Pogovore o zobeh ljudje najpogosteje povezujemo s kariesom, zobnimi aparati in sadisti v belih haljah, ki samo sanjajo, da bodo iz tvojih zob delali kroglice. A šalo na stran, kajti brez zobozdravnikov in ustaljenih pravil ustne higiene bi midva jedla le zdrobljen krompir in juho po slamici. In za vse je kriva evolucija, ki nam je dala daleč od najbolj trpežnih zob, ki se tudi ne obnavljajo, kar predstavnike zobozdravstvene industrije verjetno neznansko veseli. Če govorimo o zobeh predstavnikov divjih živali, potem takoj pridejo na misel veličastni levi, krvoločni morski psi in izjemno pozitivne hijene. Kljub moči in moči njihovih čeljusti pa njihovi zobje niso tako osupljivi kot zobje morskih ježkov. Ja, ta kepa iglic pod vodo, ki ti lahko, če stopiš nanjo, pokvari dobršen del dopusta, ima kar dobre zobe. Seveda jih ni veliko, le pet, a so na svoj način edinstveni in se znajo izbrusiti. Kako so znanstveniki odkrili to lastnost, kako natančno poteka ta proces in kako lahko pomaga ljudem? O tem izvemo iz poročila raziskovalne skupine. pojdi
Raziskovalna osnova
Najprej je vredno spoznati glavnega junaka študije - Strongylocentrotus fragilis ali po človeško rečeno rožnatega morskega ježka. Ta vrsta morskega ježka se ne razlikuje veliko od drugih primerkov, z izjemo bolj sploščene oblike in glamurozne barve. Živijo precej globoko (od 100 m do 1 km), v premeru zrastejo do 10 cm.
"Skelet" morskega ježka, ki kaže simetrijo petih žarkov.
Morski ježki so, ne glede na to, kako ostro se sliši, prav in narobe. Prvi imajo skoraj popolnoma okroglo obliko telesa z izrazito peterožarko simetrijo, drugi pa so bolj asimetrični.
Prva stvar, ki vam pade v oči, ko vidite morskega ježka, so njegove bodice, ki pokrivajo njegovo celotno telo. Pri različnih vrstah so lahko iglice od 2 mm do 30 cm, poleg igel pa ima telo tudi sferidije (organe ravnotežja) in pedicellaria (procesi, ki spominjajo na klešče).
V sredini je jasno vidnih vseh pet zob.
Za upodobitev morskega ježka morate najprej stati z glavo navzdol, saj se njegova ustna odprtina nahaja na spodnjem delu telesa, druge odprtine pa na zgornjem delu. Usta morskih ježkov so opremljena z žvečilnim aparatom z lepim znanstvenim imenom "Aristotelova svetilka" (Aristotel je prvi opisal ta organ in njegovo obliko primerjal s starinsko prenosno svetilko). Ta organ je opremljen s petimi čeljustmi, od katerih se vsaka konča z ostrim zobom (aristotelovska lučka proučevanega rožnatega ježa je prikazana na spodnji sliki 1C).
Obstaja domneva, da je trajnost zob morskega ježka zagotovljena z njihovim stalnim brušenjem, ki se pojavi s postopnim uničenjem mineraliziranih plošč zoba, da se ohrani ostrina distalne površine.
Toda kako natančno poteka ta proces, katere zobe je treba nabrusiti in katere ne in kako se sprejme ta pomembna odločitev? Znanstveniki so poskušali najti odgovore na ta vprašanja.
Rezultati raziskav
Slika #1
Preden razkrijemo zobne skrivnosti morskih ježkov, si oglejmo zgradbo njihovih zob kot celote.
Na slikah 1А -1S prikazan je junak študije - rožnati morski ježek. Tako kot drugi morski ježki tudi predstavniki te vrste mineralne sestavine pridobivajo iz morske vode. Med skeletnimi elementi so zobje visoko mineralizirani (99 %) s kalcitom, obogatenim z magnezijem.
Kot smo že omenili, ježi za strganje hrane uporabljajo svoje zobe. A poleg tega si z zobmi kopljejo luknje, v katere se skrijejo pred plenilci ali slabim vremenom. Glede na to neobičajno uporabo zob, morajo biti slednji izjemno močni in ostri.
