Разговоры о зубах у людей чаще всего ассоциируются с кариесом, брекетами и садистами в белых халатах, которые только и мечтают сделать себе бусы из ваших зубов. Но шутки в сторону, ибо без стоматологов и установленных правил гигиены за полостью рта мы с вами питались бы только толченой картошкой и супчиком через трубочку. А всему виной эволюция, подарившая нам далеко не самые долговечные зубы, которые еще и не регенерируют, что наверное несказанно радует представителей стоматологической индустрии. Если же говорить о зубах у представителей дикой природы, то сразу вспоминаются величественные львы, кровожадные акулы и крайне позитивные гиены. Однако, несмотря на мощь и силу их челюстей, зубы у них не такие удивительные, как зубы морских ежей. Да, этот комок иголок под водой, наступив на который вы можете испортить себе добрую часть отпуска, обладает вполне себе неплохими зубками. Их, конечно, немного, всего пять, но они по-своему уникальны и способны затачивать себя сами. Как ученые выявили такую особенность, как именно протекает этот процесс и как это может помочь людям? Об этом мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.
Основа исследования
Прежде всего стоит поближе познакомиться с главным героем исследования — Strongylocentrotus fragilis, человеческим языком говоря, с розовым морским ежом. Этот вид морских ежей не особо отличается от других своих собратьев, за исключением более приплюснутой по полюсам формы и гламурного окраса. Обитают они довольно глубоко (от 100 м до 1 км), а вырастают они до 10 см в диаметре.
«Скелет» морского еже, по которому видна пятилучевая симметрия.
Морские ежи бывают, как бы грубо это не звучало, правильными и неправильными. Первые обладают практически идеально круглой формой тела с выраженной пятилучевой симметрией, вторые же более асимметричны.
Первое, что бросается в глаза при виде морского ежа, это его иглы, покрывающие все тело. У разных видов иголки могут быть от 2 мм вплоть до 30 см. Кроме игл на теле имеются сферидии (органы равновесия) и педицеллярии (отростки, напоминают щипцы).
В центре отчетливо видны все пять зубов.
Чтобы изобразить морского ежа, необходимо для начала стать с ног на голову, так как ротовое отверстие у него расположено на нижней части тела, а вот другие отверстия — на верхней. Рот морских ежей оснащен жевательным аппаратом с красивым научным названием «аристотелев фонарь» (именно Аристотель первым описал этот орган и сравнил его по форме с античным переносным фонарем). Этот орган оснащен пятью челюстями, каждая из которых оканчивается острым зубом (аристотелев фонарь исследуемого розового ежа показан на снимке 1С ниже).
Есть предположение, что долговечность зубов морских ежей обеспечивается их постоянной заточкой, происходящей путем поэтапного разрушения минерализованных пластин зуба для поддержания остроты дистальной поверхности.
Но как именно этот процесс протекает, какие зубы нужно затачивать, а какие нет, и как это важное решение принимается? На эти вопросы ученые и пытались найти ответы.
Результаты исследования
Изображение №1
Перед тем, как раскрывать дентальные секреты морских ежей, рассмотрим структуру их зубов в целом.
На снимках 1А-1С показан герой исследования — розовый морской еж. Как и другие морские ежи, представители этого вида получают свои минеральные компоненты из морской воды. Среди скелетных элементов зубы сильно минерализованы (на 99%) кальцитом, обогащенным магнием.
Как мы уже обсуждали ранее, свои зубы ежи используют для соскабливая пищи. Но кроме этого они с помощью зубов копают себе норы, в которых прячутся от хищников или он непогоды. Учитывая такое необычное применение зубам, последние должны быть крайне прочными и острыми.
На изображении 1D показана микрокомпьютерная томография сегмента целого зуба, дающая понять, что зуб сформирован вдоль эллиптической кривой с Т-образным поперечным сечением.
Поперечное сечение зуба (1Е) показывает, что зуб состоит из трех структурных областей: первичных пластин, каменной области и вторичных пластин. Каменная область состоит из волокон небольшого диаметра, окруженных органической оболочкой. Волокна заключены в поликристаллическую матрицу, состоящую из частиц кальцита, богатого магнием. Диаметр этих частиц составляет порядка 10-20 нм. Исследователи отмечают, что концентрация магния неоднородна по всему зубу и увеличивается ближе к его концу, что обеспечивает его повышенную износостойкость и твердость.
Продольное сечение (1F) каменной области зуба показывает разрушение волокон, а также отрыв, который происходит из-за отслоения на границе волокон и органической оболочки.
Первичные пластины обычно состоят из монокристаллов кальцита и расположены на выпуклой поверхности зуба, в то время как вторичные пластины заполняют вогнутую поверхность.
