人們最常將有關牙齒的話題與齲齒、牙套和穿著白大褂的虐待狂聯繫起來，他們只夢想用你的牙齒製作珠子。 但拋開笑話不談，因為沒有牙醫和既定的口腔衛生規則，你我只能用吸管吃碎馬鈴薯和湯。 這一切都歸咎於演化，進化使我們遠遠沒有最耐用的牙齒，而且牙齒也不會再生，這可能會讓牙科行業的代表感到非常高興。 如果我們談論野生動物代表的牙齒，那麼雄偉的獅子、嗜血的鯊魚和極其積極的鬣狗立即浮現在腦海中。 然而，儘管它們的下巴力量很大，但它們的牙齒卻沒有海膽的牙齒那麼驚人。 是的，這塊水下的針頭，如果你踩到它，可能會毀掉你假期的大部分時間，但它有相當好的牙齒。 當然，他們的數量不多，只有五個，但他們各有特色，能夠磨礪自己。 科學家是如何發現這個特徵的，這個過程到底是如何發生的，它對人們有什麼幫助？ 我們從課題組的報告中了解到這一點。 去。
研究基礎
首先，有必要了解這項研究的主角——Strongylocentrotus fragilis，或者用人類的話來說，是粉紅色的海膽。 這種海膽與其他海膽沒有太大區別，只是形狀更扁平，顏色更迷人。 它們生活在很深的地方（100 m 到 1 km），直徑可達 10 cm。
海膽的“骨架”，呈現五射線對稱性。
海膽，雖然聽起來很刺耳，但也有對錯。 前者俱有幾乎完美的圓形體形，具有明顯的五射線對稱性，而後者則更加不對稱。
當你看到海膽時，首先映入眼簾的是它覆蓋全身的刺。 不同物種的針可以從2毫米到30厘米不等。除了針之外，身體還有球狀體（平衡器官）和花蒂（類似鑷子的突起）。
所有五顆牙齒在中心都清晰可見。
畫海膽必須先倒立，因為它的嘴位於身體的下部，而其他的開口都在上部。 海膽的嘴裡裝有一個咀嚼器，它的學名很美「亞里斯多德燈籠」（亞里斯多德首先描述了這種器官，並將其形狀比作古董手提燈籠）。 該器官配備有五個顎，每個顎的末端都有鋒利的牙齒（正在檢查的粉紅刺猬的亞里斯多德燈籠如下圖 1C 所示）。
有一種假設認為，海膽牙齒的耐用性是透過其不斷磨礪來確保的，這是透過逐漸破壞牙齒的礦化板以保持遠端表面的鋒利度來實現的。
但這個過程到底是如何進行的，哪些牙齒需要磨利，哪些不需要，以及這個重要的決定是如何做出的？ 科學家試圖尋找這些問題的答案。
研究結果
圖片#1
在揭示海膽的牙齒秘密之前，我們先來看看它們牙齒的整體結構。
圖片中 1А - 1S 研究的主角是一隻粉紅色的海膽。 與其他海膽一樣，該物種的代表從海水中獲取礦物質成分。 在骨骼元素中，牙齒高度礦化（99%），方解石富含鎂。
正如我們之前討論的，刺蝟用牙齒刮食物。 但除此之外，它們還會用牙齒為自己挖洞，以躲避掠食者或惡劣天氣。 鑑於牙齒的這種不尋常的用途，後者必須非常堅固和鋒利。
在圖像上 1D 顯示了整個牙齒的一部分的顯微電腦斷層掃描，顯示牙齒是沿著具有 T 形橫截面的橢圓曲線形成的。
齒的橫切面（1E）顯示牙齒由三個結構區域組成：初級牙板、牙石區域和次級牙板。 石頭區域由被有機殼包圍的小直徑纖維組成。 纖維嵌入由富鎂方解石顆粒組成的多晶基質中。 這些顆粒的直徑約為10-20 nm。 研究人員指出，鎂的濃度在整個牙齒中並不均勻，並向末端增加，這提高了牙齒的耐磨性和硬度。
縱切面 （1F）牙齒的結石區域顯示出纖維的破壞以及撕脫，這是由於纖維和有機殼界面處的分層而發生的。