Na sliki 1D prikazana je mikroračunalniška tomografija segmenta celega zoba, ki kaže, da je zob oblikovan po eliptični krivulji s prečnim prerezom v obliki črke T.
Prerez zoba (1E) kaže, da je zob sestavljen iz treh strukturnih področij: primarne lamine, območja zobnega kamna in sekundarne lamine. Kamnita regija je sestavljena iz vlaken majhnega premera, obdanih z organsko lupino. Vlakna so vdelana v polikristalno matrico, sestavljeno iz delcev kalcita, bogatih z magnezijem. Premer teh delcev je približno 10-20 nm. Raziskovalci ugotavljajo, da koncentracija magnezija ni enakomerna po celotnem zobu in se povečuje proti koncu, kar zagotavlja njegovo večjo odpornost proti obrabi in trdoto.
Vzdolžni prerez (1F) kamnita površina zoba kaže uničenje vlaken, kot tudi avulzijo, ki nastane zaradi delaminacije na meji vlaken in organske lupine.
Primarne ploščice so običajno sestavljene iz monokristalov kalcita in se nahajajo na konveksni površini zoba, sekundarne plošče pa zapolnjujejo konkavno površino.
Na sliki 1G vidi se niz ukrivljenih primarnih plošč, ki ležijo vzporedno ena z drugo. Slika prikazuje tudi vlakna in polikristalni matriks, ki zapolnjujejo prostor med ploščama. Kiel (1H) tvori osnovo T-prereza prečnega prereza in poveča upogibno togost zoba.
Zdaj, ko poznamo strukturo zoba rožnatega morskega ježka, moramo zdaj ugotoviti mehanske lastnosti njegovih sestavnih delov. V ta namen so bili izvedeni kompresijski testi z uporabo vrstičnega elektronskega mikroskopa in nanoindentacija*. Nanomehanski testi so vključevali vzorce, odrezane vzdolž vzdolžne in prečne orientacije zoba.
Nanoindentacija* — preizkušanje materiala s pritiskom posebnega orodja — indenterja — na površino vzorca.
Analiza podatkov je pokazala, da sta povprečna Youngov modul (E) in trdota (H) na konici zoba v vzdolžni in prečni smeri: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (vzdolžno) in ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (prečno).
Youngov modul* - fizikalna količina, ki opisuje sposobnost materiala, da se upre napetosti in stiskanju.
Trdota* - lastnost materiala, da se upira predrtju tršega telesa (indenterja).
Poleg tega so bile narejene vdolbine s ciklično dodatno obremenitvijo v vzdolžni smeri, da bi ustvarili viskoplastični model poškodbe za območje kamna. Vklopljeno 2А prikazana je krivulja obremenitev-premik.
Slika #2
Modul za vsak cikel je bil izračunan na podlagi metode Oliver-Pharr z uporabo podatkov o razbremenitvi. Cikli vdolbine so pokazali monotono zmanjšanje modula z naraščajočo globino vdolbine (2V). To poslabšanje togosti je razloženo s kopičenjem poškodb (2C) kot posledica nepopravljive deformacije. Omeniti velja, da se razvoj tretjega dogaja okoli vlaken in ne skozi njih.
Mehanske lastnosti zobnih sestavin so bile ocenjene tudi s kvazistatičnimi poskusi kompresije mikrostebra. Fokusiran ionski žarek je bil uporabljen za izdelavo mikrometrskih stebrov. Za ovrednotenje trdnosti vezi med primarnimi ploščami na konveksni strani zoba so bili mikrostebri izdelani s poševno usmerjenostjo glede na normalno vmesnik med ploščama (2D). Na sliki 2E prikazan je mikrosteber z nagnjenim vmesnikom. In na grafu 2F prikazani so rezultati meritev strižne napetosti.
Znanstveniki ugotavljajo zanimivo dejstvo - izmerjeni modul elastičnosti je skoraj polovico manjši od testov vdolbine. To neskladje med preskusi vdolbine in stiskanja so opazili tudi pri zobni sklenini. Trenutno obstaja več teorij, ki pojasnjujejo to neskladje (od vplivov okolja med testiranji do kontaminacije vzorcev), vendar še vedno ni jasnega odgovora na vprašanje, zakaj do neskladja prihaja.
