شائك وحاد ، أينما نظرتم: آلية الشحذ الذاتي لأسنان قنافذ البحر

غالبًا ما يرتبط الحديث عن الأسنان عند الأشخاص بالتسوس والأقواس والساديين في المعاطف البيضاء الذين يحلمون فقط بأن يصنعوا أنفسهم من خرز أسنانك. لكن النكات جانبا ، لأنه بدون أطباء الأسنان وقواعد النظافة المعمول بها وراء تجويف الفم ، كنا نأكل فقط البطاطا المهروسة والحساء من خلال أنبوب. وكل شيء يقع على عاتقنا مسؤولية التطور ، الذي منحنا أبعد ما يكون عن الأسنان الأكثر دواما ، والتي ما زالت لا تتجدد ، والتي ربما ترضي ممثلي صناعة طب الأسنان بشكل لا يوصف. إذا كنا نتحدث عن أسنان الحياة البرية ، فاستعد على الفور للأسود المهيبة وأسماك القرش المتعطشة للدماء والضباع الإيجابية للغاية. ومع ذلك ، على الرغم من قوة وقوة فكيهم ، فإن أسنانهم ليست مذهلة مثل أسنان قنافذ البحر. نعم ، هذه الكرة من الإبر تحت الماء ، حيث يمكنك أن تفسد جزءًا جيدًا من عطلتك ، لها أسنان جيدة جدًا. بالطبع ، هم قليلون ، خمسة فقط ، لكنهم فريدون بطريقتهم الخاصة وقادرون على صقل أنفسهم. كيف حدد العلماء هذه الميزة ، وكيف تمضي هذه العملية بالضبط ، وكيف يمكن أن تساعد الناس؟ نتعرف على هذا من تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

بادئ ذي بدء ، يجدر التعرف على الشخصية الرئيسية للدراسة - Strongylocentrotus fragilis ، التي تتحدث اللغة البشرية ، مع قنفذ البحر الوردي. لا يختلف هذا النوع من قنافذ البحر اختلافًا كبيرًا عن نظرائه الأخرى ، باستثناء شكل قطب مسطح ولون فاتن. يسكنون بعمق كبير (من 100 متر إلى 1 كم) ، ويصل قطرهم إلى 10 سم.


"الهيكل العظمي" لقنفذ البحر ، والذي من خلاله يظهر التماثل ذو خمسة شعاع.

قنافذ البحر ، بغض النظر عن مدى وقحها قد يبدو صحيحًا وصحيحًا. السابق له شكل جسم مستدير تمامًا تقريبًا مع تناسق واضح بخمسة شعاع ، في حين أن الأخير غير متماثل.

أول ما يلفت انتباهك عندما ترى قنفذ البحر هو الإبر التي تغطي الجسم كله. يمكن أن تتراوح أنواع الإبر المختلفة من 2 مم إلى 30 سم ، بالإضافة إلى الإبر ، يحتوي الجسم على كرويديا (أعضاء متوازنة) و pedicellaria (عمليات تذكرنا بالملقط).


جميع الأسنان الخمسة واضحة للعيان في الوسط.

لتصوير قنفذ البحر ، عليك أولاً أن تنقلب رأسًا على عقب ، لأن فتحة الفم تقع في الجزء السفلي من الجسم ، ولكن توجد ثقوب أخرى في الأعلى. قنفذ البحر مجهز بجهاز مضغ يحمل الاسم العلمي الجميل "أرسطو فانوس" (كان أرسطو هو الذي وصف هذا العضو لأول مرة وقارنه في الشكل بمصباح محمول قديم). تم تجهيز هذا العضو بخمس فكوك ، ينتهي كل منها بسن حاد (يظهر المصباح الأرسطي للقنفذ الوردي قيد التحقيق في الشكل 1C أدناه).

هناك افتراض أن متانة أسنان قنافذ البحر يتم ضمانها من خلال شحذها المستمر ، والذي يحدث عن طريق التدمير التدريجي لألواح الأسنان المعدنية للحفاظ على حدة السطح البعيدة.

ولكن كيف تمضي هذه العملية بالضبط ، أي الأسنان تحتاج إلى شحذها وأيها لا ، وكيف يتم اتخاذ هذا القرار المهم؟ حاول العلماء العثور على إجابات لهذه الأسئلة.

نتائج البحوث

الصورة رقم 1

قبل الكشف عن أسرار قنافذ البحر ، فكر في بنية أسنانهم ككل.

الصور 1A - 1C تظهر بطل الدراسة ، قنفذ البحر الوردي. مثل قنافذ البحر الأخرى ، يحصل ممثلو هذه الأنواع على مكوناتها المعدنية من مياه البحر. من بين العناصر الهيكلية ، الأسنان ممعدنة للغاية (99 ٪) مع الكالسيت المخصب من المغنيسيوم.

