Samtal om tänder hos människor förknippas oftast med karies, tandställningar och sadister i vita rockar som bara drömmer om att göra pärlor av dina tänder. Men skämt åsido, utan tandläkare och etablerade hygienregler skulle vi endast kunna livnära oss på mosad potatis och soppa genom ett sugrör. Allt tack vare evolutionen, som gav oss tänder som definitivt inte är de mest hållbara och som dessutom inte regenererar, vilket nog glädjer representanter för tandvårdsindustrin. När det kommer till tänder hos djur i det vilda tänker man direkt på majestätiska lejon, blodtörstiga hajar och mycket positiva hyenor. Trots kraften och styrkan hos deras käkar är deras tänder inte så fantastiska som tänderna hos sjöborrar. Ja, denna klump av taggar under vattnet, som kan förstöra en stor del av din semester om du trampar på den, har faktiskt ganska bra tänder. Det finns inte många, bara fem, men de är unika på sitt eget sätt och kan slipa sig själva. Hur har forskarna upptäckt denna egenskap, hur går processen till och hur kan den hjälpa människor? Det får vi veta i rapporten från forskargruppen. Låt oss börja.
Forskningsgrund
Först och främst är det värt att lära känna huvudpersonen i studien — Strongylocentrotus fragilis, vilket på människospråk betyder rosa sjöborre. Denna art av sjöborrar skiljer sig inte mycket från sina släktingar, förutom sin mer tillplattade form vid polerna och glamorösa färg. De lever ganska djupt (från 100 m till 1 km), och växer upp till 10 cm i diameter.
«Skelettet» av sjöborren, vilket visar den femstråliga symmetrin.
Sjöborrar kan, hur grovt det än låter, delas in i riktiga och oriktiga. De förra har nästan perfekt rund kropp med tydlig femstrålig symmetri, medan de senare är mer asymmetriska.
Det första man lägger märke till när man ser en sjöborre är dess taggar som täcker hela kroppen. Hos olika arter kan taggarna variera från 2 mm upp till 30 cm. Förutom taggar har de även spheridia (balansorgan) och pedicellariae (utskott som liknar tång).
I mitten syns tydligt alla fem tänder.
För att avbilda en sjöborre måste man först ställa sig på huvudet, eftersom munöppningen finns på den nedre delen av kroppen medan andra öppningar ligger högre upp. Munnen hos sjöborrar är utrustad med ett tuggorgan med det vackra vetenskapliga namnet "Aristoteles lantern" (det var Aristoteles som först beskrev detta organ och liknade det vid en antik bärbar lampa). Detta organ har fem käkar, var och en av dem avslutas med en vass tand (Aristoteles lantern hos den studerade rosa sjöborren visas på bild 1C nedan).
Det finns en hypotes att hållbarheten hos sjöborrenas tänder säkerställs av deras ständiga slipning, vilket sker genom etappvis nedbrytning av mineraliserade tandplattor för att bevara skärpan på den distala ytan.
Men hur fortgår denna process, vilka tänder behöver slipas, vilka inte, och hur fattas detta viktiga beslut? Det är dessa frågor forskarna försökte få svar på.
Forskningsresultat
Bild №1
Innan vi avslöjar de dentala hemligheterna hos sjöborrar, låt oss betrakta strukturen av deras tänder i stort.
På bilderna 1A—1C visas hjältar i studien - den rosa sjöborren. Precis som andra sjöborrar får denna art sina mineraliska komponenter från havsvattnet. Bland de skelettdelar är tänderna starkt mineraliserade (till 99%) med kalcit berikat med magnesium.
Som vi tidigare har diskuterat, använder sjöborrar sina tänder för att skrapa mat. Men förutom detta gräver de också med tänderna hål där de gömmer sig från rovdjur eller ogynnsamt väder. Med tanke på denna ovanliga användning av tänderna måste de vara extremt hållbara och skarpa.
På bilden 1D visas mikrodatortomografi av en segment av en hel tand, vilket visar att tanden är formad längs en elliptisk kurva med en T-formad tvärsnitt.
Tandens tvärsnitt (1E) visar att tanden består av tre strukturella områden: primära plattor, den mineraliserade området och sekundära plattor. Den mineraliserade området består av fibrer med liten diameter, omgivna av en organisk skalf. Fibrerna är inbäddade i en polykristallin matris bestående av magnesiumrik kalcitpartiklar. Diameter på dessa partiklar ligger runt 10-20 nm. Forskare noterar att koncentrationen av magnesium är oregelbunden över hela tanden och ökar närmare dess spets, vilket ger en ökad slitstyrka och hårdhet.
Längdsnitt (1F) av den mineraliserade området av tanden visar fiberbrott samt avdrag som sker på grund av avskiljning vid gränsen mellan fibrerna och den organiska skalf.
Primära plattor består vanligtvis av monokristaller av kalcit och ligger på den konvexa ytan av tanden, medan de sekundära plattorna fyller den konkava ytan.
På bilden 1G kan man se en massa av böjda primära plattor som ligger parallellt med varandra. Bilden visar även fibrer och en polykristallin matris som fyller utrymmet mellan plattorna. Kilen (1H) formar basen av det tvärgående T-snittet och ökar styvheten hos tanden vid böjning.
