali, ježkovia používajú zuby na škrabanie potravy. Okrem toho však pomocou zubov vykopávajú jamy, v ktorých sa skrývajú pred predátormi alebo zlým počasím. Vzhľadom na také neobvyklé použitie zubov musia byť zuby mimoriadne silné a ostré.
Na obrázku 1D je znázornená mikropočítačová tomografia segmentu celého zuba, ktorá ukazuje, že zub je vytvorený pozdĺž eliptickej krivky s prierezom v tvare T.
Prierez zubom (1E) ukazuje, že zub sa skladá z troch štruktúrnych oblastí: primárnych lamiel, oblasti zubného kameňa a sekundárnych lamiel. Oblasť kameňa pozostáva z vlákien s malým priemerom obklopených organickou škrupinou. Vlákna sú uložené v polykryštalickej matrici pozostávajúcej z častíc kalcitu bohatého na horčík. Priemer týchto častíc je asi 10-20 nm. Vedci poznamenávajú, že koncentrácia horčíka nie je rovnomerná v celom zube a ku koncu sa zvyšuje, čo poskytuje jeho zvýšenú odolnosť proti opotrebovaniu a tvrdosť.
Pozdĺžny rez (1F) oblasť kameňa zuba vykazuje deštrukciu vlákien, ako aj avulziu, ku ktorej dochádza v dôsledku delaminácie na rozhraní vlákien a organickej membrány.
Primárne platničky sú zvyčajne zložené z monokryštálov kalcitu a sú umiestnené na konvexnom povrchu zuba, zatiaľ čo sekundárne platničky vypĺňajú konkávny povrch.
Na obrázku 1G je možné vidieť pole zakrivených primárnych dosiek ležiacich navzájom rovnobežne. Obrázok tiež ukazuje vlákna a polykryštalickú matricu vypĺňajúcu priestor medzi doskami. Kiel (1H) tvorí základ T-profilu prierezu a zvyšuje ohybovú tuhosť zuba.
Teraz, keď poznáme štruktúru zuba ružového morského ježka, musíme teraz zistiť mechanické vlastnosti jeho komponentov. Na tento účel sa uskutočnili kompresné testy s použitím skenovacieho elektrónového mikroskopu a nanoindentácia*. Nanomechanické testy zahŕňali vzorky rezané pozdĺž pozdĺžnej a priečnej orientácie zuba.
Nanoindentácia* — testovanie materiálu zatlačením špeciálneho nástroja — indentora — do povrchu vzorky.
Analýza údajov ukázala, že priemerný Youngov modul (E) a tvrdosť (H) na hrote zuba v pozdĺžnom a priečnom smere sú: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (pozdĺžne) a ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (priečne).
Youngov modul* - fyzikálna veličina, ktorá opisuje schopnosť materiálu odolávať ťahu a tlaku.
tvrdosť* - vlastnosť materiálu odolávať prieniku tvrdšieho telesa (indentoru).
Okrem toho sa v pozdĺžnom smere urobili zárezy s cyklickým dodatočným zaťažením, aby sa vytvoril visko-plastický model poškodenia pre oblasť kameňa. Zapnuté 2А je znázornená krivka zaťaženia a posunu.
Obrázok č. 2
Modul pre každý cyklus sa vypočítal na základe metódy Olivera-Pharra s použitím údajov o vykládke. Cykly vtlačovania ukázali monotónny pokles modulu so zvyšujúcou sa hĺbkou vtlačenia (2V). Toto zhoršenie tuhosti sa vysvetľuje nahromadením poškodenia (2C) v dôsledku nevratnej deformácie. Je pozoruhodné, že vývoj tretieho sa vyskytuje okolo vlákien, a nie cez ne.
Mechanické vlastnosti zložiek zubov boli tiež hodnotené pomocou kvázistatických mikropilierových kompresných experimentov. Fokusovaný iónový lúč sa použil na výrobu mikrometrových stĺpikov. Na vyhodnotenie pevnosti väzby medzi primárnymi doskami na konvexnej strane zuba boli vyrobené mikropiliere so šikmou orientáciou vzhľadom na normálne rozhranie medzi doskami (2D). Na obrázku 2E je znázornený mikrostĺpik so šikmým rozhraním. A na grafe 2F sú zobrazené výsledky meraní šmykového napätia.
