Stachelig und scharf, wohin Sie auch schauen: der Mechanismus des Selbstschärfens der Zähne von Seeigeln

Das Sprechen über Zähne bei Menschen wird am häufigsten mit Karies, Zahnspangen und Sadisten in weißen Kitteln in Verbindung gebracht, die nur davon träumen, sich Perlen aus Ihren Zähnen zu machen. Aber die Witze beiseite, denn ohne Zahnärzte und festgelegte Hygieneregeln hinter der Mundhöhle würden wir nur zerkleinerte Kartoffeln und Suppe durch eine Röhre essen. Und alles ist schuld an der Entwicklung, die uns weit entfernt von den haltbarsten Zähnen gab, die sich immer noch nicht regenerieren, was den Vertretern der Dentalindustrie wahrscheinlich unbeschreiblich gefällt. Wenn wir über die Zähne von Wildtieren sprechen, erinnern wir uns sofort an die majestätischen Löwen, blutrünstigen Haie und äußerst positiven Hyänen. Trotz der Kraft und Stärke ihrer Kiefer sind ihre Zähne nicht so erstaunlich wie die Zähne von Seeigeln. Ja, dieser Nadelball unter Wasser, auf den Sie einen Großteil Ihres Urlaubs verderben können, hat ziemlich gute Zähne. Natürlich sind es nur wenige, nur fünf, aber sie sind auf ihre Weise einzigartig und in der Lage, sich selbst zu verbessern. Wie haben Wissenschaftler ein solches Merkmal identifiziert, wie genau läuft dieser Prozess ab und wie kann er Menschen helfen? Dies erfahren wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.

Studienbasis

Zunächst lohnt es sich, die Hauptfigur der Studie kennenzulernen - Strongylocentrotus fragilis, der die menschliche Sprache spricht, mit einem rosa Seeigel. Diese Art von Seeigeln unterscheidet sich nicht sehr von ihren anderen Gegenstücken, mit Ausnahme einer abgeflachten Stangenform und einer glamourösen Farbe. Sie leben ziemlich tief (von 100 m bis 1 km) und haben einen Durchmesser von bis zu 10 cm.


Das "Skelett" eines Seeigels, durch das die Fünfstrahlsymmetrie sichtbar wird.

Seeigel sind, egal wie unhöflich es klingen mag, richtig und falsch. Die ersteren haben eine fast perfekt runde Körperform mit ausgeprägter Fünfstrahlsymmetrie, während die letzteren asymmetrischer sind.

Das erste, was Ihnen auffällt, wenn Sie einen Seeigel sehen, sind seine Nadeln, die den gesamten Körper bedecken. Verschiedene Nadeltypen können zwischen 2 mm und 30 cm groß sein. Zusätzlich zu den Nadeln weist der Körper Sphäroidien (Gleichgewichtsorgane) und Pedicellaria (Prozesse, die an eine Pinzette erinnern) auf.


Alle fünf Zähne sind in der Mitte deutlich sichtbar.

Um einen Seeigel darzustellen, müssen Sie ihn zuerst auf den Kopf stellen, da sich die Mundöffnung im unteren Teil des Körpers befindet, die anderen Löcher jedoch oben. Die Mündung des Seeigels ist mit einem Kauapparat mit dem schönen wissenschaftlichen Namen „Aristoteles-Laterne“ ausgestattet (es war Aristoteles, der dieses Organ zuerst beschrieb und es in seiner Form mit einer antiken tragbaren Lampe verglich). Dieses Organ ist mit fünf Kiefern ausgestattet, von denen jeder mit einem scharfen Zahn endet (die aristotelische Lampe des untersuchten rosa Igels ist in Abbildung 1C unten dargestellt).

Es wird davon ausgegangen, dass die Haltbarkeit der Zähne von Seeigeln durch ihr ständiges Schärfen gewährleistet ist, das durch die allmähliche Zerstörung mineralisierter Zahnplatten zur Aufrechterhaltung der Schärfe der distalen Oberfläche erfolgt.

