İnsanlar çoğunlukla dişlerle ilgili konuşmaları çürükler, diş telleri ve dişlerinizden boncuk yapmayı hayal eden beyaz önlüklü sadistlerle ilişkilendirir. Ama şaka bir yana, çünkü diş hekimleri ve yerleşik ağız hijyeni kuralları olmasaydı, sen ve ben sadece ezilmiş patates ve kamışla çorba yerdik. Ve bunların hepsi, bize en dayanıklı dişlerden çok uzakta olan, aynı zamanda yenilenmeyen, muhtemelen diş endüstrisinin temsilcilerini inanılmaz derecede mutlu eden evrimin suçudur. Yaban hayatı temsilcilerinin dişlerinden bahsedersek, akla hemen görkemli aslanlar, kana susamış köpekbalıkları ve son derece olumlu sırtlanlar gelir. Ancak çenelerinin gücüne ve kuvvetine rağmen dişleri deniz kestanelerinin dişleri kadar muhteşem değildir. Evet, üzerine basarsanız tatilinizin büyük bir kısmını mahvedebilecek su altındaki bu iğne yığınının oldukça sağlam dişleri var. Elbette sayıları çok değil, sadece beşi var, ancak kendi tarzlarında benzersizler ve kendilerini keskinleştirme yeteneğine sahipler. Bilim insanları bu özelliği nasıl keşfetti, bu süreç tam olarak nasıl gerçekleşiyor ve insanlara nasıl yardımcı olabilir? Bunu araştırma grubunun raporundan öğreniyoruz. Gitmek.
Araştırma temeli
Her şeyden önce, çalışmanın ana karakterini - Strongylocentrotus fragilis'i veya insan terimleriyle pembe deniz kestanesini - tanımaya değer. Bu deniz kestanesi türü, daha basık bir şekil ve göz alıcı bir renk dışında diğer benzerlerinden pek farklı değildir. Oldukça derinlerde yaşarlar (100 m'den 1 km'ye kadar) ve çapı 10 cm'ye kadar büyürler.
Beş ışınlı simetri gösteren bir deniz kestanesinin "iskeleti".
Deniz kestaneleri, kulağa ne kadar sert gelse de, doğru ve yanlıştır. İlki, belirgin beş ışınlı simetriye sahip neredeyse mükemmel yuvarlak bir gövde şekline sahipken, ikincisi daha asimetriktir.
Deniz kestanesi gördüğünüzde ilk göze çarpan şey tüm vücudunu kaplayan dikenleridir. Farklı türlerde iğneler 2 mm'den 30 cm'ye kadar olabilir.İğnelere ek olarak vücutta spheridia (denge organları) ve pediseller (forsepsi andıran süreçler) bulunur.
Beş dişin tamamı merkezde açıkça görülmektedir.
Deniz kestanesini tasvir etmek için önce baş aşağı durmanız gerekir, çünkü ağız açıklığı vücudun alt kısmında, diğer açıklıklar ise üst kısımdadır. Deniz kestanelerinin ağzı, güzel bilimsel adı "Aristoteles'in feneri" olan bir çiğneme aparatıyla donatılmıştır (bu organı ilk tanımlayan ve şeklini antika bir taşınabilir fenerle karşılaştıran Aristoteles'ti). Bu organ, her biri keskin bir dişle biten beş çeneyle donatılmıştır (incelenen pembe kirpinin Aristotelesçi feneri aşağıdaki resim 1C'de gösterilmektedir).
Deniz kestanesi dişlerinin dayanıklılığının, distal yüzeyin keskinliğini korumak için dişin mineralize plakalarının kademeli olarak tahrip edilmesiyle meydana gelen sürekli keskinleşmeyle sağlandığı varsayımı vardır.
Peki bu süreç tam olarak nasıl işliyor, hangi dişlerin bilenmesi gerekiyor, hangilerinin gerekmiyor ve bu önemli karar nasıl veriliyor? Bilim insanları bu soruların yanıtlarını bulmaya çalıştı.
Araştırma sonuçları
Resim #1
Deniz kestanelerinin diş sırlarını açıklamadan önce dişlerinin yapısına bir bütün olarak bakalım.
Fotoğraflarda 1A-1S çalışmanın kahramanı gösteriliyor - pembe bir deniz kestanesi. Diğer deniz kestaneleri gibi bu türün temsilcileri de mineral bileşenlerini deniz suyundan alırlar. İskelet elemanları arasında dişler, magnezyum açısından zenginleştirilmiş kalsit ile yüksek oranda (%99) mineralizedir.
