Розмови про зуби у людей найчастіше асоціюються з карієсом, брекетами та садистами у білих халатах, які тільки й мріють зробити собі намисто з ваших зубів. Але жарти убік, бо без стоматологів і встановлених правил гігієни за ротовою порожниною ми з вами харчувалися б тільки товченою картоплею і супчиком через трубочку. А всьому виною еволюція, що подарувала нам далеко не найдовговічніші зуби, які ще й не регенерують, що напевно тішить представників стоматологічної індустрії. Якщо ж говорити про зуби у представників дикої природи, то одразу згадуються величні леви, кровожерливі акули та вкрай позитивні гієни. Однак, незважаючи на міць і силу їхніх щелеп, зуби у них не такі дивовижні, як зуби морських їжаків. Так, ця грудка голок під водою, наступивши на який ви можете зіпсувати собі добру частину відпустки, має цілком собі непогані зубки. Їх, звичайно, небагато, всього п'ять, але вони по-своєму унікальні і здатні загострювати себе самі. Як вчені виявили таку особливість, як саме відбувається цей процес і як це може допомогти людям? Про це ми дізнаємось із доповіді дослідницької групи. Поїхали.
Основа дослідження
Насамперед варто ближче познайомитися з головним героєм дослідження — Strongylocentrotus fragilis, людською мовою, з рожевим морським їжаком. Цей вид морських їжаків не особливо відрізняється від інших своїх побратимів, за винятком більш плескатої по полюсах форми та гламурного забарвлення. Мешкають вони досить глибоко (від 100 м-коду до 1 км), а виростають вони до 10 см в діаметрі.
«Скелет» морського їжака, яким видно п'ятипроменева симетрія.
Морські їжаки бувають, як грубо це не звучало, правильними і неправильними. Перші мають практично ідеально круглу форму тіла з вираженою пятилучевой симетрією, другі ж асиметричні.
Перше, що впадає у вічі побачивши морського їжака, це його голки, що покривають усе тіло. У різних видів голки можуть бути від 2 мм до 30 см. Крім голок на тілі є сферидії (органи рівноваги) і педицелярії (відростки, нагадують щипці).
У центрі виразно видно всі п'ять зубів.
Щоб зобразити морського їжака, необхідно спершу стати з ніг на голову, тому що ротовий отвір у нього розташований на нижній частині тіла, а ось інші отвори - на верхній. Рот морських їжаків оснащений жувальним апаратом з гарною науковою назвою «арістотелів ліхтар» (саме Аристотель першим описав цей орган і порівняв його формою з античним переносним ліхтарем). Цей орган оснащений п'ятьма щелепами, кожна з яких закінчується гострим зубом (арістотелів ліхтар досліджуваного рожевого їжака показаний на знімку 1С нижче).
Є припущення, що довговічність зубів морських їжаків забезпечується їх постійним заточуванням, що відбувається шляхом поетапного руйнування мінералізованих пластин зуба підтримки гостроти дистальної поверхні.
Але як саме цей процес протікає, які зуби потрібно заточувати, а які ні, і як це важливе рішення ухвалюється? На ці запитання вчені намагалися знайти відповіді.
Результати дослідження
Зображення №1
Перед тим, як розкривати дентальні секрети морських їжаків, розглянемо структуру їхніх зубів загалом.
На знімках 1А-1С показаний герой дослідження - рожевий морський їжак. Як і інші морські їжаки, представники цього виду одержують свої мінеральні компоненти з морської води. Серед скелетних елементів зуби дуже мінералізовані (на 99%) кальцитом, збагаченим магнієм.
Як ми вже обговорювали раніше, свої зуби їжаки використовують для зіскаблюючи їжі. Але, крім цього, вони за допомогою зубів копають собі нори, в яких ховаються від хижаків або він негоди. Враховуючи таке незвичайне застосування зубів, останні мають бути вкрай міцними та гострими.