Aber wie genau läuft dieser Prozess ab, welche Zähne müssen geschärft werden und welche nicht und wie wird diese wichtige Entscheidung getroffen? Wissenschaftler versuchten, Antworten auf diese Fragen zu finden.

Forschungsergebnisse

Bild Nr. 1

Bevor Sie die zahnärztlichen Geheimnisse der Seeigel enthüllen, sollten Sie die Struktur ihrer Zähne als Ganzes betrachten.

Die Bilder 1A - 1C zeigen den Helden der Studie, den rosa Seeigel. Wie andere Seeigel beziehen Vertreter dieser Art ihre Mineralbestandteile aus Meerwasser. Unter den Skelettelementen sind die Zähne mit Magnesium angereichertem Calcit stark mineralisiert (99%).

Wie bereits erwähnt, verwenden Igel ihre Zähne zum Abkratzen von Nahrungsmitteln. Abgesehen davon graben sie mit den Zähnen Löcher, in denen sie sich vor Raubtieren verstecken, oder es ist schlechtes Wetter. Angesichts einer solch ungewöhnlichen Verwendung für Zähne sollte letzteres extrem haltbar und scharf sein.

1D zeigt die Mikrocomputertomographie eines Segments eines ganzen Zahns, wobei klargestellt wird, dass der Zahn entlang einer elliptischen Kurve mit einem T-förmigen Querschnitt gebildet ist.

Der Querschnitt des Zahns ( 1E ) zeigt, dass der Zahn aus drei Strukturbereichen besteht: Primärplatten, Steinbereich und Sekundärplatten. Die Steinfläche besteht aus Fasern mit kleinem Durchmesser, die von einer organischen Hülle umgeben sind. Die Fasern sind in einer polykristallinen Matrix eingeschlossen, die aus Magnesiumreichen Calcitpartikeln besteht. Der Durchmesser dieser Partikel beträgt ca. 10-20 nm. Die Forscher stellen fest, dass die Magnesiumkonzentration im gesamten Zahn heterogen ist und näher an seinem Ende ansteigt, was für eine erhöhte Verschleißfestigkeit und Härte sorgt.

Ein Längsschnitt ( 1F ) des steinigen Bereichs des Zahns zeigt die Zerstörung der Fasern sowie die Trennung, die aufgrund einer Delaminierung an der Grenzfläche zwischen den Fasern und der organischen Schale auftritt.

Primärplatten bestehen normalerweise aus Calcit-Einkristallen und befinden sich auf der konvexen Oberfläche des Zahns, während Sekundärplatten die konkave Oberfläche füllen.

In Bild 1G sehen Sie eine Anordnung gekrümmter Primärplatten, die parallel zueinander liegen. Das Bild zeigt auch Fasern und eine polykristalline Matrix, die den Raum zwischen den Platten ausfüllt. Der Kiel ( 1H ) bildet die Basis des transversalen T-Profils und erhöht die Steifheit des Zahns beim Biegen.

Da wir die Struktur des Zahns des rosa Seeigels kennen, müssen wir nun die mechanischen Eigenschaften seiner Komponenten herausfinden. Zu diesem Zweck wurden Kompressionstests unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops und der Nanoindentationsmethode * durchgeführt . Nanomechanische Tests umfassten Proben, die entlang der Längs- und Querausrichtung des Zahns geschnitten wurden.

Nanoindentation * - Überprüfung eines Materials durch Drücken eines Spezialwerkzeugs, eines Eindringkörpers, in die Oberfläche einer Probe.

Die Analyse der Daten ergab, dass der durchschnittliche Elastizitätsmodul (E) und die durchschnittliche Härte (H) an der Zahnspitze in Längs- und Querrichtung betragen: E _L = 77,3 ± 4,8 GPa, H _L = 4,3 ± 0,5 GPa (Läng) und E _T = 70,2 ± 7,2 GPa, H _T = 3,8 ± 0,6 GPa (quer).

