人们最常将有关牙齿的话题与龋齿、牙套和穿着白大褂的虐待狂联系起来，他们只梦想用你的牙齿制作珠子。 但抛开笑话不谈，因为没有牙医和既定的口腔卫生规则，你我只能用吸管吃碎土豆和汤。 这一切都归咎于进化，进化使我们远没有最耐用的牙齿，而且牙齿也不会再生，这可能让牙科行业的代表感到非常高兴。 如果我们谈论野生动物代表的牙齿，那么雄伟的狮子、嗜血的鲨鱼和极其积极的鬣狗立即浮现在脑海中。 然而，尽管它们的下巴力量很大，但它们的牙齿却没有海胆的牙齿那么惊人。 是的，这块水下的针头，如果你踩到它，可能会毁掉你假期的大部分时间，但它有相当好的牙齿。 当然，他们的数量并不多，只有五个，但他们却各有特色，能够磨砺自己。 科学家是如何发现这个特征的，这个过程到底是如何发生的，它对人们有什么帮助？ 我们从课题组的报告中了解到这一点。 去。
研究基础
首先，有必要了解一下这项研究的主角——Strongylocentrotus fragilis，或者用人类的话来说，是粉红色的海胆。 这种海胆与其他海胆没有太大区别，只是形状更扁平，颜色更迷人。 它们生活在很深的地方（100 m 到 1 km），直径可达 10 cm。
海胆的“骨架”，呈现五射线对称性。
海胆，虽然听起来很刺耳，但也有对与错。 前者具有几乎完美的圆形体形，具有明显的五射线对称性，而后者则更加不对称。
当你看到海胆时，首先映入眼帘的是它覆盖全身的刺。 不同物种的针可以从2毫米到30厘米不等。除了针之外，身体还有球状体（平衡器官）和花蒂（类似镊子的突起）。
所有五颗牙齿在中心都清晰可见。
画海胆必须先倒立，因为它的嘴位于身体的下部，而其他的开口都在上部。 海胆的嘴里装有一个咀嚼器，它的学名很美“亚里士多德灯笼”（亚里士多德首先描述了这种器官，并将其形状比作古董手提灯笼）。 该器官配备有五个颚，每个颚的末端都有锋利的牙齿（正在检查的粉红刺猬的亚里士多德灯笼如下图 1C 所示）。
有一种假设认为，海胆牙齿的耐用性是通过其不断磨砺来确保的，这是通过逐渐破坏牙齿的矿化板以保持远端表面的锋利度来实现的。
但这个过程到底是如何进行的，哪些牙齿需要磨利，哪些不需要，以及这个重要的决定是如何做出的？ 科学家们试图寻找这些问题的答案。
研究结果
图片#1
在揭示海胆的牙齿秘密之前，我们先来看看它们牙齿的整体结构。
图片中 1А - 1S 该研究的主角是一只粉红色的海胆。 与其他海胆一样，该物种的代表从海水中获取矿物质成分。 在骨骼元素中，牙齿高度矿化（99%），方解石富含镁。
正如我们之前讨论的，刺猬用牙齿刮食物。 但除此之外，它们还用牙齿为自己挖洞，以躲避捕食者或恶劣天气。 鉴于牙齿的这种不寻常的用途，后者必须非常坚固和锋利。
在图像上 1D 显示了整个牙齿的一部分的显微计算机断层扫描，显示牙齿是沿着具有 T 形横截面的椭圆曲线形成的。
齿的横截面（1E）显示牙齿由三个结构区域组成：初级牙板、牙石区域和次级牙板。 石头区域由被有机壳包围的小直径纤维组成。 纤维嵌入由富镁方解石颗粒组成的多晶基质中。 这些颗粒的直径约为10-20 nm。 研究人员指出，镁的浓度在整个牙齿中并不均匀，并向末端增加，这提高了牙齿的耐磨性和硬度。
纵切面 （1F）牙齿的结石区域显示出纤维的破坏以及撕脱，这是由于纤维和有机膜界面处的分层而发生的。