На зображенні 1D показана мікрокомп'ютерна томографія сегмента цілого зуба, що дає зрозуміти, що зуб сформований вздовж еліптичної кривої з Т-подібним поперечним перерізом.
Поперечний переріз зуба (1Е) показує, що зуб складається з трьох структурних областей: первинних пластин, кам'яної області та вторинних пластин. Кам'яна область складається з волокон невеликого діаметра, оточених органічною оболонкою. Волокна укладені в полікристалічну матрицю, що складається з частинок кальциту, багатого на магній. Діаметр цих частинок становить близько 10-20 нм. Дослідники відзначають, що концентрація магнію неоднорідна по всьому зубу і збільшується ближче до кінця, що забезпечує його підвищену зносостійкість і твердість.
Поздовжній перетин (1F) кам'яної області зуба показує руйнування волокон, а також відрив, який відбувається через відшарування на межі волокон та органічної оболонки.
Первинні пластини зазвичай складаються з монокристалів кальциту і розташовані на опуклій поверхні зуба, тоді як вторинні пластини заповнюють увігнуту поверхню.
на знімку 1G можна побачити масив вигнутих первинних пластин, що лежать паралельно одна одній. Зображення також показує волокна та полікристалічну матрицю, що заповнює простір між пластинами. Кіль (1H) формує основу поперечного Т-перетину і збільшує жорсткість зуба при згинанні.
Якщо ми знаємо, якою структурою має зуб рожевого морського їжака, потрібно тепер з'ясувати механічні властивості його компонентів. Для цього були проведені тести на стиск із застосуванням растрового електронного мікроскопа та методу наноіндентування*. У наномеханічних випробуваннях брали участь зразки, зрізані вздовж поздовжньої та поперечної орієнтацій зуба.
Наноіндентування* - Перевірка матеріалу методом вдавлювання в поверхню зразка спеціального інструменту - індентора.
Аналіз даних показав, що середній модуль Юнга (E) та твердість (H) на кінчику зуба в поздовжньому та поперечному напрямках становлять: EL = 77.3 ± 4,8 ГПа, HL = 4.3 ± 0.5 ГПа (подовжнє) та ET = 70.2 ± 7.2 ГПа, HT = 3,8±0,6 ГПа (поперечне).
Модуль Юнг* - фізична величина, що описує здатність матеріалу чинити опір розтягуванню і стиску.
Твердість* - Якість матеріалу чинити опір впровадженню більш твердого тіла (індентора).
Крім цього в поздовжньому напрямку були виконані поглиблення з циклічним додатковим навантаженням, щоб створити модель в'язко-пластичного пошкодження кам'яної області. на 2А показано криву навантаження-зміщення.
Зображення №2
Модуль для кожного циклу розрахований на основі методу Олівера-Фарра з використанням даних розвантаження. Цикли вдавлювання показали монотонне зменшення модуля зі збільшенням глибини вдавлювання (2В). Подібне погіршення жорсткості пояснюється накопиченням ушкоджень (2C) внаслідок незворотної деформації. Примітно, що третій розвиток відбувається навколо волокон, а не через них.
Механічні властивості складових зубів були також оцінені за допомогою експериментів квазістатичного стиснення мікростовпів. Для виготовлення стовпів мікрометрового розміру використовувався іонний фокусований пучок. Для оцінки міцності з'єднання між первинними пластинами на опуклій стороні зуба, були виготовлені мікростовпи з похилою орієнтацією щодо нормального інтерфейсу між пластинами (2D). На знімку 2Е показаний мікростовп з похилим інтерфейсом. А на графіку 2F показані результати виміру напруги зсуву.
Вчені відзначають цікавий факт - виміряний модуль пружності майже вдвічі менший, ніж при випробуваннях на вдавлювання. Така невідповідність між тестами на вдавлювання та стиск також відзначається і для зубної емалі. На даний момент існує кілька теорій, що пояснюють цю невідповідність (від впливу навколишнього середовища під час тестів до забруднення зразків), проте поки немає чіткої відповіді на питання, чому невідповідність має місце.
