Folk förknippar oftast samtal om tänder med karies, tandställning och sadister i vita rockar som bara drömmer om att göra pärlor av dina tänder. Men skämt åsido, för utan tandläkare och etablerade regler för munhygien skulle du och jag bara äta krossad potatis och soppa genom ett sugrör. Och allt är att skylla på evolutionen, som har gett oss långt ifrån de mest hållbara tänderna, som inte heller regenereras, vilket förmodligen gör företrädare för dentalindustrin otroligt glada. Om vi pratar om tänderna hos representanter för vilda djur, kommer majestätiska lejon, blodtörstiga hajar och extremt positiva hyenor omedelbart att tänka på. Men trots kraften och styrkan i deras käkar är deras tänder inte lika fantastiska som sjöborrars tänder. Ja, den här nålklumpen under vatten, som om du kliver på kan förstöra en stor del av din semester, har ganska bra tänder. Naturligtvis är det inte många av dem, bara fem, men de är unika på sitt sätt och klarar av att skärpa sig. Hur upptäckte forskare denna funktion, exakt hur sker denna process och hur kan den hjälpa människor? Vi lär oss om detta från forskargruppens rapport. Gå.
Forskningsunderlag
Först och främst är det värt att lära känna studiens huvudperson - Strongylocentrotus fragilis, eller i mänskliga termer, en rosa sjöborre. Denna typ av sjöborre skiljer sig inte särskilt mycket från sina andra motsvarigheter, med undantag för en mer tillplattad form och glamorös färg. De lever ganska djupt (från 100 m till 1 km), och de växer upp till 10 cm i diameter.
"Skelett" av en sjöborre, som visar femstrålingssymmetri.
Sjöborrar är, hur hårt det än låter, rätt och fel. De förra har en nästan perfekt rund kroppsform med uttalad femstrålingssymmetri, medan de senare är mer asymmetriska.
Det första som fångar ditt öga när du ser en sjöborre är dess ryggar som täcker hela kroppen. Hos olika arter kan nålarna vara från 2 mm till 30 cm. Förutom nålarna har kroppen sfäridier (balansorgan) och pedicellaria (processer som liknar pincett).
Alla fem tänderna syns tydligt i mitten.
För att avbilda en sjöborre måste du först stå upp och ner, eftersom dess munöppning ligger på den nedre delen av kroppen, men de andra öppningarna är på den övre delen. Sjöborrars mun är utrustad med en tuggapparat med det vackra vetenskapliga namnet "Aristoteles lykta" (det var Aristoteles som först beskrev detta organ och jämförde dess form med en antik bärbar lykta). Detta organ är utrustat med fem käftar, som var och en slutar i en vass tand (den aristoteliska lyktan på den rosa igelkotten som undersöks visas i bild 1C nedan).
Det finns ett antagande om att hållbarheten hos sjöborständerna säkerställs genom deras konstanta skärpning, vilket sker genom gradvis förstörelse av tandens mineraliserade plattor för att bibehålla skärpan på den distala ytan.
Men exakt hur fungerar denna process, vilka tänder behöver slipas och vilka inte, och hur fattas detta viktiga beslut? Forskare försökte hitta svar på dessa frågor.
Forskningsresultat
Bild #1
Innan vi avslöjar sjöborrars tandhemligheter, låt oss titta på strukturen på deras tänder som helhet.
På bilderna 1А-1S hjälten i studien visas - en rosa sjöborre. Liksom andra sjöborrar får representanter för denna art sina mineralkomponenter från havsvatten. Bland skelettelementen är tänderna starkt mineraliserade (99%) med kalcit berikad med magnesium.
Som vi diskuterade tidigare använder igelkottar sina tänder för att skrapa mat. Men förutom detta använder de sina tänder för att gräva hål åt sig själva, där de gömmer sig från rovdjur eller dåligt väder. Med tanke på denna ovanliga användning av tänder måste de senare vara extremt stark och skarp.
På bilden 1D Mikrodatortomografi av ett segment av en hel tand visas, vilket visar att tanden är bildad längs en elliptisk kurva med ett T-format tvärsnitt.
Tvärsnitt av tanden (1Е) visar att en tand är sammansatt av tre strukturella regioner: de primära skikten, tandstensregionen och de sekundära skikten. Stenområdet består av fibrer med liten diameter omgivna av ett organiskt skal. Fibrerna är inbäddade i en polykristallin matris som består av magnesiumrika kalcitpartiklar. Diametern på dessa partiklar är cirka 10-20 nm. Forskarna konstaterar att koncentrationen av magnesium inte är enhetlig i hela tanden och ökar mot slutet, vilket ger dess ökade slitstyrka och hårdhet.
Longitudinell sektion (1F) stenområdet på tanden visar förstörelsen av fibrerna, såväl som avulsion, som uppstår på grund av delaminering vid gränsytan mellan fibrerna och det organiska membranet.
Primära plattor är vanligtvis sammansatta av enkelkristaller av kalcit och är placerade på den konvexa ytan av tanden, medan sekundära plattor fyller den konkava ytan.