На снимке 1G можно увидеть массив изогнутых первичных пластин, лежащих параллельно друг другу. Изображение также показывает волокна и поликристаллическую матрицу, заполняющую пространство между пластинами. Киль (1H) формирует основание поперечного Т-сечения и увеличивает жесткость зуба при изгибе.
Раз уж мы знаем, какой структурой обладает зуб розового морского ежа, нужно теперь выяснить механические свойства его компонентов. Для этого были проведены тесты на сжатие с применением растрового электронного микроскопа и метода наноиндентирования*. В наномеханических испытаниях участвовали образцы, срезанные вдоль продольной и поперечной ориентаций зуба.
Наноиндентирование* — проверка материала методом вдавливания в поверхность образца специального инструмента — индентора.
Анализ данных показал, что средний модуль Юнга (E) и твердость (H) на кончике зуба в продольном и поперечном направлениях составляют: EL = 77.3 ± 4,8 ГПа, HL = 4.3 ± 0.5 ГПа (продольное) и ET = 70.2 ± 7.2 ГПа, HT = 3,8 ± 0,6 ГПа (поперечное).
Модуль Юнга* — физическая величина, описывающая способность материала сопротивляться растяжению и сжатию.
Твердость* — свойство материала сопротивляться внедрению более твёрдого тела (индентора).
Помимо этого в продольном направлении были выполнены углубления с циклической добавочной нагрузкой, чтобы создать модель вязко-пластического повреждения для каменной области. На 2А показана кривая нагрузки-смещения.
Изображение №2
Модуль для каждого цикла был рассчитан на основе метода Оливера-Фарра с использованием данных разгрузки. Циклы вдавливания показали монотонное уменьшение модуля с увеличением глубины вдавливания (2В). Подобное ухудшение жесткости объясняется накоплением повреждений (2C) в результате необратимой деформации. Примечательно, что развитие третий происходит вокруг волокон, а не через них.
Механические свойства составных частей зубов были также оценены с помощью экспериментов квазистатического сжатия микростолбов. Для изготовления столбов микрометрового размера использовался фокусированный ионный пучок. Для оценки прочности соединения между первичными пластинами на выпуклой стороне зуба, были изготовлены микростолбы с наклонной ориентацией относительно нормального интерфейса между пластинами (2D). На снимке 2Е показан микростолб с наклонным интерфейсом. А на графике 2F показаны результаты измерения напряжения сдвига.
Ученые отмечают занятный факт — измеренный модуль упругости почти вдвое меньше, чем при испытаниях на вдавливание. Такое несоответствие между тестами на вдавливание и сжатие также отмечается и для зубной эмали. На данный момент существует несколько теорий, объясняющих это несоответствие (от влияния окружающей среды во время тестов до загрязнения образцов), однако пока нет четкого ответа на вопрос почему несоответствие имеет место быть.
Следующим этапом исследования зубов морского ежа стали тесты на износ, проводимые с помощью растрового электронного микроскопа. Зуб приклеивался к специальному держателю и прижимался к подложке из ультрананокристаллического алмаза (3А).
Изображение №3
Ученые отмечают, что их вариант теста на износ противоположен тем, что обычно проводятся, когда наконечник из алмаза вдавливается в подложку из исследуемого материала. Изменения в методике проведения теста на износ позволяют лучше изучить свойства микроструктур и составляющих зуба.
Как мы можем видеть на снимках, при достижении критической нагрузки начинают образовываться сколы. Стоит учесть, что сила «укуса» аристотелева фонаря у морских ежей варьируется в зависимости от вида от 1 до 50 ньютонов. В тесте же применялась сила от сотен микроньютонов до 1 ньютона, т.е. от 1 до 5 ньютонов для всего аристотелева фонаря (так как зубов пять).
На снимке 3В(i) видны мелкие частицы (красная стрелка), образовавшиеся в результате износа области камня. Поскольку область камня изнашивается и сжимается, трещины на интерфейсах между пластинами могут возникать и распространяться вследствие нагрузки сжатия-сдвига и накопления напряжений в области пластин кальцита. Снимки 3В(ii) и 3В(iii) показывают места, где фрагменты откололись.
Для сравнения было проведено два типа экспериментов на износ: с постоянной нагрузкой, соответствующей началу текучести (WCL), и с постоянной нагрузкой, соответствующей пределу текучести (WCS). В результате было получено два варианта износа зуба.
Этап I
Этап II
Этап III
Этап IV
В случае постоянной нагрузки в тесте WCL наблюдалось сжатие области, однако сколов или других повреждений пластин замечено не было (4A). А вот в тесте WCS, когда нормальное усилие было увеличено для поддержания номинального контактного напряжения постоянным, наблюдались сколы и выпадение пластин (4В).