初级板通常由方解石单晶组成，位于牙齿的凸面，而次级板则填充凹面。
在图片中 1G 可以看到一系列弯曲的主板彼此平行放置。 该图像还显示了填充板之间空间的纤维和多晶基质。 基尔（1H) 形成横截面 T 形截面的基础并增加齿的弯曲刚度。
现在我们知道了粉红色海胆牙齿的结构，现在我们需要弄清楚其部件的机械特性。 为此，使用扫描电子显微镜和 纳米压痕*。 纳米力学测试涉及沿牙齿的纵向和横向切割的样品。
纳米压痕* — 通过将特殊工具（压头）压入样品表面来测试材料。
数据分析表明，齿尖纵向和横向的平均杨氏模量（E）和硬度（H）分别为：EL=77.3±4,8GPa，HL=4.3±0.5GPa（纵向）和ET=70.2±7.2 GPa，HT = 3,8 ± 0,6 GPa（横向）。
杨氏模量* - 描述材料抵抗拉伸和压缩能力的物理量。
硬度* - 材料抵抗较硬物体（压头）穿透的特性。
此外，在纵向方向上制作具有循环附加载荷的压痕，以创建石材区域的粘塑性损伤模型。 在 2А 显示了载荷-位移曲线。
图片#2
每个循环的模量是根据 Oliver-Pharr 方法使用卸载数据计算的。 压痕循环显示模量随着压痕深度的增加单调下降（2V）。 这种刚度的恶化可以通过损伤的累积来解释（2C）作为不可逆变形的结果。 值得注意的是，第三个的发展发生在纤维周围，而不是通过它们。
还使用准静态微柱压缩实验评估了牙齿成分的机械性能。 使用聚焦离子束来生产微米尺寸的柱子。 为了评估牙齿凸侧主板之间的粘合强度，微柱的制造相对于板之间的法线界面呈倾斜方向（2D）。 图片中 2E 显示了具有倾斜界面的微柱。 并在图表上 2F 显示了剪切应力测量的结果。
科学家们注意到一个有趣的事实——测得的弹性模量几乎是压痕测试的一半。 牙釉质也注意到了压痕和压缩测试之间的差异。 目前，有几种理论可以解释这种差异（从测试过程中的环境影响到样本污染），但对于为什么会出现这种差异的问题仍然没有明确的答案。
海胆牙齿研究的下一步是使用扫描电子显微镜进行磨损测试。 牙齿被粘在一个特殊的支架上，并压在超纳米晶金刚石基底上（3А).
图片#3
科学家们指出，他们的磨损测试版本与通常所做的相反，通常将金刚石尖端压入被测试材料的基材中。 磨损测试技术的变化可以更好地了解牙齿的微观结构和组件的特性。
正如我们在图片中看到的，当达到临界负载时，切屑开始形成。 值得考虑的是，亚里士多德灯笼对海胆的“咬合”力因种类而异，从 1 到 50 牛顿不等。 在测试中，使用了数百微牛顿至1牛顿的力，即整个亚里士多德灯笼的压力为 1 到 5 牛顿（因为有五个齿）。
在图片中 3B(一) 由于石材区域磨损而形成可见的细小颗粒（红色箭头）。 当石材区域磨损和收缩时，由于方解石板区域的压剪载荷和应力累积，板之间的界面处的裂纹会发展和扩展。 图片 3B(二) и 3B(三) 显示碎片断裂的地方。
为了进行比较，进行了两种类型的磨损实验：对应于屈服开始 (WCL) 的恒定负载和对应于屈服应力 (WCS) 的恒定负载。 结果，获得了两种类型的齿磨损。
佩戴测试视频：
阶段I
第二阶段
第三阶段
第四阶段
在恒定负载下，WCL 测试中观察到该区域的压缩，但未观察到板的碎裂或其他损坏（4A）。 但在WCS测试中，当增加法向力以保持标称接触应力恒定时，会观察到板的碎裂和损失（4V).