Eftersom vi vet vilken struktur tanden hos den rosa sjöbocken har, måste vi nu ta reda på de mekaniska egenskaperna hos dess komponenter. För detta utfördes kompressionstester med hjälp av en rasterelektronmikroskop och metod nanoindentation*. I nanomekaniska tester deltog prover som skurits längs longitudinella och tvärgående orienteringar av tanden.
Nanoindentation* är en provning av materialet genom att trycka en speciell verktyg—indentator—mot ytan av provet.
Dataanalysen visade att det genomsnittliga Youngs modul (E) och hårdheten (H) vid tandens spets i längd- och tvärgående riktningar var: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (längd) och ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (tvärgående).
Youngs modul* är en fysisk storhet som beskriver förmågan hos ett material att motstå töjning och kompression.
Hårdhet* är ett materiales egenskap att motstå inträngning av ett hårdare objekt (indentator).
Utöver detta har det utförts fördjupningar i längdriktningen med cyklisk tilläggslast för att skapa en viskoelastisk skademodell för det steniga området. På 2A visas belastningsförskjutningskurvan.
Bild №2
Modulen för varje cykel beräknades med hjälp av Oliver-Farr-metoden med hjälp av avlastningsdata. Intrusiva cykler visade en monotont minskande modul med ökad intrusionsdjup (2B). En sådan försämring av styvheten förklaras av ackumulering av skador (2C) som ett resultat av irreversibel deformation. Det är värt att notera att utvecklingen av det tredje sker runt fibrerna, snarare än genom dem.
De mekaniska egenskaperna hos delarna av tänderna har också utvärderats med hjälp av experiment av kvasi-statiskt tryck på mikrostolpar. För att tillverka stolpar i mikrometerstorlek användes en fokuserad ionstråle. För att bedöma styrkan hos sambandet mellan de primära plattorna på den konvexa sidan av tanden tillverkades mikrostolpar med lutande orientering i förhållande till det normala gränssnittet mellan plattorna (2D). På bilden 2E visas en mikrostolpe med lutande gränssnitt. Och på grafen 2F visas resultaten av mätning av skjuvspänningen.
Forskare påpekar en intressant aspekt – den uppmätta elasticitetsmodulen är nästan hälften så mycket som vid testning av intrusivitet. Denna avvikelse mellan intrusivitet- och trycktester observeras även för tandemalj. För tillfället finns det flera teorier som förklarar denna avvikelse (från miljöpåverkan under tester till kontaminering av prover), men det finns fortfarande inget klart svar på frågan varför avvikelsen förekommer.
Nästa steg i undersökningen av sjöborrtänderna blev slittester som genomfördes med hjälp av en elektronmikroskop. Tanden klistrades fast på en speciell hållare och trycktes mot en substrat av ultrananokristallin diamant (3A).
Bild nr 3
Forskare påpekar att deras version av slittestet är motsatt det som vanligtvis utförs, när diamantspetsen trycks in i substratet av det studerade materialet. Förändringar i testmetodiken för slitaget gör det möjligt att bättre studera egenskaperna hos mikrostrukturer och komponenterna i tanden.
Som vi kan se på bilderna, börjar det uppstå flisor när en kritisk belastning uppnås. Det är värt att notera att "bettet" från en aristoteleslampa hos sjöborrar varierar mellan 1 och 50 newton beroende på art. I testet användes en kraft från hundratals mikro-newton till 1 newton, det vill säga från 1 till 5 newton för hela aristoteleslampan (eftersom det finns fem tänder).
På bilden 3B(i) små partiklar (röd pil) som bildas till följd av slitage i stenens område. Eftersom stenens område slits och komprimeras kan sprickor i gränssnittet mellan plattorna uppstå och sprida sig som ett resultat av kompressions- och skjuvbelastning samt ansamling av spänningar i kalcitplattornas område. Bilderna 3B(ii) och 3B(iii) visar platser där fragment har flisat.
För jämförelse genomfördes två typer av slitageexperiment: med konstant belastning som motsvarar början av flödesgränsen (WCL) och med konstant belastning som motsvarar flödesgränsen (WCS). Som ett resultat erhölls två varianter av tandens slitage.
Videotesterna på slitage:
Steg I
Steg II
Steg III
Steg IV
I fallet med konstant belastning i WCL-testet observerades en komprimering av området, men flisor eller andra skador på plattorna noterades inte (4A). Men i WCS-testet, när det normala kraften ökades för att hålla det nominella kontakttrycket konstant, observerades flisor och avfallning av plattor (4B).
Bild nr 4
Dessa observationer bekräftas av grafen (4C) som mäter komprimeringsområdet och volymen av flisade plattor som en funktion av glidavståndet (provets rörelse över diamanten under testet).
Denna graf visar också att i fallet WCL inte bildas flisor även om glidavståndet är större än i WCS-fallet. Inspektionen av de komprimerade och flisade plattorna på 4B ger en bättre förståelse för mekanismen bakom självtandningen av sjöborren.
