Причање о зубима код људи се најчешће везује за каријес, апаратић и садисте у белим мантилима који само сањају да праве перле од ваших зуба. Али шалу на страну, јер без зубара и устаљених правила оралне хигијене, јели бисмо само мљевени кромпир и супу кроз сламку. А за све је крива еволуција која нам је дала далеко од најиздржљивијих зуба, који се још увек не регенеришу, што вероватно неописиво прија представницима стоматолошке индустрије. Ако говоримо о зубима представника дивљине, онда на памет одмах падају величанствени лавови, крвожедне ајкуле и изузетно позитивне хијене. Међутим, упркос снази и снази њихових чељусти, њихови зуби нису тако невероватни као код морских јежева. Да, ово клупко игала под водом, газећи на које можете покварити добар део одмора, има прилично добре зубе. Наравно, нема их много, само пет, али су на свој начин јединствени и умеју да се изоштре. Како су научници идентификовали такву особину, како се тачно одвија овај процес и како може помоћи људима? О томе сазнајемо из извештаја истраживачке групе. Иди.
Основа истраживања
Пре свега, вреди упознати главног јунака студије - Стронгилоцентротус фрагилис, у људском смислу, са ружичастим морским јежем. Ова врста морског јежа се не разликује много од својих других колега, са изузетком више спљоштеног облика на половима и гламурозне боје. Живе прилично дубоко (од 100 м до 1 км), а нарасту до 10 цм у пречнику.
„Скелет“ морског јежа, који показује симетрију пет зрака.
Морски јежеви су, колико год то грубо звучало, исправни и погрешни. Први имају готово савршено округли облик тела са израженом петоснопном симетријом, док су други асиметричнији.
Прво што вам упада у очи када видите морског јежа су његова перја која покривају цело тело. У различитим врстама иглице могу бити од 2 мм до 30 цм Поред иглица, тело има сферидије (органе равнотеже) и педицеларију (процесе који подсећају на пинцете).
Свих пет зуба је јасно видљиво у центру.
Да бисте приказали морског јежа, прво морате да стојите наопачке, јер се његов отвор за уста налази на доњем делу тела, а остале рупе су на горњем. Уста морских јежева опремљена су апаратом за жвакање са прелепим научним називом "Аристотелов фењер" (управо Аристотел је први описао овај орган и упоредио га по облику са старинским преносивим фењером). Овај орган је опремљен са пет чељусти, од којих се свака завршава оштрим зубом (аристотеловски фењер истраживаног ружичастог јежа приказан је на слици 1Ц испод).
Постоји претпоставка да је издржљивост зуба морских јежева обезбеђена њиховим сталним оштрењем, које настаје постепеним уништавањем минерализованих зубних плоча да би се одржала оштрина дисталне површине.
Али како тачно тече овај процес, које зубе треба наоштрити, а које не и како се доноси ова важна одлука? Научници су покушали да пронађу одговоре на ова питања.
Резултати истраживања
Слика #1
Пре него што откријете зубне тајне морских јежева, размотрите структуру њихових зуба уопште.
На сликама КСНУМКСА-КСНУМКСС приказан је јунак студије – ружичасти морски јеж. Као и други морски јежеви, представници ове врсте своје минералне компоненте добијају из морске воде. Међу скелетним елементима, зуби су високо минерализовани (за 99%) са калцитом обогаћеним магнезијумом.
Као што смо раније говорили, јежеви користе своје зубе за стругање хране. Али поред тога, уз помоћ својих зуба, копају себи рупе, у којима се крију од предатора или лошег времена. С обзиром на ову необичну употребу зуба, потоњи морају бити изузетно јаки и оштри.
На слици 1D приказана је микрокомпјутерска томографија сегмента целог зуба, чиме је јасно да је зуб формиран дуж елиптичне кривине са попречним пресеком у облику слова Т.
Попречни пресек зуба (1E) показује да се зуб састоји од три структурна региона: примарне ламине, региона каменца и секундарне ламеле. Камена површина се састоји од влакана малог пречника, окружена органском шкољком. Влакна су обложена поликристалном матрицом састављеном од честица калцита богатих магнезијумом. Пречник ових честица је око 10-20 нм. Истраживачи примећују да концентрација магнезијума није уједначена у целом зубу и да се повећава ближе његовом крају, што обезбеђује његову повећану отпорност на хабање и тврдоћу.
Уздужни пресек (1F) калкулуса зуба показује деструкцију влакана, као и раздвајање, које настаје услед раслојавања на граници између влакана и органске љуске.
Примарне ламеле су обично састављене од монокристала калцита и налазе се на конвексној површини зуба, док секундарне ламеле испуњавају конкавну површину.
На слици 1G може се видети низ закривљених примарних плоча које леже паралелно једна са другом. Слика такође приказује влакна и поликристалну матрицу која испуњава простор између плоча. кобилица (1H) формира основу попречног Т-пресека и повећава крутост зуба на савијање.