Der Elastizitätsmodul * ist eine physikalische Größe, die die Fähigkeit eines Materials beschreibt, Zug und Druck zu widerstehen.

Härte * - die Eigenschaft eines Materials, der Einführung eines härteren Körpers (Eindringkörper) zu widerstehen.

Zusätzlich wurden in Längsrichtung Rillen mit zyklischer zusätzlicher Belastung hergestellt, um ein Modell für visko-plastische Schäden für den Steinbereich zu erstellen. 2A zeigt eine Last-Verschiebungs-Kurve.


Bild Nr. 2

Das Modul für jeden Zyklus wurde basierend auf der Oliver-Farr-Methode unter Verwendung von Entladedaten berechnet. Einrückungszyklen zeigten eine monotone Abnahme des Moduls mit einer Zunahme der Eindringtiefe ( 2B ). Diese Verschlechterung der Steifheit ist auf die Anhäufung von Schäden ( 2C ) infolge irreversibler Verformung zurückzuführen. Es ist bemerkenswert, dass die dritte Entwicklung um die Fasern herum und nicht durch sie erfolgt.

Die mechanischen Eigenschaften von Zahnbestandteilen wurden auch unter Verwendung einer quasistatischen Kompression von Mikrosäulen bewertet. Zur Herstellung von mikrometergroßen Säulen wurde ein fokussierter Ionenstrahl verwendet. Um die Stärke der Verbindung zwischen den Primärplatten auf der konvexen Seite des Zahns zu beurteilen, wurden Mikrosäulen mit einer geneigten Ausrichtung relativ zur normalen Grenzfläche zwischen den Platten ( 2D ) hergestellt. Fig. 2E zeigt eine Mikrosäule mit einer schrägen Grenzfläche. Grafik 2F zeigt die Ergebnisse von Scherspannungsmessungen.

Wissenschaftler stellen eine merkwürdige Tatsache fest: Der gemessene Elastizitätsmodul ist fast halb so hoch wie der von Eindruckversuchen. Eine solche Nichtübereinstimmung zwischen den Eindruck- und Kompressionstests wird auch für den Zahnschmelz festgestellt. Derzeit gibt es mehrere Theorien, die diese Diskrepanz erklären (von Umwelteinflüssen während des Tests bis zur Probenkontamination), aber es gibt keine klare Antwort auf die Frage, warum es eine Diskrepanz gibt.

Die nächste Stufe bei der Untersuchung der Zähne eines Seeigels waren Verschleißtests, die unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops durchgeführt wurden. Der Zahn wurde auf einen speziellen Halter geklebt und gegen ein Substrat aus ultrananokristallinem Diamant ( 3A ) gedrückt.


Bild Nr. 3

Wissenschaftler stellen fest, dass ihre Version des Verschleißtests das Gegenteil von dem ist, was normalerweise gemacht wird, wenn die Diamantspitze in das Substrat des Testmaterials gedrückt wird. Änderungen in der Methodik für den Verschleißtest ermöglichen eine bessere Untersuchung der Eigenschaften von Mikrostrukturen und Zahnkomponenten.

Wie wir auf den Bildern sehen können, beginnen sich bei Erreichen einer kritischen Last Chips zu bilden. Es ist zu bedenken, dass die Stärke des „Bisses“ der aristotelischen Laterne in Seeigeln je nach Art zwischen 1 und 50 Newton variiert. In dem Test wurde eine Kraft von Hunderten von Mikronewton auf 1 Newton ausgeübt, d.h. 1 bis 5 Newton für die gesamte aristotelische Laterne (da es fünf Zähne gibt).

In Bild 3B (i) sind kleine Partikel sichtbar (roter Pfeil), die sich aus dem Verschleiß der Steinfläche ergeben. Wenn sich der Bereich des Steins abnutzt und zusammenzieht, können Risse an den Grenzflächen zwischen den Platten auftreten und sich aufgrund der Druck-Scherbelastung und der Anhäufung von Spannungen im Bereich der Calcitplatten ausbreiten. Die Bilder 3B (ii) und 3B (iii) zeigen die Stellen, an denen die Fragmente abgebrochen sind.