Det komprimerade stmområdets yta ökar när plattan flisar, vilket leder till borttagning av en del av det komprimerade området [4B (iii-v)]. Mikrostrukturella drag, såsom sambandet mellan stenen och plattorna, underlättar denna process. Mikroskopi visade att fibrerna i det steniga området böjer sig och penetrerar genom plattlagerna i den konvexa delen av tanden.
I grafen 4C Det finns en ökning av volymen av den krossade ytan när den nya plattan kopplas bort från tanden. Intressant nog sker det samtidigt en kraftig minskning av bredden på den platta ytan (4D), vilket tyder på en självslipning.
Kort sagt, dessa experiment visade att vid upprätthållandet av en konstant normal (icke-kritisk) belastning under slitagetester sker en avtrubbning av spetsen, medan tanden förblir vass. Det verkar som att hedgehogs tänder slipas under användning, så länge belastningen inte överstiger en kritisk nivå, annars kan skador (chip) uppstå istället för slipning.
Bild nr 5
För att förstå rollen av tandens mikrostruktur, dess egenskaper och bidrag till mekanismen för självslipning, genomfördes en icke-linjär analys av slitprocessen med hjälp av finita elementmetoden (5A). För detta användes bilder av longitudinella snitt av tandspetsen, som utgjorde grunden för en tvådimensionell modell bestående av sten, plattor, köl och gränssnitt mellan plattorna och stenen.
Bilder 5B–5H är konturdiagram av Mises kriterium (plastyritkriterium) vid kanten av området med sten och platta. När tanden komprimeras utsätts stenen för stora visko-plastiska deformationer, ackumulerar skador och komprimeras ('plattas till') (5B och 5C). Ytterligare kompression orsakar en skjuvband i stenen, där den största delen av den plastiska deformationen och skadorna ackumuleras, vilket avlägsnar en del av stenen och leder till en direkt kontakt med underlaget (5D). Denna fragmentering av stenen i den här modellen överensstämmer med experimentella observationer (avskruvna fragment på 3B(i)). Kompression leder också till avskalning mellan plattorna, eftersom gränssnittselementen utsätts för blandad belastning, vilket leder till dekohesion (avskiljning). När kontaktområdet ökar, ökar de kontaktspänningar, vilket orsakar sprickbildning och spridning av sprickan vid gränssnittet (5B—5E). Förlust av vidhäftning mellan plattorna förstärker böjningen, vilket gör att den yttre plattan kopplas bort.
Skrapning förvärrar skadan på gränssnittet, vilket leder till att plattan tas bort när plattorna utsätts för delaminering (där sprickorna avviker från gränssnittet och tränger in i plattan, 5G). När processen fortskrider, lossnar plattans fragment från tandens spets (5H).
Det är intressant att simuleringen mycket noggrant förutsäger skalning både i stenområden och i plattområden, vilket forskare redan observerat under sina studier (3B och 5I).
För en mer detaljerad förståelse av forskningsdetaljerna rekommenderar jag att du tittar in i och till detta.
Epilog
Denna studie bekräftade återigen att evolutionen inte varit särskilt nådig mot människans tänder. Allvarligt talat, i sin forskning lyckades forskarna detaljerat undersöka och förklara mekanismen för självvassning av sjöborrar, som baseras på tandens ovanliga struktur och korrekt belastning på den. Plattorna som täcker borrens tand flagnar vid viss belastning, vilket gör att tanden kan förbli vass. Men det betyder inte att sjöborren kan krossa stenar, eftersom sprickor och chip bildas på tänderna när den kritiska belastningen nås. Det visar sig att principen "styrka utan intelligens" knappast skulle vara till någon nytta.
Man skulle kunna tro att studiet av tänderna hos djur som lever i havets djup inte har något värde för människan, förutom att stilla vår omättliga nyfikenhet. Men kunskapen som förvärvats genom denna forskning kan tjäna som grund för att skapa nya typer av material som har liknande egenskaper som borrens tänder — slitstyrka, självvassning på materialnivå utan extern hjälp och hållbarhet.
Hur som helst, naturen döljer många hemligheter som vi fortfarande har att avslöja. Kommer de att vara användbara? Kanske ja, kanske nej. Men ibland är det inte målet men själva resan som är viktig, även i de mest komplexa studierna.
Fredags-off-topic:
Underbara skogar av gigantiska alger fungerar som en samlingsplats för sjöborrar och andra ovanliga invånare i haven. (BBC Earth, berättarröst — David Attenborough).
Tack för er uppmärksamhet, förbli nyfikna och ha en fantastisk helg, grabbar! 🙂
Tack för att ni stannar med oss. Gillar ni våra artiklar? Vill ni se mer intressant material? Stöd oss genom att göra en beställning eller rekommendera oss till vänner, 30% rabatt för Habr-användare på vårt unika alternativ till entry-level servrar, som vi har designat för er: (alternativ med RAID1 och RAID10 finns tillgängliga, upp till 24 kärnor och upp till 40GB DDR4).
Dell R730xd till halva priset? Bara hos oss i Nederländerna! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — från $99! Läs om
Källa: habr.com