Vedci poznamenávajú zaujímavý fakt – nameraný modul pružnosti je takmer polovičný v porovnaní s testami vtláčania. Tento nesúlad medzi testami vtláčania a kompresie bol tiež zaznamenaný pri zubnej sklovine. Momentálne existuje viacero teórií vysvetľujúcich tento rozpor (od vplyvov prostredia počas testov až po kontamináciu vzoriek), no na otázku, prečo k nezrovnalosti dochádza, stále neexistuje jednoznačná odpoveď.
Ďalším krokom v štúdiu zubov morského ježka boli testy opotrebovania uskutočnené pomocou skenovacieho elektrónového mikroskopu. Zub bol prilepený na špeciálny držiak a pritlačený k ultrananokryštalickému diamantovému substrátu (3А).
Obrázok č. 3
Vedci poznamenávajú, že ich verzia testu opotrebovania je opakom toho, čo sa zvyčajne robí, keď sa diamantový hrot vtlačí do substrátu testovaného materiálu. Zmeny v technikách testovania opotrebovania umožňujú lepšie pochopiť vlastnosti mikroštruktúr a komponentov zuba.
Ako môžeme vidieť na obrázkoch, po dosiahnutí kritického zaťaženia sa začnú vytvárať triesky. Stojí za zváženie, že sila „uhryznutia“ Aristotelovej lampy v morských ježkoch sa líši v závislosti od druhu od 1 do 50 newtonov. Pri teste bola použitá sila od stoviek mikronewtonov po 1 newton, t.j. od 1 do 5 newtonov za celú aristotelovskú lampu (keďže má päť zubov).
Na obrázku 3B(i) viditeľné jemné častice (červená šípka) vznikajúce ako dôsledok opotrebovania na ploche kameňa. Ako sa oblasť kameňa opotrebováva a zmršťuje, trhliny na rozhraniach medzi doskami sa môžu vyvinúť a šíriť v dôsledku kompresného a šmykového zaťaženia a akumulácie napätia v oblasti kalcitovej platne. Obrázky 3B(ii) и 3B(iii) ukázať miesta, kde sa odlomili úlomky.
Pre porovnanie boli uskutočnené dva typy experimentov s opotrebovaním: s konštantným zaťažením zodpovedajúcim začiatku klzu (WCL) a s konštantným zaťažením zodpovedajúcim meze klzu (WCS). V dôsledku toho sa získali dva typy opotrebovania zubov.
Video testu nosenia:
Etapa I
Etapa II
Stupeň III
Štádium IV
Pri konštantnom zaťažení sa v teste WCL pozorovalo stlačenie oblasti, ale nebolo pozorované žiadne odštiepenie alebo iné poškodenie platničiek (4A). Ale v teste WCS, keď sa normálová sila zvýšila, aby sa udržalo konštantné nominálne kontaktné napätie, sa pozorovalo odlupovanie a strata dosiek (4V).
Obrázok č. 4
Tieto pozorovania sú potvrdené grafom (4S) merania kompresnej plochy a objemu odštiepených platničiek v závislosti od posuvnej dĺžky (vzorky na diamante počas skúšky).
Tento graf tiež ukazuje, že v prípade WCL sa triesky netvoria ani v prípade, že vzdialenosť kĺzania je väčšia ako v prípade WCS. Kontrola lisovaných a štiepaných platní pre 4V nám umožňuje lepšie pochopiť mechanizmus samoostrenia zubov morského ježka.
Plocha stlačenej oblasti kameňa sa zväčšuje, keď sa doska odlomí, čím sa odstráni časť stlačenej oblasti [4B (iii-v)]. Mikroštrukturálne prvky, ako je spojenie medzi kameňom a doskami, uľahčujú tento proces. Mikroskopia ukázala, že vlákna v oblasti zubného kameňa sa zakrivili a prenikli cez vrstvy doštičiek v konvexnej časti zuba.
Na grafe 4S pri oddelení novej platničky od zuba je viditeľný skok v objeme odštiepenej oblasti. Je zvláštne, že súčasne dochádza k prudkému zníženiu šírky sploštenej oblasti (4D), čo naznačuje proces samoostrenia.
Jednoducho povedané, tieto experimenty ukázali, že keď sa počas testov opotrebovania udržiava konštantná normálna (nie kritická) záťaž, hrot sa otupí, zatiaľ čo zub zostáva ostrý. Ukazuje sa, že zuby ježkov sa počas používania brúsia, ak zaťaženie nepresiahne kritickú hodnotu, inak môže dôjsť k poškodeniu (úlomky) a nie k ostreniu.