Пошто знамо какву структуру има зуб ружичастог морског јежа, сада треба да сазнамо механичка својства његових компоненти. За ово су извршена испитивања компресије помоћу скенирајућег електронског микроскопа и методе наноиндентација*. Узорци исечени дуж уздужне и попречне оријентације зуба учествовали су у наномеханичким испитивањима.
Наноиндентација* — провера материјала методом утискивања у површину узорка специјалног алата — индентера.
Анализа података је показала да су просечни Јангов модул (Е) и тврдоћа (Х) на врху зуба у уздужном и попречном правцу: ЕЛ = 77.3 ± 4,8 ГПа, ХЛ = 4.3 ± 0.5 ГПа (лонгитудинално) и ЕТ = 70.2 ± 7.2 ГПа = 3,8 ± 0,6 ГПа. ГПа, ХТ = XNUMX ± XNUMX ГПа (попречно).
Јангов модул* - физичка величина која описује способност материјала да се одупре напетости и компресији.
тврдоћа* - својство материјала да се одупре уношењу чвршћег тела (индентера).
Поред тога, удубљења су направљена у уздужном правцу са цикличним додатним оптерећењем како би се створио модел дуктилног оштећења камене површине. на КСНУМКСА приказана је крива оптерећење-померај.
Слика #2
Модул за сваки циклус је израчунат на основу Оливер-Фарр методе коришћењем података о растерећењу. Циклуси удубљења су показали монотоно смањење модула са повећањем дубине удубљења (КСНУМКСВ). Такво погоршање крутости објашњава се акумулацијом оштећења (2C) као резултат неповратне деформације. Важно је напоменути да се развој трећег дешава око влакана, а не кроз њих.
Механичка својства састојака зуба такође су процењена коришћењем квазистатичких експеримената компресије микростубова. Фокусирани јонски сноп је коришћен за израду стубова микрометарске величине. Да би се проценила јачина везе између примарних плоча на конвексној страни зуба, направљени су микростубови са косом оријентацијом у односу на нормални интерфејс између плоча (2D). На слици 2E приказана је микроколона са косим интерфејсом. И на графикону 2F приказани су резултати мерења напона на смицање.
Научници примећују занимљиву чињеницу - измерени модул еластичности је скоро упола мањи од тестова удубљења. Ово неслагање између тестова удубљења и компресије је такође примећено за зубну глеђ. Тренутно постоји неколико теорија које објашњавају ову неслагање (од утицаја околине током испитивања до контаминације узорака), али нема јасног одговора на питање зашто долази до неслагања.
Следећи корак у проучавању зуба морског јежа била су испитивања хабања извршена помоћу скенирајућег електронског микроскопа. Зуб је залепљен на посебан држач и притиснут на подлогу од ултрананокристалног дијаманта (КСНУМКСА).
Слика #3
Научници примећују да је њихова верзија теста хабања супротна од онога што се обично ради када се дијамантски врх утисне у подлогу материјала који се проучава. Промене у методологији испитивања хабања омогућавају боље разумевање особина микроструктура и компоненти зуба.
Као што видимо на сликама, када се достигне критично оптерећење, почињу да се формирају чипови. Вреди узети у обзир да снага „угриза“ аристотеловског фењера код морских јежева варира у зависности од врсте од 1 до 50 њутна. У тесту је примењена сила од стотине микроњутна до 1 њутна, тј. од 1 до 5 њутна за цео аристотелов фењер (пошто има пет зубаца).
На слици 3Б(и) видљиве су ситне честице (црвена стрелица), настале као резултат хабања камене површине. Како се површина камена хаба и скупља, пукотине на интерфејсу између плоча могу настати и ширити се услед оптерећења на смицање компресијом и нагомилавања напона у области калцитних плоча. Снапсхотс 3Б(ии) и 3Б(иии) показати места где су се фрагменти одломили.
Поређења ради, изведена су два типа експеримената хабања: са константним оптерећењем које одговара почетку течења (ВЦЛ) и са константним оптерећењем које одговара граници течења (ВЦС). Као резултат, добијене су две варијанте хабања зуба.
Видео за тестирање ношења:
Фаза И
ИИ фаза
ИИИ фаза
Фаза ИВ
У случају константног оптерећења у ВЦЛ тесту, примећена је компресија површине, међутим, нису примећене струготине или друга оштећења на плочама (4A). Али у ВЦС тесту, када је нормална сила повећана да би се одржао константан номинални контактни напон, примећено је ломљење и испадање из плоча (КСНУМКСВ).
Слика #4
Ова запажања потврђује заплет (КСНУМКСС) мерења површине компресије и запремине ломљених плоча у зависности од дужине клизања (узорак преко дијаманта током испитивања).
Овај графикон такође показује да се у случају ВЦЛ не формирају чипови чак и ако је клизна удаљеност већа него у случају ВЦС. Преглед сабијених и уситњених плоча за КСНУМКСВ омогућава вам да боље разумете механизам самооштрења зуба морског јежа.