Avbildad 1G en rad böjda primära plattor kan ses ligga parallellt med varandra. Bilden visar också fibrerna och den polykristallina matrisen som fyller utrymmet mellan plattorna. Kiel (1H) bildar basen av tvärsnittets T-sektion och ökar tandens böjstyvhet.
Nu när vi känner till strukturen hos en rosa sjöborstand måste vi nu ta reda på de mekaniska egenskaperna hos dess komponenter. För detta ändamål utfördes kompressionstester med användning av ett svepelektronmikroskop och nanoindrag*. Nanomekaniska tester involverade prover skurna längs tandens längsgående och tvärgående riktningar.
Nanoindentation* — provning av materialet genom att trycka in ett specialverktyg — en indenter — i provets yta.
Dataanalys visade att den genomsnittliga Youngs modul (E) och hårdhet (H) vid tandspetsen i längd- och tvärriktningen är: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (längsgående) och ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (tvärgående).
Youngs modul* - en fysisk storhet som beskriver ett materials förmåga att motstå spänningar och kompression.
Hårdhet* - egenskapen hos ett material att motstå penetration av en hårdare kropp (intrång).
Dessutom gjordes fördjupningar med cyklisk tilläggsbelastning i längdriktningen för att skapa en visco-plastisk skademodell för stenområdet. På 2А last-förskjutningskurvan visas.
Bild #2
Modulen för varje cykel beräknades baserat på Oliver-Pharr-metoden med användning av avlastningsdata. Intryckningscyklerna visade en monoton minskning i modul med ökande intryckningsdjup (2V). Denna försämring av styvhet förklaras av ansamling av skador (2C) som ett resultat av irreversibel deformation. Det är anmärkningsvärt att utvecklingen av den tredje sker runt fibrerna, och inte genom dem.
De mekaniska egenskaperna hos tandbeståndsdelar utvärderades också med hjälp av kvasistatiska mikropelarkompressionsexperiment. En fokuserad jonstråle användes för att producera mikrometerstora pelare. För att utvärdera bindningsstyrkan mellan de primära plattorna på den konvexa sidan av tanden, tillverkades mikropelare med en sned orientering i förhållande till den normala gränsytan mellan plattorna (2D). I bilden 2Е en mikropelare med ett lutande gränssnitt visas. Och på grafen 2F resultaten av skjuvspänningsmätningar visas.
Forskare noterar ett intressant faktum - den uppmätta elasticitetsmodulen är nästan hälften av intryckningstesterna. Denna diskrepans mellan indragnings- och kompressionstester har också noterats för tandemaljen. För närvarande finns det flera teorier som förklarar denna avvikelse (från miljöpåverkan under tester till provkontamination), men det finns fortfarande inget tydligt svar på frågan om varför avvikelsen uppstår.
Nästa steg i studien av sjöborrars tänder var slitagetester som utfördes med ett svepelektronmikroskop. Tanden limmades på en speciell hållare och pressades mot ett ultrananokristallint diamantsubstrat (3А).
Bild #3
Forskarna noterar att deras version av slitagetestet är motsatsen till vad som vanligtvis görs, där en diamantspets pressas in i ett underlag av materialet som testas. Förändringar i slitagetesttekniker möjliggör en bättre förståelse av egenskaperna hos tandens mikrostrukturer och komponenter.
Som vi kan se på bilderna börjar det bildas spån när den kritiska belastningen uppnås. Det är värt att tänka på att kraften från "bett" av Aristoteles lykta i sjöborrar varierar beroende på arten från 1 till 50 newton. I testet användes en kraft från hundratals mikronewton till 1 newton, d.v.s. från 1 till 5 newton för hela den aristoteliska lyktan (eftersom det finns fem tänder).
Avbildad 3B(i) synliga fina partiklar (röd pil) som bildas till följd av slitage på stenområdet. När stenområdet slits och drar ihop sig kan sprickor i gränsytan mellan plattorna utvecklas och fortplantas på grund av tryck-skjuvbelastning och spänningsackumulering i kalcitplattans område. Bilder 3B(ii) и 3B(iii) visa platser där fragment bröts av.
Som jämförelse genomfördes två typer av slitageexperiment: med en konstant belastning motsvarande sträckstart (WCL) och med en konstant belastning motsvarande sträckgränsen (WCS). Som ett resultat erhölls två typer av tandslitage.
Bärtestvideo:
Steg I
Steg II
Steg III
Steg IV
Under konstant belastning observerades komprimering av området i WCL-testet, men ingen flisning eller annan skada på plattorna observerades (4A). Men i WCS-testet, när normalkraften ökades för att hålla den nominella kontaktspänningen konstant, observerades flisning och förlust av plattor (4V).
Bild #4
Dessa observationer bekräftas av grafen (4S) mätningar av kompressionsarean och volymen av flisade plattor beroende på glidlängden (av provet på diamanten under testet).
Denna graf visar också att i fallet med WCL bildas inte chips även om glidavståndet är större än i fallet med WCS. Besiktning av hoptryckta och spånade plåtar för 4V gör det möjligt för oss att bättre förstå den självslipande mekanismen hos sjöborrars tänder.