Наступним етапом дослідження зубів морського їжака стали тести на зношування, що проводяться за допомогою растрового електронного мікроскопа. Зуб приклеювався до спеціального тримача і притискався до підкладки з ультрананокристалічного алмазу (3А).
Зображення №3
Вчені відзначають, що їхній варіант тесту на знос протилежний тим, що зазвичай проводяться, коли наконечник з алмазу вдавлюється в підкладку з матеріалу, що досліджується. Зміни в методиці проведення тесту на зношування дозволяють краще вивчити властивості мікроструктур і складових зуба.
Як ми можемо бачити на знімках, при досягненні критичного навантаження починають утворюватися сколи. Варто врахувати, що сила «укусу» аристотелева ліхтаря у морських їжаків варіюється в залежності від виду від 1 до 50 ньютонів. У тесті застосовувалася сила від сотень мікроньютонів до 1 ньютона, тобто. від 1 до 5 ньютонів для всього арістотелевого ліхтаря (бо п'ять зубів).
на знімку 3В(i) видно дрібні частинки (червона стрілка), що утворилися в результаті зношування області каменю. Оскільки область каменю зношується і стискається, тріщини на інтерфейсах між пластинами можуть виникати і поширюватися внаслідок навантаження стиснення-зсуву та накопичення напруги в області пластин кальциту. Знімки 3В(ii) и 3В(iii) показують місця, де фрагменти відкололися.
Для порівняння було проведено два типи експериментів на зношування: з постійним навантаженням, що відповідає початку плинності (WCL), і з постійним навантаженням, що відповідає межі плинності (WCS). В результаті було отримано два варіанти зношування зуба.
Відео тестів на знос:
Етап I
Етап II
Етап III
Етап IV
У разі постійного навантаження в тесті WCL спостерігалося стиснення області, проте сколів або інших пошкоджень пластин не було помічено (4A). А ось у тесті WCS, коли нормальне зусилля було збільшено для підтримки номінальної контактної напруги постійним, спостерігалися сколи та випадання пластин (4В).
Зображення №4
Ці спостереження підтверджуються графіком (4С) вимірювань площі стиснення та обсягу сколотих пластин залежно від довжини ковзання (зразка по алмазу під час тесту).
Цей графік показує ще й те, що у разі WCL сколи не утворюються навіть якщо відстань ковзання більша, ніж у випадку WCS. Огляд стислих та сколотих пластин на 4В дозволяє краще зрозуміти механізм самозаточення зубів морського їжака.
Площа стиснутої області каменю збільшується, оскільки пластина відколюється, що призводить до видалення частини стиснутої області [4B (iii-v)]. Мікроструктурні особливості, такі як зв'язок між каменем та плитами, полегшують цей процес. Мікроскопія показала, що волокна в кам'яній ділянці згинаються і проникають крізь шари пластин у опуклій частині зуба.
На графіку 4С видно стрибок обсягу сколотої області, коли нова пластина від'єднується від зуба. Цікаво, що в цей момент відбувається різке зменшення ширини сплющеної області (4D), що свідчить про процес самозагострення.
Простіше кажучи, дані експерименти показали, що під час підтримки постійного нормального (не критичного) навантаження під час тестів на зношування відбувається затуплення наконечника, тоді як зуб залишається гострим. Виходить, що зуби їжаків заточуються під час використання, якщо навантаження не перевищує критичного, інакше можуть утворитися пошкодження (сколи), а не заточування.
Зображення №5
Щоб зрозуміти роль мікроструктур зуба, їх властивостей та їхнього вкладу в механізм самозаточування, було проведено нелінійний аналіз процесу зносу методом кінцевих елементів (5А). Для цього були використані знімки поздовжнього розрізу кінчика зуба, які стали основою двовимірної моделі, що складається з каменю, пластин, кіля та інтерфейсів між пластинами та каменем.