كما ناقشنا سابقًا ، يستخدم القنافذ أسنانهم لتجريف الطعام. لكن إلى جانب ذلك ، يستخدمون أسنانهم لحفر ثقوب يختبئون فيها من الحيوانات المفترسة أو يكون الطقس سيئًا. بالنظر إلى هذا الاستخدام غير العادي للأسنان ، يجب أن يكون الأخير دائمًا وحادًا للغاية.

تُظهر الصورة 1D التصوير المقطعي بالكمبيوتر الدقيقة لقطعة من الأسنان بأكملها ، مما يوضح أن السن تتشكل على طول منحنى بيضاوي الشكل مع مقطع عرضي على شكل حرف T.

يوضح المقطع العرضي للسن ( 1E ) أن السن يتكون من ثلاثة مناطق هيكلية: اللوحات الأولية ، مساحة الحجر واللوحات الثانوية. تتكون المنطقة الحجرية من ألياف ذات قطر صغير تحيط بها قشرة عضوية. يتم وضع الألياف في مصفوفة متعددة البلورات تتكون من جزيئات الكالسيت الغنية بالمغنيسيوم. قطر هذه الجسيمات حوالي 10-20 نانومتر. لاحظ الباحثون أن تركيز المغنيسيوم غير متجانس في جميع أنحاء السن ويزيد من نهايته ، مما يضمن زيادة مقاومة التآكل والصلابة.

يوضح القسم الطولي ( 1F ) من منطقة الحجارة السنية تدمير الألياف ، وكذلك الفصل الذي يحدث بسبب التشقق عند الواجهة بين الألياف والقشرة العضوية.

تتكون اللوحات الأولية عادة من بلورات مفردة من الكالسيت وتقع على سطح محدب السن ، بينما تملأ الصفائح الثانوية السطح المقعر.

في الصورة 1G ، يمكنك رؤية مجموعة من اللوحات الأولية المنحنية التي تتوازي مع بعضها البعض. تُظهر الصورة أيضًا ألياف ومصفوفة متعددة البلورات تملأ الفراغ بين اللوحات. تشكل عارضة ( 1H ) قاعدة المقطع العرضي T وتزيد من صلابة السن أثناء الانحناء.

بما أننا نعرف بنية سن قنفذ البحر الوردي ، فإننا نحتاج الآن إلى معرفة الخواص الميكانيكية لمكوناته. للقيام بذلك ، تم إجراء اختبارات الضغط باستخدام مجهر إلكترون مسح وطريقة nanoindentation * . تضمنت الاختبارات الميكانيكية النانوية عينات مقطوعة على طول التوجهات الطولية والعرضية للسن.

Nanoindentation * - التحقق من المواد عن طريق الضغط على أداة خاصة ، indenter ، في سطح عينة.

أظهر تحليل البيانات أن معامل يونغ المتوسط ​​(E) والصلابة (H) عند طرف السن في الاتجاهات الطولية والعرضية هي: E _L = 77.3 ± 4.8 GPa ، H _L = 4.3 ± 0.5 GPa (طولاني) و E _T = 70.2 ± 7.2 GPa ، H _T = 3.8 ± 0.6 GPa (عرضية).

معامل Young * هو كمية مادية تصف قدرة المادة على مقاومة التوتر والضغط.

صلابة * - خاصية مادة تقاوم إدخال جسم أصعب (إندينتر).

بالإضافة إلى ذلك ، في الاتجاه الطولي ، تم تصنيع الأخاديد مع تحميل إضافي دوري لإنشاء نموذج للأضرار اللزجة البلاستيك لمنطقة الحجر. يظهر 2A منحنى تحميل الإزاحة.


الصورة رقم 2

تم حساب الوحدة لكل دورة بناءً على طريقة أوليفر فار باستخدام بيانات التفريغ. أظهرت دورات المسافة البادئة انخفاض رتابة في وحدة مع زيادة في عمق المسافة البادئة ( 2B ). هذا التدهور في تصلب يرجع إلى تراكم الضرر ( 2C ) نتيجة لتشوه لا رجعة فيه. يشار إلى أن التطور الثالث يحدث حول الألياف وليس من خلالها.

تم تقييم الخواص الميكانيكية لمكونات الأسنان أيضًا باستخدام الضغط شبه النشط للركائز الصغيرة. لتصنيع الأعمدة بحجم ميكرومتر ، تم استخدام شعاع أيون مركّز. لتقييم قوة الاتصال بين اللوحات الأولية على الجانب المحدب من السن ، تم تصنيع الأعمدة الدقيقة ذات اتجاه مائل بالنسبة للواجهة الطبيعية بين اللوحات ( 2D ). يوضح الشكل 2E عمودًا صغيرًا بواجهة مائلة. يوضح الرسم البياني 2F نتائج قياسات إجهاد القص.