图片#4
这些观察结果由图表证实（4S）根据滑动长度（测试期间样品在金刚石上）测量碎裂板的压缩面积和体积。
该图还表明，在WCL的情况下，即使滑动距离比WCS的情况大，也不会形成切屑。 压缩板和缺口板的检查 4V 让我们更好地了解海胆牙齿的自锐机制。
石料受压区域的面积随着板材脱离而增大，去除部分受压区域 [4B(三-五)]。 微观结构特征，例如石头和板之间的结合，促进了这一过程。 显微镜检查显示，牙石区域的纤维弯曲并穿透了牙齿凸部的层层板。
在图表上 4S 当新板与牙齿分离时，可以看到缺口区域的体积增加。 奇怪的是，在同一时刻，平坦区域的宽度急剧减小（4D），这表示一个自锐过程。
简而言之，这些实验表明，当在磨损测试期间保持恒定的正常（非关键）负载时，尖端会变钝，而齿仍然锋利。 事实证明，刺猬的牙齿在使用过程中会被磨利，如果负载不超过临界值，否则可能会发生损坏（碎裂）而不是磨利。
图片#5
为了了解牙齿微观结构的作用、它们的特性以及它们对自锐机制的贡献，对磨损过程进行了非线性有限元分析（5А）。 为此，使用了齿尖纵向截面的照片，该照片作为由石头、板、龙骨以及板和石头之间的界面组成的二维模型的基础。
商品图片 5B–5H 是石头和板区域边缘的冯·米塞斯准则（塑性准则）的等高线图。 当牙齿受到压缩时，结石会发生较大的粘塑性变形，累积损伤并收缩（“变平”）（5B и 5C）。 进一步的压缩会在石材中形成剪切带，大量塑性变形和损坏会在此处累积，从而撕掉部分石材，使其与基材直接接触（5D）。 该模型中的这种石头碎片对应于实验观察（ 3B(一)）。 当界面元件承受混合载荷时，压缩还会导致板之间分层，从而导致脱聚（分层）。 随着接触面积的增加，接触应力增加，导致界面处裂纹萌生和扩展（5B - 5E）。 板之间的粘附力丧失会增加弯曲，导致外板分离。
刮擦会加剧界面损坏，导致晶圆在发生劈裂时被移除（裂纹偏离界面并渗透到晶圆中， 5G）。 随着这个过程的继续，板的碎片会从齿尖上脱落（5H).
有趣的是，该模型非常准确地预测了石头和板材区域的碎裂，科学家在观察过程中已经注意到了这一点（3B и 5I).
为了更详细地了解这项研究的细微差别，我建议查看 и 对他
结语
这项工作再次证实进化对人类的牙齿不太有利。 说真的，在他们的研究中，科学家们能够详细检查并解释海胆牙齿的自锐机制，该机制基于牙齿的不寻常结构和正确的负载。 覆盖刺猬牙齿的金属板在一定负载下会剥落，这有助于保持牙齿锋利。 但这并不意味着海胆可以碎石，因为当达到临界负荷指标时，牙齿上会形成裂纹和碎片。 事实证明，“你有实力，不需要智力”的原则肯定不会带来任何好处。
人们可能会认为，研究深海居民的牙齿除了满足人类永不满足的好奇心之外，不会给人类带来任何好处。 然而，从这项研究中获得的知识可以作为创造新型材料的基础，这些材料将具有类似于刺猬牙齿的特性——耐磨性、无需外部辅助即可在材料层面上自锐以及耐用性。
无论如何，大自然隐藏着许多我们尚未揭晓的秘密。 它们有用吗？ 也许是，也许不是。 但有时，即使在最复杂的研究中，有时重要的不是目的地，而是旅程本身。
周五非顶：
水下巨大的海带森林是海胆和其他不寻常海洋生物的聚集地。 （BBC Earth，大卫·阿滕伯勒配音）。
感谢您的阅读，保持好奇心，祝大家周末愉快！ 🙂
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来源： habr.com