Zum Vergleich wurden zwei Arten von Verschleißversuchen durchgeführt: mit einer konstanten Belastung entsprechend dem Beginn der Streckgrenze (WCL) und mit einer konstanten Belastung entsprechend der Streckgrenze (WCS). Als Ergebnis wurden zwei Optionen für Zahnverschleiß erhalten.



Bei konstanter Belastung wurde im WCL-Test eine Kompression des Bereichs beobachtet, es wurden jedoch keine Späne oder andere Schäden an den Platten festgestellt ( 4A ). Im WCS-Test wurden jedoch Späne und Plattenverluste ( 4 V) beobachtet, wenn die Normalkraft erhöht wurde, um die nominelle Kontaktspannung konstant zu halten.


Bild Nr. 4

Diese Beobachtungen werden durch das Diagramm ( 4C ) der Messungen des Kompressionsbereichs und des Volumens der abgebrochenen Platten in Abhängigkeit von der Länge des Schlickers (Diamantprobe während des Tests) bestätigt.

Diese Grafik zeigt auch, dass sich bei WCL keine Chips bilden, selbst wenn der Gleitweg größer ist als bei WCS. Durch die Inspektion von komprimierten und abgebrochenen Platten bei 4 V können Sie den Mechanismus des Selbstschärfens der Zähne eines Seeigels besser verstehen.

Die Fläche der komprimierten Fläche des Steins nimmt zu, wenn die Platte abbricht, was zur Entfernung eines Teils der komprimierten Fläche führt [4B (iii-v)] . Mikrostrukturmerkmale wie die Verbindung zwischen Stein und Platten erleichtern diesen Prozess. Die Mikroskopie zeigte, dass sich die Fasern im Steinbereich biegen und durch die Plattenschichten im konvexen Teil des Zahns dringen.

In Grafik 4C ist ein Volumensprung im abgebrochenen Bereich sichtbar, wenn eine neue Platte vom Zahn getrennt wird. Es ist merkwürdig, dass im gleichen Moment die Breite des abgeflachten Bereichs ( 4D ) stark abnimmt, was auf den Prozess des Selbstschärfens hinweist.

Einfach ausgedrückt zeigten diese Experimente, dass bei konstanten normalen (nicht kritischen) Belastungen während Verschleißtests eine stumpfe Spitze auftritt, während der Zahn scharf bleibt. Es stellt sich heraus, dass die Zähne der Igel während des Gebrauchs geschärft werden, wenn die Last den kritischen Wert nicht überschreitet, da sich sonst Schäden (Späne) bilden können und nicht schärfen.


Bild Nr. 5

Um die Rolle von Zahnmikrostrukturen, ihre Eigenschaften und ihren Beitrag zum Selbstschärfungsmechanismus zu verstehen, wurde eine nichtlineare Analyse des Verschleißprozesses nach der Finite-Elemente-Methode ( 5A ) durchgeführt. Dazu verwendeten wir Bilder eines Längsschnitts der Zahnspitze, die als Grundlage für ein zweidimensionales Modell dienten, das aus Stein, Platten, Kiel und Grenzflächen zwischen den Platten und dem Stein bestand.

Die Bilder 5B - 5H sind Konturdiagramme des Mises-Kriteriums (Plastizitätskriterium) am Rand des Stein- und Plattenbereichs. Wenn ein Zahn zusammengedrückt wird, erfährt der Stein große viskoplastische Verformungen, sammelt Schäden und zieht sich zusammen („abgeflacht“) ( 5B und 5C ). Eine weitere Kompression verursacht ein Scherband im Stein, in dem sich der größte Teil der plastischen Verformung und Beschädigung ansammelt und einen Teil des Steins abreißt, was zu seinem direkten Kontakt mit dem Substrat führt ( 5D ). Eine solche Fragmentierung von Stein in diesem Modell entspricht experimentellen Beobachtungen (abgebrochene Fragmente auf 3B (i) ). Die Kompression führt auch zu einer Delaminierung zwischen den Platten, da die Grenzflächenelemente einer gemischten Belastung ausgesetzt sind, die zu einer Dekohäsion (Delaminierung) führt. Mit zunehmendem Kontaktbereich nehmen die Kontaktspannungen zu, wodurch der Riss an der Grenzfläche ( 5B - 5E ) Keime bildet und sich ausbreitet. Der Verlust der Haftung zwischen den Platten verstärkt die Biegung, bei der sich die äußere Platte löst.