初級板通常由方解石單晶組成，位於牙齒的凸面，而次級板則填充凹面。
圖片中 1G 可以看到一系列彎曲的主機板彼此平行放置。 此圖像還顯示了填充板之間空間的纖維和多晶基質。 基爾（1H) 形成橫斷面 T 形截面的基礎並增加齒的彎曲剛度。
現在我們知道了粉紅色海膽牙齒的結構，現在我們需要弄清楚其部件的機械特性。 為此，使用掃描電子顯微鏡和 奈米壓痕*。 奈米力學測試涉及沿牙齒的縱向和橫向切割的樣品。
奈米壓痕* — 將特殊工具（壓頭）壓入樣品表面來測試材料。
數據分析表明，齒尖縱向和橫向的平均楊氏模量（E）和硬度（H）分別為：EL=77.3±4,8GPa，HL=4.3±0.5GPa（縱向）和ET=70.2±7.2 GPa， HT = 3,8 ± 0,6 GPa（橫向）。
楊氏模量* - 描述材料抵抗拉伸和壓縮能力的物理量。
硬度* - 材質抵抗較硬物體（壓頭）穿透的特性。
此外，在縱向方向上製作具有循環附加載荷的壓痕，以創建石材區域的黏塑性損傷模型。 在 2А 顯示了載重-位移曲線。
圖片#2
每個循環的模量是根據 Oliver-Pharr 方法使用卸載資料計算的。 壓痕循環顯示模量隨著壓痕深度的增加單調下降（2V）。 這種剛度的惡化可以透過損傷的累積來解釋（2C）作為不可逆變形的結果。 值得注意的是，第三個的發展發生在纖維周圍，而不是透過它們。
也使用準靜態微柱壓縮實驗評估了牙齒組成的機械性能。 使用聚焦離子束來生產微米尺寸的柱子。 為了評估牙齒凸側主機板之間的黏合強度，微柱的製造相對於板之間的法線界面呈傾斜方向（2D）。 圖片中 2E 顯示了具有傾斜界面的微柱。 並在圖表上 2F 顯示了剪切應力測量的結果。
科學家注意到一個有趣的事實——測得的彈性模量幾乎是壓痕測試的一半。 琺瑯質也注意到了壓痕和壓縮測試之間的差異。 目前，有幾種理論可以解釋這種差異（從測試過程中的環境影響到樣本污染），但為什麼會出現這種差異的問題仍然沒有明確的答案。
海膽牙齒研究的下一步是使用掃描電子顯微鏡進行磨損測試。 牙齒被黏在一個特殊的支架上，並壓在超奈米晶鑽石基底上（3А).
圖片#3
科學家指出，他們的磨損測試版本與通常所做的相反，通常將鑽石尖端壓入被測試材料的基材中。 磨損測試技術的變化可以更了解牙齒的微觀結構和組件的特性。
正如我們在圖片中看到的，當達到臨界負載時，切屑開始形成。 值得考慮的是，亞里斯多德燈籠對海膽的「咬合」力因種類而異，從 1 到 50 牛頓不等。 在測試中，使用了數百微牛頓至1牛頓的力，即整個亞里斯多德燈籠的壓力為 1 到 5 牛頓（因為有五個齒）。
圖片中 3B(一) 由於石材區域磨損而形成可見的細小顆粒（紅色箭頭）。 當石材區域磨損和收縮時，由於方解石板區域的壓剪負荷和應力累積，板之間的界面處的裂縫會發展和擴展。 圖片 3B(二) и 3B(三) 顯示碎片斷裂的地方。
為了進行比較，進行了兩種類型的磨損實驗：對應於屈服開始 (WCL) 的恆定負載和對應於屈服應力 (WCS) 的恆定負載。 結果，獲得了兩種類型的齒磨損。
配戴測試影片：
階段I
第二階段
第三階段
第四階段
在恆定負載下，WCL 測試中觀察到該區域的壓縮，但未觀察到板的碎裂或其他損壞（4A）。 但在 WCS 測試中，當增加法向力以保持標稱接觸應力恆定時，會觀察到板的碎裂和損失（4V).