Изображение №4
Эти наблюдения подтверждаются графиком (4С) измерений площади сжатия и объема сколотых пластин в зависимости от длины скольжения (образца по алмазу во время теста).
Этот график показывает еще и то, что в случае WCL сколы не образуются даже если расстояние скольжения больше, чем в случае WCS. Осмотр сжатых и сколотых пластин на 4В позволяет лучше понять механизм самозаточки зубов морского ежа.
Площадь сжатой области камня увеличивается, поскольку пластина откалывается, что приводит к удалению части сжатой области [4B (iii-v)]. Микроструктурные особенности, такие как связь между камнем и плитами, облегчают этот процесс. Микроскопия показала, что волокна в каменной области изгибаются и проникают сквозь слои пластин в выпуклой части зуба.
На графике 4С виден скачок объема сколотой области, когда новая пластина отсоединяется от зуба. Любопытно, что в этот же момент происходит резкое уменьшение ширины сплющенной области (4D), что свидетельствует о процессе самозатачивания.
Проще говоря, данные эксперименты показали, что во время поддержания постоянной нормальной (не критической) нагрузки во время тестов на износ происходит затупление наконечника, тогда как зуб остается острым. Получается, что зубы ежей затачиваются во время использования, если нагрузка не превышает критической, в противном случае могут образоваться повреждения (сколы), а не затачивание.
Изображение №5
Чтобы понять роль микроструктур зуба, их свойств и их вклада в механизм самозатачивания, был проведен нелинейный анализ процесса износа методом конечных элементов (5А). Для этого были использованы снимки продольного разреза кончика зуба, которые послужили основой двумерной модели, состоящей из камня, пластин, киля и интерфейсов между пластинами и камнем.
Изображения 5B–5H — это контурные графики критерия Мизеса (критерия пластичности) на краю области камня и плиты. Когда зуб сжат, камень подвергается большим вязкопластическим деформациям, накапливает повреждения и сжимается («сплющивается») (5B и 5C). Дальнейшее сжатие вызывает полосу сдвига в камне, где большая часть пластической деформации и повреждения накапливаются, отрывая часть камня, приводя к его прямому контакту с подложкой (5D). Такая фрагментация камня в данной модели соответствует экспериментальным наблюдениям (отколотые фрагменты на 3B(i)). Сжатие также приводит к расслаиванию между пластинами, поскольку элементы интерфейса подвергаются смешанной нагрузке, что приводит к декогезии (отслоению). По мере увеличения контактной области, контактные напряжения нарастают, вызывая зарождение и распространение трещины на интерфейсе (5B-5E). Потеря сцепления между пластинами усиливает изгиб, при котором внешняя пластина отсоединяется.
Царапание усугубляет повреждение интерфейса, что приводит к удалению пластины, когда пластины(а) подвергаются расщеплению (там, где трещины отклоняются от интерфейса и проникают в пластину, 5G). По мере продолжения процесса осколки пластины отсоединяются от наконечника зуба (5H).
Любопытно, что моделирование очень точно предсказывает скалывание как в области камня, так и в области пластин, что учеными уже было замечено во время наблюдений (3B и 5I).
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
Данный труд лишний раз подтвердил, что эволюция была не очень благосклонна к зубам человека. Если серьезно, в своем исследовании ученые смогли детально рассмотреть и пояснить механизм самозаточки зубов морских ежей, в основе которого лежит необычная структура зуба и правильная нагрузка на него. Пластины, покрывающие зуб ежа, отслаиваются при определенной нагрузке, что позволяет сохранять зуб острым. Но это не значит, что морские ежи могут дробить камни, ибо при достижении критических показателей нагрузки на зубах образовываются трещины и сколы. Получается, принцип «сила есть, ума не надо» уж точно не принес бы никакой пользы.
Можно подумать, что исследование зубов обитателей морских глубин не несет никакой пользы для человека, окромя удовлетворения ненасытного людского любопытства. Однако полученные в ходе этого исследования знания могут послужить основой для создания новых типов материалов, которые будут обладать схожими с зубами ежей свойствами — износостойкость, самостоятельная заточка на уровне материала без внешней помощи и долговечность.
Как бы там ни было, природа таит немало секретов, которые нам еще предстоит раскрыть. Будут ли они полезны? Возможно да, а возможно и нет. Но порой даже в самых сложных исследованиях порой важен не пункт назначения, а само путешествие.
Подводные леса гигантских водорослей служат местом сбора морских ежей и других необычных обитателей океанов. (BBC Earth, голос за кадром — Дэвид Аттенборо).
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Автор: Dmytro_Kikot