Kratzer verschlimmern die Beschädigung der Grenzfläche, was zum Entfernen der Platte führt, wenn die Platten (a) gespalten werden (wo Risse von der Grenzfläche abweichen und die Platte durchdringen, 5G ). Im weiteren Verlauf lösen sich Fragmente der Platte von der Zahnspitze ( 5H ).

Es ist merkwürdig, dass die Simulation Abplatzungen sowohl im Bereich des Steins als auch im Bereich der Platten sehr genau vorhersagt, was Wissenschaftler bereits während der Beobachtungen bemerkt haben ( 3B und 5I ).

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.

Nachwort

Diese Arbeit bestätigte erneut, dass die Evolution die menschlichen Zähne nicht sehr unterstützt. Im Ernst, in ihrer Studie konnten Wissenschaftler den Mechanismus der Selbstschärfung der Zähne von Seeigeln, der auf der ungewöhnlichen Struktur des Zahns und der richtigen Belastung beruht, detailliert untersuchen und erklären. Die Platten, die den Igelzahn bedecken, blättern bei einer bestimmten Belastung ab, wodurch Sie den Zahn scharf halten können. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Seeigel Steine ​​zerdrücken können, da sich bei Erreichen kritischer Belastungen Risse und Späne auf den Zähnen bilden. Es stellt sich heraus, dass das Prinzip "Es gibt Macht, kein Verstand" sicherlich keinen Nutzen bringen würde.

Sie könnten denken, dass die Erforschung der Zähne der Bewohner der Tiefsee dem Menschen keinen Nutzen bringt, außer die unersättliche menschliche Neugier zu befriedigen. Das in dieser Studie gewonnene Wissen kann jedoch als Grundlage für die Schaffung neuer Arten von Materialien dienen, die ähnliche Eigenschaften wie die Zähne von Igeln aufweisen - Verschleißfestigkeit, Selbstschärfung auf Materialebene ohne externe Hilfe und Haltbarkeit.

Wie dem auch sei, die Natur hat viele Geheimnisse, die wir noch enthüllen müssen. Werden sie hilfreich sein? Vielleicht ja, aber vielleicht auch nicht. Aber manchmal sogar in den komplexesten Studien, manchmal nicht das Ziel, sondern die Reise selbst ist wichtig.


Vielen Dank für Ihren Aufenthalt bei uns. Gefällt dir unser Artikel? Möchten Sie weitere interessante Materialien sehen? Unterstützen Sie uns, indem Sie eine Bestellung aufgeben oder Ihren Freunden empfehlen, einen Rabatt von 30% für Habr-Benutzer auf ein einzigartiges Analogon von Einstiegsservern, das wir für Sie erfunden haben: Die ganze Wahrheit über VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Kerne) 10 GB DDR4 240 GB SSD 1 Gbit / s von $ 20 oder wie teilt man den Server? (Optionen sind mit RAID1 und RAID10, bis zu 24 Kernen und bis zu 40 GB DDR4 verfügbar).

Dell R730xd 2 mal günstiger? Nur wir haben 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2,6 GHz 14C 64 GB DDR4 4 x 960 GB SSD 1 Gbit / s 100 TV von 199 US-Dollar in den Niederlanden! Dell R420 - 2x E5-2430 2,2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbit / s 100 TB - ab 99 US-Dollar! Lesen Sie mehr über den Aufbau eines Infrastrukturgebäudes. Klasse mit Dell R730xd E5-2650 v4 Servern für 9.000 Euro für einen Cent?