Daha önce de belirttiğimiz gibi kirpiler yiyecekleri kazımak için dişlerini kullanırlar. Ancak bunun yanı sıra, yırtıcı hayvanlardan veya kötü hava koşullarından saklanabilecekleri kendileri için delikler kazmak için dişlerini kullanırlar. Dişlerin bu olağandışı kullanımı göz önüne alındığında, ikincisinin son derece güçlü ve keskin olması gerekir.
resim üzerinde 1D Tüm dişin bir bölümünün mikrobilgisayarlı tomografisi, dişin T şeklinde bir kesite sahip eliptik bir eğri boyunca oluştuğunu göstermektedir.
Dişin kesiti (1E), bir dişin üç yapısal bölgeden oluştuğunu gösterir: birincil lamina, diş taşı bölgesi ve ikincil lamina. Taş bölgesi organik bir kabukla çevrelenmiş küçük çaplı liflerden oluşur. Lifler, magnezyum açısından zengin kalsit parçacıklarından oluşan çok kristalli bir matris içine gömülür. Bu parçacıkların çapı yaklaşık 10-20 nm'dir. Araştırmacılar, magnezyum konsantrasyonunun diş boyunca eşit olmadığını ve uca doğru arttığını, bunun da dişin aşınma direncini ve sertliğini arttırdığını belirtiyor.
Boyuna bölüm (1F) dişin taş bölgesi, liflerin tahribatını ve ayrıca liflerin ve organik membranın ara yüzeyindeki delaminasyona bağlı olarak meydana gelen avülsiyonu gösterir.
Birincil plakalar genellikle tek kalsit kristallerinden oluşur ve dişin dışbükey yüzeyinde bulunur, ikincil plakalar ise içbükey yüzeyi doldurur.
Resimde 1G birbirine paralel uzanan bir dizi kavisli birincil plaka görülebilir. Resimde ayrıca plakalar arasındaki boşluğu dolduran fiberler ve polikristalin matris de görülüyor. Kiel (1H) T kesitinin tabanını oluşturur ve dişin bükülme sertliğini arttırır.
Artık pembe deniz kestanesi dişinin yapısını bildiğimize göre, bileşenlerinin mekanik özelliklerini de bulmamız gerekiyor. Bu amaçla taramalı elektron mikroskobu kullanılarak sıkıştırma testleri yapıldı ve nanogirinti*. Nanomekanik testler, dişin uzunlamasına ve enine yönleri boyunca kesilmiş numuneleri içeriyordu.
Nano girinti* - numunenin yüzeyine özel bir alet - bir girinti - bastırılarak malzemenin test edilmesi.
Veri analizi, uzunlamasına ve enine yönlerde diş ucundaki ortalama Young modülü (E) ve sertliğin (H) şöyle olduğunu gösterdi: EL = 77.3 ± 4,8 GPa, HL = 4.3 ± 0.5 GPa (boyuna) ve ET = 70.2 ± 7.2 GPa, HT = 3,8 ± 0,6 GPa (enine).
Gencin modülü* - Bir malzemenin gerilime ve basınca dayanma yeteneğini tanımlayan fiziksel bir nicelik.
Sertlik* - Bir malzemenin daha sert bir cismin (girinti) nüfuzuna direnme özelliği.
Ayrıca taş alan için visko-plastik hasar modeli oluşturmak amacıyla boylamasına yönde döngüsel ek yüklemeli girintiler yapılmıştır. Açık 2A yük-deplasman eğrisi gösterilmiştir.
Resim #2
Her döngünün modülü, boşaltma verileri kullanılarak Oliver-Pharr yöntemine göre hesaplandı. Girinti döngüleri, artan girinti derinliği ile modülde monotonik bir azalma gösterdi (2V). Sertlikteki bu bozulma hasarın birikmesiyle açıklanmaktadır (2C) geri dönüşü olmayan deformasyonun bir sonucu olarak. Üçüncünün gelişiminin liflerin etrafında değil, liflerin etrafında gerçekleşmesi dikkat çekicidir.
Diş bileşenlerinin mekanik özellikleri de yarı statik mikro sütunlu sıkıştırma deneyleri kullanılarak değerlendirildi. Mikrometre boyutunda sütunlar üretmek için odaklanmış bir iyon ışını kullanıldı. Dişin dışbükey tarafındaki birincil plakalar arasındaki bağlanma kuvvetini değerlendirmek için, plakalar arasındaki normal arayüze göre eğik bir oryantasyona sahip mikropiller üretildi.2D). Resimde 2E eğimli bir arayüze sahip bir mikro sütun gösterilmektedir. Ve grafikte 2F kayma gerilimi ölçümlerinin sonuçları gösterilmektedir.
Bilim adamları ilginç bir gerçeğe dikkat çekiyor: ölçülen elastik modül, girinti testlerinin neredeyse yarısı kadardır. Girinti ve sıkıştırma testleri arasındaki bu tutarsızlık, diş minesi için de not edilmiştir. Şu anda bu tutarsızlığı açıklayan çeşitli teoriler mevcut (testler sırasındaki çevresel etkilerden numune kontaminasyonuna kadar), ancak tutarsızlığın neden oluştuğu sorusuna hala net bir cevap yok.