Зображення 5B-5H - Це контурні графіки критерію Мізеса (критерію пластичності) на краю області каменю та плити. Коли зуб стиснутий, камінь зазнає великих в'язкопластичних деформацій, накопичує пошкодження і стискається («сплющується») (5B и 5C). Подальше стиск викликає смугу зсуву в камені, де більша частина пластичної деформації і пошкодження накопичуються, відриваючи частину каменю, призводячи до його прямого контакту з підкладкою (5D). Така фрагментація каменю в даній моделі відповідає експериментальним спостереженням (відколоті фрагменти на 3B(i)). Стиснення також призводить до розшаровування між пластинами, оскільки елементи інтерфейсу піддаються змішаному навантаженню, що призводить до декогезії (відшарування). У міру збільшення контактної області, контактна напруга наростає, викликаючи зародження і розповсюдження тріщини на інтерфейсі (5B-5E). Втрата зчеплення між пластинами посилює згин, при якому зовнішня пластина від'єднується.
Дряпання посилює пошкодження інтерфейсу, що призводить до видалення пластини, коли пластини(а) піддаються розщепленню (там, де тріщини відхиляються від інтерфейсу і проникають у пластину, 5G). У міру продовження процесу уламки пластини від'єднуються від наконечника зуба (5H).
Цікаво, що моделювання дуже точно передбачає сколювання як в області каменю, так і в області пластин, що вченими вже було помічено під час спостережень (3B и 5I).
Для більш детального ознайомлення з нюансами дослідження рекомендую заглянути у и до нього.
Епілог
Ця праця вкотре підтвердила, що еволюція була не дуже прихильна до зубів людини. Якщо серйозно, у своєму дослідженні вчені змогли детально розглянути та пояснити механізм самозаточення зубів морських їжаків, в основі якого лежить незвичайна структура зуба та правильне навантаження на нього. Пластини, що покривають зуб їжака, відшаровуються при певному навантаженні, що дозволяє зберігати зуб гострим. Але це не означає, що морські їжаки можуть дробити каміння, бо при досягненні критичних показників навантаження на зубах утворюються тріщини та сколи. Виходить, принцип «сила є, розуму не треба» точно не приніс би ніякої користі.
Можна подумати, що вивчення зубів мешканців морських глибин не несе ніякої користі для людини, крім задоволення ненаситної людської цікавості. Однак отримані в ході цього дослідження знання можуть послужити основою для створення нових типів матеріалів, які будуть подібними до зубів їжаків властивостями - зносостійкість, самостійне заточування на рівні матеріалу без зовнішньої допомоги і довговічність.
Як би там не було, природа таїть чимало секретів, які нам ще належить розкрити. Чи будуть вони корисні? Можливо так, а можливо, і ні. Але часом навіть у найскладніших дослідженнях часом важливий не пункт призначення, а сама подорож.
П'ятничний офф-топ:
Підводні ліси гігантських водоростей є місцем збору морських їжаків та інших незвичайних мешканців океанів. (BBC Earth, голос за кадром - Девід Аттенборо).
Дякую за увагу, залишайтесь цікавими та відмінними всім вихідними, хлопці! 🙂
Дякую, що залишаєтеся з нами. Вам подобаються наші статті? Бажаєте бачити більше цікавих матеріалів? Підтримайте нас, оформивши замовлення або порекомендувавши знайомим, 30% знижка для користувачів Хабра на унікальний аналог entry-level серверів, який був винайдений нами для Вас: (Доступні варіанти з RAID1 і RAID10, до 24 ядер і до 40GB DDR4).
Dell R730xd у 2 рази дешевше? Тільки в нас у Нідерландах! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – від $99! Читайте про те
Джерело: habr.com