Naslednji korak v študiji zob morskega ježka so bili testi obrabe, izvedeni z uporabo vrstičnega elektronskega mikroskopa. Zob je bil prilepljen na posebno držalo in pritisnjen na ultrananokristalno diamantno podlago (3А).
Slika #3
Znanstveniki ugotavljajo, da je njihova različica preizkusa obrabe nasprotna od tistega, kar se običajno izvaja, kjer se diamantna konica vtisne v podlago materiala, ki se testira. Spremembe v tehnikah testiranja obrabe omogočajo boljše razumevanje lastnosti mikrostruktur in komponent zoba.
Kot lahko vidimo na slikah, ko je dosežena kritična obremenitev, začnejo nastajati odkruški. Upoštevati je treba, da se sila "ugriza" Aristotelove luči pri morskih ježkih razlikuje glede na vrsto od 1 do 50 newtonov. Pri preizkusu je bila uporabljena sila od stotin mikronewtonov do 1 newtona, tj. od 1 do 5 newtonov za celotno aristotelovsko lanterno (ker je zob pet).
Na sliki 3B(i) vidni drobni delci (rdeča puščica), ki nastanejo kot posledica obrabe kamnite površine. Ko se območje kamna obrablja in krči, se lahko razvijejo in širijo razpoke na vmesnikih med ploščami zaradi kompresijsko-strižne obremenitve in kopičenja napetosti v območju kalcitne plošče. Slike 3B(ii) и 3B(iii) pokažite mesta, kjer so se drobci odlomili.
Za primerjavo sta bili izvedeni dve vrsti poskusov obrabe: s konstantno obremenitvijo, ki ustreza začetku tečenja (WCL) in s konstantno obremenitvijo, ki ustreza napetosti tečenja (WCS). Posledično smo dobili dve vrsti obrabe zob.
Video preizkusa nošenja:
I. faza
Stopnja II
Stopnja III
Faza IV
Pod konstantno obremenitvijo je bilo pri testu WCL opaziti stiskanje območja, vendar ni bilo opaziti odkruškov ali drugih poškodb plošč (4A). Toda pri preskusu WCS, ko se je normalna sila povečala, da se ohrani konstantna nominalna kontaktna napetost, so opazili odkrušanje in izgubo plošč (4V).
Slika #4
Ta opažanja potrjuje graf (4S) meritve tlačne površine in volumna odkrušenih plošč v odvisnosti od drsne dolžine (vzorca na diamantu med preskusom).
Ta graf tudi kaže, da se v primeru WCL ostružki ne tvorijo, tudi če je drsna razdalja večja kot v primeru WCS. Pregled stisnjenih in odkrušenih plošč za 4V nam omogoča boljše razumevanje mehanizma samoostrenja zob morskega ježka.
Površina stisnjenega območja kamna se poveča, ko se plošča odlomi in odstrani del stisnjenega območja [4B (iii-v)]. Mikrostrukturne značilnosti, kot je vez med kamnom in ploščami, olajšajo ta proces. Mikroskopija je pokazala, da so se vlakna v predelu zobnega kamna ukrivila in prodirala skozi plasti ploščic v konveksnem delu zoba.
Na grafikonu 4S skok v volumnu odkrušenega območja je viden, ko se nova ploščica odlepi od zoba. Zanimivo je, da se v istem trenutku močno zmanjša širina sploščenega območja (4D), kar kaže na proces samoostrenja.
Preprosto povedano, ti poskusi so pokazali, da ko se med preskusi obrabe vzdržuje konstantna normalna (ne kritična) obremenitev, konica postane topa, medtem ko zob ostane oster. Izkazalo se je, da se zobje ježkov med uporabo nabrusijo, če obremenitev ne presega kritične, sicer lahko pride do poškodb (odrezkov) in ne do ostrenja.