يلاحظ العلماء حقيقة غريبة - إن معامل المرونة المقاس هو نصف تقريبًا اختبارات المسافة البادئة. ويلاحظ أيضا عدم التوافق بين اختبارات المسافة البادئة والضغط لمينا الأسنان. حاليًا ، هناك العديد من النظريات التي تشرح هذا التناقض (من التأثيرات البيئية أثناء الاختبار إلى عينة التلوث) ، ولكن لا توجد إجابة واضحة على السؤال عن سبب وجود هذا التناقض.

كانت المرحلة التالية في دراسة أسنان قنفذ البحر اختبارات لبلى أجريت باستخدام مجهر مسح إلكتروني. تم لصق السن على حامل خاص وضغطه على ركيزة من الماس البلوري النقي ( 3A ).


الصورة رقم 3

يلاحظ العلماء أن نسختهم من اختبار البلى هي عكس ما يحدث عادة عندما يتم ضغط طرف الماس في الركيزة من مادة الاختبار. تسمح التغييرات في منهجية اختبار البلى بإجراء دراسة أفضل لخصائص المجهرية ومكونات الأسنان.

كما نرى في الصور ، عندما يتم الوصول إلى تحميل حرج ، تبدأ الرقائق في التكون. تجدر الإشارة إلى أن قوة "لدغة" الفانوس الأرسطي في قنافذ البحر تختلف باختلاف الأنواع من 1 إلى 50 نيوتن. في الاختبار ، تم تطبيق قوة من مئات ميكرونوتون إلى نيوتن واحد ، أي من 1 إلى 5 نيوتن لكامل فانوس الأرسطوطي (نظرًا لوجود خمسة أسنان).

في الصورة 3 ب (ط) ، تكون الجزيئات الصغيرة مرئية (السهم الأحمر) الناتجة عن تآكل منطقة الحجر. عندما تتلاشى منطقة الحجر وتقلص ، يمكن أن تحدث الشقوق في الواجهات بين اللوحات وتنتشر بسبب تحميل القص المضغوط وتراكم الضغوط في منطقة ألواح الكالسيت. تظهر الصور 3B (ii) و 3B (iii) الأماكن التي انقطعت فيها الأجزاء.

للمقارنة ، تم إجراء نوعين من تجارب البلى: مع حمل ثابت يقابل قوة العائد (WCL) ، ومع حمل ثابت يقابل قوة العائد (WCS). نتيجة لذلك ، تم الحصول على خيارين لارتداء الأسنان.



في حالة التحميل المستمر ، لوحظ ضغط المنطقة في اختبار WCL ، ولكن لم تلاحظ أي رقائق أو أضرار أخرى على الألواح ( 4A ). ولكن في اختبار WCS ، عندما تمت زيادة القوة الطبيعية للحفاظ على ثبات جهد الاتصال الاسمي ، لوحظت رقائق وفقدان الصفائح ( 4V ).


الصورة رقم 4

يتم تأكيد هذه الملاحظات من خلال الرسم البياني ( 4C ) لقياسات منطقة الضغط وحجم الصفائح المكسورة ، وهذا يتوقف على طول الشريحة (عينة الماس أثناء الاختبار).

يوضح هذا الرسم البياني أيضًا أنه في حالة WCL ، لا تتشكل الرقائق حتى إذا كانت المسافة المنزلق أكبر منها في حالة WCS. يتيح لك فحص الألواح المضغوطة والمقطعة في 4V أن تفهم بشكل أفضل آلية الشحذ الذاتي لأسنان قنفذ البحر.

تزداد مساحة المنطقة المضغوطة بالحجر كلما انكسرت اللوحة ، مما يؤدي إلى إزالة جزء من المنطقة المضغوطة [4B (iii-v)] . الميزات المجهرية ، مثل الرابطة بين الحجر والألواح ، تسهل هذه العملية. أظهر الفحص المجهري أن الألياف في المنطقة الحجرية تنحني وتخترق طبقات الطبق في الجزء المحدب من السن.

على الرسم البياني 4C ، تكون قفزة الحجم في المنطقة المقطوعة مرئية عندما يتم فصل لوحة جديدة عن السن. من الغريب أنه في الوقت نفسه يوجد انخفاض حاد في عرض المنطقة المسطحة ( 4D ) ، مما يدل على عملية الشحذ الذاتي.