Obrázok č. 5
Na pochopenie úlohy mikroštruktúr zubov, ich vlastností a ich príspevku k samoostriacemu mechanizmu bola vykonaná nelineárna analýza konečných prvkov procesu opotrebovania (5А). Na to boli použité fotografie pozdĺžneho rezu hrotom zubu, ktoré slúžili ako základ pre dvojrozmerný model pozostávajúci z kameňa, platní, kýlu a rozhraní medzi platňami a kameňom.
obraz 5B-5H sú obrysové grafy von Misesovho kritéria (kritérium plasticity) na okraji oblasti kameňa a dosky. Keď je zub stlačený, kameň prechádza veľkými viskoplastickými deformáciami, hromadí sa poškodenia a sťahuje sa („splošťuje“) (5B и 5C). Ďalšie stlačenie spôsobí šmykový pás v kameni, kde sa nahromadí veľká časť plastickej deformácie a poškodenia, pričom sa časť kameňa odtrhne a dostane sa do priameho kontaktu s podkladom (5D). Takáto fragmentácia kameňa v tomto modeli zodpovedá experimentálnym pozorovaniam (rozbité fragmenty na 3B(i)). Stlačenie tiež spôsobuje delamináciu medzi platňami, pretože prvky rozhrania sú vystavené zmiešanému zaťaženiu, čo vedie k dekohézii (delaminácii). So zväčšovaním kontaktnej plochy sa zvyšujú kontaktné napätia, čo spôsobuje iniciáciu a šírenie trhlín na rozhraní (5B-5E). Strata adhézie medzi doskami zvyšuje ohyb, ktorý spôsobuje oddelenie vonkajšej dosky.
Poškriabanie zhoršuje poškodenie rozhrania, čo vedie k odstráneniu plátku, keď plátok(y) podlieha štiepeniu (kde sa trhliny odchyľujú od rozhrania a prenikajú do plátku, 5G). Ako proces pokračuje, fragmenty platničky sa oddeľujú od špičky zuba (5H).
Zaujímavé je, že modelovanie veľmi presne predpovedá štiepanie v oblasti kameňa aj platne, čo si vedci už všimli počas pozorovaní (3B и 5I).
Pre podrobnejšie oboznámenie sa s nuansami štúdie odporúčam pozrieť и jemu.
Epilóg
Táto práca opäť potvrdila, že evolúcia nebola pre ľudské zuby príliš naklonená. Vážne, vedci vo svojej štúdii dokázali podrobne preskúmať a vysvetliť mechanizmus samoostrenia zubov morského ježka, ktorý je založený na neobvyklej štruktúre zuba a jeho správnom zaťažení. Doštičky pokrývajúce zub ježka sa pri určitej záťaži odlupujú, čo pomáha udržať zub ostrý. To však neznamená, že morskí ježkovia môžu rozdrviť kamene, pretože keď sa dosiahnu kritické ukazovatele zaťaženia, na zuboch sa tvoria praskliny a triesky. Ukazuje sa, že zásada „máš silu, nepotrebuješ inteligenciu“ by určite nepriniesla žiaden úžitok.
Niekto by si mohol myslieť, že štúdium zubov obyvateľov morských hlbín neprináša človeku žiaden úžitok, okrem uspokojovania neukojiteľnej ľudskej zvedavosti. Poznatky získané týmto výskumom však môžu slúžiť ako základ pre tvorbu nových typov materiálov, ktoré budú mať vlastnosti podobné ježkovým zubom – odolnosť proti opotrebovaniu, samoostriteľnosť na materiálovej úrovni bez vonkajšej pomoci a trvanlivosť.
Nech je to akokoľvek, príroda skrýva mnohé tajomstvá, ktoré ešte musíme odhaliť. Budú užitočné? Možno áno, možno nie. No niekedy aj pri tom najkomplexnejšom výskume niekedy nie je dôležitý cieľ, ale samotná cesta.
Piatok mimo:
Podmorské obrovské chaluhové lesy slúžia ako miesto zhromažďovania morských ježkov a iných nezvyčajných oceánskych tvorov. (BBC Earth, komentár od Davida Attenborougha).
Ďakujeme za sledovanie, buďte zvedaví a prajeme všetkým pekný víkend! 🙂
Ďakujeme, že ste zostali s nami. Páčia sa vám naše články? Chcete vidieť viac zaujímavého obsahu? Podporte nás zadaním objednávky alebo odporučením priateľom, 30% zľava pre užívateľov Habr na unikátny analóg serverov základnej úrovne, ktorý sme pre vás vymysleli: (k dispozícii s RAID1 a RAID10, až 24 jadier a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 krát lacnejší? Len tu v Holandsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 USD! Čítať o
Zdroj: hab.com