Slika #5
Za razumevanje vloge zobnih mikrostruktur, njihovih lastnosti in njihovega prispevka k mehanizmu samoostrenja je bila izvedena nelinearna analiza procesa obrabe s končnimi elementi (5А). Za to so bile uporabljene fotografije vzdolžnega prereza konice zoba, ki so služile kot osnova za dvodimenzionalni model, sestavljen iz kamna, plošč, kobilice in vmesnikov med ploščami in kamnom.
Slike 5B-5H so konturne krivulje von Misesovega kriterija (kriterij plastičnosti) na robu območja kamna in plošče. Ko je zob stisnjen, se kamen podvrže velikim viskoplastičnim deformacijam, kopiči poškodbe in se skrči (»splošči«) (5B и 5C). Nadaljnje stiskanje povzroči strižni trak v kamnu, kjer se kopiči velik del plastične deformacije in poškodb, ki odtrgajo del kamna in ga pripeljejo v neposreden stik s podlago (5D). Takšna fragmentacija kamna v tem modelu ustreza eksperimentalnim opažanjem (odlomljeni drobci na 3B(i)). Stiskanje povzroči tudi razslojevanje med ploščami, saj so vmesni elementi izpostavljeni mešanim obremenitvam, kar povzroči dekohezijo (razslojevanje). Ko se kontaktna površina poveča, se kontaktne napetosti povečajo, kar povzroči nastanek in širjenje razpok na vmesniku (5B -5E). Izguba oprijema med ploščama poveča upogibanje, ki povzroči, da se zunanja plošča loči.
Praskanje poslabša poškodbe vmesnika, kar povzroči odstranitev rezin, ko se rezine razcepijo (kjer razpoke odstopajo od vmesnika in prodrejo v rezino, 5G). Ko se proces nadaljuje, se delčki ploščice odcepijo od konice zoba (5H).
Zanimivo je, da modeliranje zelo natančno napove odkrušanje tako na kamnu kot na ploščah, kar so znanstveniki že opazili med opazovanji (3B и 5I).
Za podrobnejšo seznanitev z odtenki študije priporočam ogled и njemu.
Epilog
To delo je še enkrat potrdilo, da evolucija človeškim zobem ni bila preveč naklonjena. Resno, znanstveniki so v svoji študiji lahko podrobno preučili in razložili mehanizem samoostritve zob morskega ježka, ki temelji na nenavadni strukturi zoba in pravilni obremenitvi le-tega. Plošče, ki prekrivajo ježkov zob, se pod določeno obremenitvijo odluščijo, kar pripomore k temu, da zob ostane oster. Toda to ne pomeni, da lahko morski ježki zdrobijo kamne, saj ko so dosežene kritične obremenitve, na zobeh nastanejo razpoke in ostružki. Izkazalo se je, da načelo "imaš moč, ne potrebuješ pameti" zagotovo ne bi prineslo nobene koristi.
Lahko bi pomislili, da preučevanje zobovja prebivalcev globokega morja ljudem ne prinaša nobene koristi, razen potešitve nenasitne človeške radovednosti. Vendar pa lahko spoznanja, pridobljena s to raziskavo, služijo kot osnova za ustvarjanje novih vrst materialov, ki bodo imeli podobne lastnosti kot zobje ježka - odpornost proti obrabi, samoostrenje na materialni ravni brez zunanje pomoči in vzdržljivost.
Kakor koli že, narava skriva veliko skrivnosti, ki jih moramo še razkriti. Bodo koristni? Morda da, morda ne. A včasih, tudi pri najkompleksnejših raziskavah, včasih ni pomembna destinacija, ampak potovanje samo.
petek off-top:
Podvodni orjaški gozdovi alg služijo kot zbirališče morskih ježkov in drugih nenavadnih morskih bitij. (BBC Earth, glas iz filma David Attenborough).
Hvala za branje, ostanite radovedni in lep vikend fantje! 🙂
Hvala, ker ste ostali z nami. So vam všeč naši članki? Želite videti več zanimivih vsebin? Podprite nas tako, da oddate naročilo ali priporočite prijateljem, 30% popust za uporabnike Habr na edinstvenem analogu začetnih strežnikov, ki smo ga izumili za vas: (na voljo z RAID1 in RAID10, do 24 jeder in do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2-krat cenejši? Samo tukaj na Nizozemskem! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 $! Preberite o
Vir: www.habr.com