ببساطة ، أظهرت هذه التجارب أنه مع الحفاظ على الحمل الطبيعي الثابت (غير الحرج) أثناء اختبارات التآكل ، يحدث غيض في حين تظل السن حادة. اتضح أن أسنان القنفذ شحذت أثناء الاستخدام ، إذا كان الحمل لا يتجاوز الحرج ، وإلا قد تتلف (رقائق) الضرر ، وليس شحذ.


الصورة رقم 5

لفهم دور المجهرية للأسنان ، وخصائصها ، ومساهمتها في آلية الشحذ الذاتي ، تم إجراء تحليل غير خطي لعملية البلى باستخدام طريقة العناصر المحددة ( 5A ). للقيام بذلك ، استخدمنا صورًا لقسم طولاني لطرف السن ، والتي كانت بمثابة أساس لنموذج ثنائي الأبعاد يتكون من الحجر واللوحات والعارضة والواجهات بين الألواح والحجر.

الصور 5B - 5H هي قطع كفاف لمعيار Mises (معيار اللدونة) على حافة منطقة الحجر والبلاطة. عند ضغط السن ، يخضع الحجر لتشوهات كبيرة من اللزوجة ، ويتراكم الأضرار والعقود ("المسطحة") ( 5B و 5 C ). يؤدي المزيد من الانضغاط إلى وجود شريط القص في الحجر ، حيث تتراكم معظم التشوهات والأضرار البلاستيكية ، مما يؤدي إلى تمزيق جزء من الحجر ، مما يؤدي إلى اتصاله المباشر مع الركيزة ( 5D ). يتوافق تجزئة الحجر في هذا النموذج مع الملاحظات التجريبية (شظايا متكسرة على 3B (i) ). يؤدي الضغط أيضًا إلى إزالة الصفائح بين الصفائح ، نظرًا لأن عناصر الواجهة تتعرض للتحميل المختلط ، مما يؤدي إلى إزالة التحلل (إزالة التشوه). كلما زادت مساحة الاتصال ، زادت الضغوط الملامسة ، مما تسبب في نواة التصدع وانتشارها في الواجهة ( 5B - 5E ). يعمل فقدان الالتصاق بين الصفائح على تعزيز الانحناء الذي يتم فيه فصل اللوحة الخارجية.

يؤدي الخدش إلى تفاقم الأضرار التي تلحق بالواجهة ، مما يؤدي إلى إزالة الألواح عندما يتم تقسيم الألواح (أ) (حيث تنحرف الشقوق عن الواجهة وتخترق اللوحة ، 5 غ ). مع استمرار العملية ، تنفصل شظايا اللوحة عن طرف السن ( 5 ساعات ).

من الغريب أن المحاكاة تتنبأ بدقة بالغة بتقطيع كل من مساحة الحجر وفي مساحة الألواح ، وهو ما لاحظه العلماء بالفعل أثناء عمليات الرصد ( 3B و 5 I ).

للحصول على معلومات أكثر تفصيلاً عن الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء ومواد إضافية إليه.

خاتمة

أكد هذا العمل مرة أخرى أن التطور لم يكن داعمًا جدًا للأسنان البشرية. على محمل الجد ، في دراستهم ، تمكن العلماء من دراسة وتوضيح بالتفصيل آلية الشحذ الذاتي لأسنان قنافذ البحر ، والتي تقوم على هيكل غير عادي للأسنان والحمل الصحيح عليها. الألواح التي تغطي الأسنان القنفذ تقشير في حمولة معينة ، مما يسمح لك للحفاظ على الأسنان حادة. ولكن هذا لا يعني أن قنافذ البحر يمكن أن تسحق الأحجار ، لأنه عندما يتم الوصول إلى الأحمال الحرجة ، تتشكل الشقوق والرقائق على الأسنان. اتضح أن مبدأ "هناك قوة ، لا مانع" ، بالتأكيد لن يحقق أي فائدة.

قد تعتقد أن البحث عن أسنان سكان أعماق البحار لا يحقق أي فائدة للبشر ، إلى جانب إرضاء فضول الإنسان غير المشبع. ومع ذلك ، يمكن أن تكون المعرفة المكتسبة خلال هذه الدراسة بمثابة أساس لإنشاء أنواع جديدة من المواد التي سيكون لها خصائص مماثلة لأسنان القنافذ - مقاومة التآكل ، وشحذ الذات على مستوى المواد دون مساعدة خارجية ومتانة.

مهما كان الأمر ، فإن الطبيعة لها أسرار كثيرة لا يزال يتعين علينا الكشف عنها. هل ستكون مفيدة؟ ربما نعم ، لكن ربما لا. لكن في بعض الأحيان حتى في أكثر الدراسات تعقيدًا ، لا تكون الوجهة في بعض الأحيان ، ولكن الرحلة نفسها مهمة.


شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا 2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