Arean av det komprimerade området av stenen ökar när plattan bryts loss, vilket tar bort en del av det komprimerade området [4B (iii-v)]. Mikrostrukturella egenskaper som bindningen mellan sten och plattor underlättar denna process. Mikroskopi visade att fibrerna i tandstensområdet krökte och penetrerade genom plattskikten i den konvexa delen av tanden.
På diagrammet 4S ett hopp i volym av det avhuggna området är synligt när den nya plattan lossas från tanden. Det är konstigt att det i samma ögonblick sker en kraftig minskning av bredden på det tillplattade området (4D), vilket indikerar en självvässande process.
Enkelt uttryckt visade dessa experiment att när en konstant normal (inte kritisk) belastning upprätthålls under slitagetester, blir spetsen matt medan tanden förblir vass. Det visar sig att igelkottars tänder slipas under användning, om belastningen inte överstiger kritisk, annars kan skador (spån) uppstå snarare än skärpning.
Bild #5
För att förstå rollen av tandmikrostrukturer, deras egenskaper och deras bidrag till den självslipande mekanismen, genomfördes en ickelinjär finita elementanalys av slitageprocessen (5А). För att göra detta användes fotografier av ett längsgående snitt av tandspetsen, som fungerade som grund för en tvådimensionell modell bestående av sten, plattor, köl och gränssnitt mellan plattor och sten.
Изображения 5B-5H är konturplottar av von Mises-kriteriet (plasticitetskriteriet) vid kanten av sten- och hällområdet. När en tand trycks ihop genomgår stenen stora viskoplastiska deformationer, samlar på sig skador och drar ihop sig (”planar till”) (5B и 5C). Ytterligare kompression orsakar ett skjuvband i stenen, där mycket av den plastiska deformationen och skadorna ackumuleras, vilket sliter av en del av stenen, vilket gör att den kommer i direkt kontakt med underlaget (5D). Sådan stenfragmentering i denna modell motsvarar experimentella observationer (trasiga fragment på 3B(i)). Kompression orsakar också delaminering mellan plattorna eftersom gränssnittselementen utsätts för blandade belastningar, vilket resulterar i dekohesion (delaminering). När kontaktytan ökar ökar kontaktspänningarna, vilket orsakar sprickinitiering och fortplantning vid gränssnittet (5B-5E). Förlust av vidhäftning mellan plattorna ökar böjningen som gör att den yttre plattan lossnar.
Repning förvärrar gränssnittsskador, vilket leder till att wafern tas bort när wafern/skivorna genomgår klyvning (där sprickor avviker från gränssnittet och tränger in i wafern, 5G). När processen fortsätter lossnar fragment av plattan från tandspetsen (5H).
Intressant nog förutsäger modelleringen mycket exakt flisning i både sten- och plåtområdena, vilket forskare redan har märkt under observationer (3B и 5I).
För en mer detaljerad bekantskap med studiens nyanser rekommenderar jag att titta på и till honom.
Epilog
Detta arbete bekräftade återigen att evolutionen inte var särskilt gynnsam för mänskliga tänder. Allvarligt talat, i sin studie kunde forskare undersöka i detalj och förklara den självskärpande mekanismen för sjöborres tänder, som är baserad på tandens ovanliga struktur och den korrekta belastningen på den. Plattorna som täcker igelkottstanden skalar av under en viss belastning, vilket hjälper till att hålla tanden vass. Men det betyder inte att sjöborrar kan krossa stenar, för när kritiska belastningsindikatorer nås bildas sprickor och spån på tänderna. Det visar sig att principen "du har styrka, du behöver inte intelligens" verkligen inte skulle ge någon fördel.
Man skulle kunna tro att att studera tänderna hos invånarna i djuphavet inte ger någon nytta för människor, förutom att tillfredsställa omättlig mänsklig nyfikenhet. Men kunskapen från denna forskning kan tjäna som grund för skapandet av nya typer av material som kommer att ha egenskaper som liknar igelkottens tänder - slitstyrka, självslipande på materialnivå utan extern hjälp och hållbarhet.
Hur som helst, naturen döljer många hemligheter som vi ännu inte har avslöjat. Kommer de att vara användbara? Kanske ja, kanske inte. Men ibland, även i den mest komplexa forskningen, är det ibland inte destinationen som är viktig, utan själva resan.
Fredag off-top:
Undervattens gigantiska kelpskogar fungerar som en samlingsplats för sjöborrar och andra ovanliga havsdjur. (BBC Earth, voice-over av David Attenborough).
Tack för att du läser, håll dig nyfiken och ha en trevlig helg grabbar! 🙂
Tack för att du stannar hos oss. Gillar du våra artiklar? Vill du se mer intressant innehåll? Stöd oss genom att lägga en beställning eller rekommendera till vänner, 30 % rabatt för Habr-användare på en unik analog av nybörjarservrar, som uppfanns av oss för dig: (tillgänglig med RAID1 och RAID10, upp till 24 kärnor och upp till 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gånger billigare? Bara här i Nederländerna! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - från $99! Läs om
Källa: will.com