Deniz kestanesi dişlerinin incelenmesinde bir sonraki adım, taramalı elektron mikroskobu kullanılarak gerçekleştirilen aşınma testleriydi. Diş özel bir tutucuya yapıştırıldı ve ultrananokristalin elmas substrata bastırıldı (3A).
Resim #3
Bilim adamları, aşınma testinin, elmas ucunun test edilen malzemenin bir alt tabakasına bastırıldığı tipik olarak yapılanın tam tersi olduğunu belirtiyorlar. Aşınma testi tekniklerindeki değişiklikler, dişin mikro yapılarının ve bileşenlerinin özelliklerinin daha iyi anlaşılmasını sağlar.
Resimlerde görüldüğü gibi kritik yüke ulaşıldığında talaşlar oluşmaya başlar. Aristoteles'in fenerinin deniz kestanelerindeki “ısırığının” kuvvetinin türe bağlı olarak 1 ila 50 Newton arasında değiştiğini düşünmeye değer. Testte yüzlerce mikronewton'dan 1 newton'a kadar bir kuvvet kullanıldı; Aristoteles fenerinin tamamı için 1'den 5 Newton'a kadar (beş diş olduğu için).
Resimde 3B(i) Taş bölgesinde aşınma sonucu oluşan gözle görülür ince parçacıklar (kırmızı ok). Taş alan aşınıp büzüldükçe, kalsit plaka alanındaki basınç-kayma yüklemesi ve gerilim birikimi nedeniyle plakalar arasındaki arayüzlerde çatlaklar gelişebilir ve yayılabilir. Resimler 3B(ii) и 3B(iii) parçaların kırıldığı yerleri gösterin.
Karşılaştırma amacıyla, iki tip aşınma deneyi gerçekleştirildi: akma başlangıcına (WCL) karşılık gelen sabit bir yük ile ve akma gerilimine (WCS) karşılık gelen sabit bir yük ile. Sonuç olarak iki tip diş aşınması elde edildi.
Aşınma testi videosu:
Aşama I
Aşama II
Aşama III
Aşama IV
Sabit yük altında, WCL testinde alanın sıkıştırıldığı gözlemlendi ancak plakalarda herhangi bir ufalanma veya başka bir hasar gözlenmedi (4A). Ancak WCS testinde nominal temas gerilimini sabit tutmak için normal kuvvet artırıldığında plakalarda kırılma ve kayıp gözlemlendi (4V).
Resim #4
Bu gözlemler grafikle doğrulanmaktadır (4S) (test sırasında elmas üzerindeki numunenin) kayma uzunluğuna bağlı olarak yontulmuş plakaların sıkıştırma alanı ve hacminin ölçümleri.
Bu grafik aynı zamanda WCL durumunda, kayma mesafesi WCS durumunda olduğundan daha büyük olsa bile talaşların oluşmadığını da göstermektedir. Sıkıştırılmış ve yontulmuş plakaların muayenesi 4V deniz kestanesi dişlerinin kendiliğinden keskinleşme mekanizmasını daha iyi anlamamızı sağlar.
Plaka kırıldıkça taşın sıkıştırılmış alanının alanı artar ve sıkıştırılmış alanın bir kısmı ortadan kalkar [4B(iii-v)]. Taş ve levhalar arasındaki bağ gibi mikroyapısal özellikler bu süreci kolaylaştırır. Mikroskopi, diş taşı bölgesindeki liflerin kıvrıldığını ve dişin dışbükey kısmındaki plaka katmanlarına nüfuz ettiğini gösterdi.
grafikte 4S Yeni plak dişten ayrıldığında yontulmuş alanın hacminde bir sıçrama gözle görülür. Aynı anda düzleştirilmiş bölgenin genişliğinde keskin bir azalma olması da merak ediliyor (4D), bu da kendi kendini bileme sürecini gösterir.
Basitçe söylemek gerekirse, bu deneyler, aşınma testleri sırasında sabit bir normal (kritik olmayan) yük muhafaza edildiğinde, diş keskin kalırken ucun köreldiğini gösterdi. Yükün kritik değeri aşmaması durumunda kirpi dişlerinin kullanım sırasında keskinleştiği, aksi takdirde keskinleşme yerine hasar (talaş) meydana gelebileceği ortaya çıktı.
Resim #5
Diş mikro yapılarının rolünü, özelliklerini ve kendiliğinden bilenme mekanizmasına katkılarını anlamak için aşınma sürecinin doğrusal olmayan sonlu elemanlar analizi gerçekleştirildi (5A). Bunu yapmak için, taş, plakalar, omurga ve plakalar ile taş arasındaki arayüzlerden oluşan iki boyutlu bir modelin temelini oluşturan diş ucunun uzunlamasına kesitinin fotoğrafları kullanıldı.