圖片#4
這些觀察結果由圖表證實（4S）根據滑動長度（測試期間樣本在鑽石上）測量碎裂板的壓縮面積和體積。
該圖還表明，在WCL的情況下，即使滑動距離比WCS的情況大，也不會形成切屑。 壓縮板和缺口板的檢查 4V 讓我們更了解海膽牙齒的自銳機制。
石料受壓區域的面積隨著板材脫離而增加，去除部分受壓區域 [4B(三-五)]。 微觀結構特徵，例如石頭和板之間的結合，促進了這個過程。 顯微鏡檢查顯示，牙石區域的纖維彎曲並穿透了牙齒凸部的層板。
在圖表上 4S 當新板與牙齒分離時，可以看到缺口區域的體積增加。 奇怪的是，在同一時刻，平坦區域的寬度急劇減小（4D），這表示一個自銳過程。
簡而言之，這些實驗表明，當在磨損測試期間保持恆定的正常（非關鍵）負載時，尖端會變鈍，而齒仍然鋒利。 事實證明，刺蝟的牙齒在使用過程中會被磨利，如果負載不超過臨界值，否則可能會發生損壞（碎裂）而不是磨利。
圖片#5
為了了解牙齒微觀結構的作用、它們的特性以及它們對自銳機制的貢獻，對磨損過程進行了非線性有限元素分析（5А）。 為此，使用了齒尖縱向截面的照片，該照片作為由石頭、板、龍骨以及板和石頭之間的界面組成的二維模型的基礎。
Изображения 5B - 5H 是石頭和板區域邊緣的馮·米塞斯準則（塑性準則）的等高線圖。 當牙齒受到壓縮時，結石會發生較大的黏塑性變形，累積損傷並收縮（「變平」）（5B и 5C）。 進一步的壓縮會在石材中形成剪切帶，大量塑性變形和損壞會在此處累積，從而撕掉部分石材，使其與基材直接接觸（5D）。 此模型中的這種石頭碎片對應於實驗觀察（ 3B(一)）。 當界面元件承受混合負載時，壓縮也會導致板之間分層，從而導致脫聚（分層）。 隨著接觸面積的增加，接觸應力增加，導致界面處裂紋萌生與擴展（5B - 5E）。 板之間的黏著力喪失會增加彎曲，導致外板分離。
刮擦會加劇界面損壞，導致晶圓在發生劈裂時被移除（裂縫偏離界面並滲透到晶圓中， 5G）。 隨著這個過程的繼續，板的碎片會從齒尖上脫落（5H).
有趣的是，該模型非常準確地預測了石頭和板材區域的碎裂，科學家在觀察過程中已經注意到了這一點（3B и 5I).
為了更詳細地了解這項研究的細微差別，我建議看看 и 給他。
尾聲
這項工作再次證實演化對人類的牙齒不太有利。 說真的，在他們的研究中，科學家能夠詳細檢查並解釋海膽牙齒的自銳機制，該機制基於牙齒的不尋常結構和正確的負荷。 覆蓋刺蝟牙齒的金屬板在一定負載下會剝落，這有助於保持牙齒鋒利。 但這並不意味著海膽可以碎石，因為當達到臨界負荷指標時，牙齒上會形成裂痕和碎片。 事實證明，「你有實力，不需要智力」的原則肯定不會帶來任何好處。
人們可能會認為，研究深海居民的牙齒除了滿足人類永不滿足的好奇心之外，不會為人類帶來任何好處。 然而，從這項研究中獲得的知識可以作為創造新型材料的基礎，這些材料將具有類似於刺猬牙齒的特性——耐磨性、無需外部輔助即可在材料層面上自銳以及耐用性。
無論如何，大自然隱藏著許多我們尚未揭開的秘密。 它們有用嗎？ 也許是，也許不是。 但有時，即使在最複雜的研究中，有時重要的不是目的地，而是旅程本身。
週五關閉：
水下巨大的海帶森林是海膽和其他不尋常海洋生物的聚集地。 （BBC Earth，大衛·阿滕伯勒配音）。
感謝收看，保持好奇心，祝大家週末愉快！ 🙂
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來源： www.habr.com