Површина компримованог подручја камена се повећава како се плоча ломи, што доводи до уклањања дела сабијене површине [4Б(иии-в)]. Микроструктурне карактеристике као што је веза између камена и плоча олакшавају овај процес. Микроскопијом је утврђено да су влакна у каменцу савијена и продиру кроз слојеве плоча у конвексном делу зуба.
На графикону КСНУМКСС долази до скока запремине окрњеног подручја када се нова плоча одвоји од зуба. Занимљиво је да у истом тренутку долази до наглог смањења ширине спљоштеног региона (4D), што указује на процес самооштрења.
Једноставно речено, ови експерименти су показали да уз одржавање константног нормалног (не критичног) оптерећења током тестова хабања, врх постаје туп, док зуб остаје оштар. Испоставља се да се зуби јежа изоштравају током употребе, ако оптерећење не прелази критично, иначе може доћи до оштећења (чипова), а не оштрења.
Слика #5
Да би се разумела улога микроструктура зуба, њихова својства и њихов допринос механизму самооштрења, спроведена је нелинеарна анализа процеса хабања путем коначних елемената (КСНУМКСА). За то су коришћене слике уздужног пресека врха зуба, које су послужиле као основа за дводимензионални модел који се састоји од камена, плоча, кобилице и интерфејса између плоча и камена.
Имагес 5B-5H су контурни прикази Мизесовог критеријума (критеријум пластичности) на ивици површине камена и плоче. Када се зуб компримује, каменац се подвргава великим вископластичним деформацијама, акумулира оштећења и скупља („спљошти“) (5B и 5C). Даља компресија индукује траку смицања у камену, где се акумулира највећи део пластичне деформације и оштећења, откидајући део камена, доводећи га у директан контакт са подлогом (5D). Таква фрагментација камена у овом моделу одговара експерименталним запажањима (исцепљени фрагменти на 3Б(и)). Компресија такође доводи до раслојавања између плоча јер су елементи интерфејса подвргнути мешовитом оптерећењу што доводи до декохезије (љуштења). Како се површина контакта повећава, контактни напони се повећавају, узрокујући иницирање и ширење пукотине на интерфејсу (5B-5E). Губитак адхезије између плоча појачава прегиб, што узрокује да се спољна плоча одвоји.
Гребање погоршава оштећење интерфејса што доводи до уклањања плоче када се плоча(е) подвргне цепању (где пукотине одступају од интерфејса и продиру у плочу, 5G). Како се процес наставља, фрагменти плоче се одвајају од врха зуба (5H).
Занимљиво је да симулација веома прецизно предвиђа ломљење и у пределу камена и плоча, што су научници већ приметили током посматрања (3B и 5I).
За детаљније упознавање са нијансама студије, препоручујем да погледате и њему.
Епилог
Овај рад је још једном потврдио да еволуција није много подржавала људске зубе. Озбиљно, научници су у својој студији успели да детаљно испитају и објасне механизам самооштрења зуба морских јежева, који се заснива на необичној структури зуба и правилном оптерећењу на њега. Плоче које покривају зуб јежа се љуште под одређеним оптерећењем, што вам омогућава да одржите зуб оштар. Али то не значи да морски јежеви могу дробити камење, јер када се достигну критични индикатори оптерећења, на зубима се формирају пукотине и чипс. Испоставља се да принцип „има моћ, памет не треба“ сигурно не би донео никакву корист.
Могло би се помислити да проучавање зуба становника морских дубина човеку не доноси никакву корист, осим задовољења незаситне људске радозналости. Међутим, сазнања стечена током ове студије могу послужити као основа за креирање нових врста материјала који ће имати својства слична зубима јежа - отпорност на хабање, самооштрење на нивоу материјала без спољне помоћи и издржљивост.
Како год било, природа крије многе тајне које тек треба да откријемо. Да ли ће они бити од помоћи? Можда да, можда не. Али понекад, чак иу најсложенијим истраживањима, понекад није важно одредиште, већ само путовање.
петак ван врха:
Подводне шуме џиновских алги служе као место окупљања морских јежева и других необичних становника океана. (ББЦ Еартх, глас преко - Давид Аттенбороугх).
Хвала на гледању, будите радознали и угодан викенд свима! 🙂
Хвала вам што сте остали са нама. Да ли вам се свиђају наши чланци? Желите да видите још занимљивијег садржаја? Подржите нас тако што ћете наручити или препоручити пријатељима, 30% попуста за кориснике Хабра на јединствени аналог сервера почетног нивоа, који смо ми измислили за вас: (доступно са РАИД1 и РАИД10, до 24 језгра и до 40 ГБ ДДР4).
Делл Р730кд 2 пута јефтинији? Само овде у Холандији! Делл Р420 - 2к Е5-2430 2.2Гхз 6Ц 128ГБ ДДР3 2к960ГБ ССД 1Гбпс 100ТБ - од 99 долара! Читали о
Извор: ввв.хабр.цом