Görüntü 5B-5H von Mises kriterinin (plastisite kriteri) taş ve döşeme bölgesinin kenarındaki kontur grafikleridir. Diş sıkıştırıldığında taş büyük viskoplastik deformasyonlara uğrar, hasar birikir ve büzülür (“düzleşir”) (5B и 5C). Daha fazla sıkıştırma, taşta bir kayma bandına neden olur ve burada plastik deformasyonun ve hasarın büyük bir kısmı birikerek taşın bir kısmını koparır ve alt tabaka ile doğrudan temasa sokar.5D). Bu modeldeki bu tür taş parçalanması deneysel gözlemlere karşılık gelir (kırık parçalar 3B(i)). Sıkıştırma aynı zamanda arayüz elemanları karışık yüklere maruz kaldığından plakalar arasında delaminasyona neden olur ve bu da kohezyon (delaminasyon) ile sonuçlanır. Temas alanı arttıkça temas gerilmeleri artar ve arayüzde çatlağın başlamasına ve yayılmasına neden olur.5B-5E). Plakalar arasındaki yapışma kaybı, dış plakanın ayrılmasına neden olan bükülmeyi artırır.
Çizilme, arayüz hasarını şiddetlendirerek, levha(lar) yarılmaya uğradığında (çatlakların arayüzden saptığı ve levhanın içine nüfuz ettiği) levhanın çıkarılmasına yol açar. 5G). İşlem devam ettikçe plak parçaları dişin ucundan ayrılır (5H).
İlginç bir şekilde, modelleme, bilim adamlarının gözlemler sırasında zaten fark ettiği, hem taş hem de plaka alanlarındaki kırılmayı çok doğru bir şekilde tahmin ediyor (3B и 5I).
Çalışmanın nüansları hakkında daha ayrıntılı bilgi için, şuna bakmanızı tavsiye ederim: и ona.
Sonuç bölümü
Bu çalışma, evrimin insan dişleri için pek de elverişli olmadığını bir kez daha doğruladı. Ciddi anlamda bilim insanları, yaptıkları çalışmada deniz kestanesi dişlerinin, dişin alışılmadık yapısına ve üzerine gelen doğru yüke dayanan kendi kendine bilenme mekanizmasını detaylı bir şekilde inceleyip açıklamayı başardılar. Kirpi dişini kaplayan plakalar belirli bir yük altında soyulur ve bu da dişin keskin kalmasına yardımcı olur. Ancak bu, deniz kestanelerinin taşları kırabileceği anlamına gelmez çünkü kritik yük göstergelerine ulaşıldığında dişlerde çatlaklar ve talaşlar oluşur. “Gücün var, zekaya ihtiyacın yok” ilkesinin kesinlikle bir fayda sağlayamayacağı ortaya çıktı.
Derin deniz sakinlerinin dişlerini incelemenin, doyumsuz insan merakını gidermek dışında insana hiçbir fayda sağlamadığı düşünülebilir. Bununla birlikte, bu araştırmadan elde edilen bilgiler, kirpi dişlerine benzer özelliklere sahip olacak yeni malzeme türlerinin oluşturulmasına temel oluşturabilir: aşınma direnci, dış yardım olmadan malzeme düzeyinde kendiliğinden bilenme ve dayanıklılık.
Öyle olsa da, doğa bizim henüz açığa çıkaramadığımız birçok sırrı saklıyor. Yararlı olacaklar mı? Belki evet, belki değil. Ancak bazen, en karmaşık araştırmalarda bile önemli olan varılacak yer değil, yolculuğun kendisidir.
Cuma kapalı:
Sualtı dev yosun ormanları, deniz kestaneleri ve diğer sıra dışı okyanus canlıları için bir toplanma yeri görevi görüyor. (BBC Earth, seslendirme: David Attenborough).
İzlediğiniz için teşekkürler, merakla kalın ve herkese harika bir hafta sonu geçirin! 🙂
Bizimle kaldığın için teşekkürler. Yazılarımızı beğeniyor musunuz? Daha ilginç içerik görmek ister misiniz? Sipariş vererek veya arkadaşlarınıza tavsiye ederek bize destek olun, Habr kullanıcıları için, bizim tarafımızdan sizin için icat ettiğimiz benzersiz bir giriş seviyesi sunucu analogunda %30 indirim: (RAID1 ve RAID10, 24 adede kadar çekirdek ve 40 GB'a kadar DDR4 ile mevcuttur).
Dell R730xd 2 kat daha mı ucuz? Sadece burada Hollanda'da! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99$'dan! Hakkında oku
Kaynak: habr.com